起电机

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静电感应起电机的起电原理及实验验证

作者：邓宗茂

来源：《物理教学探讨》2010年第01期

摘要:在介绍了静电感应起电机结构的基础上,提出了一种很好的理解静电感应起电机起电

原理的方法,并对相关的理论结论做了实验验证。

关键词:静电感应起电机;起电原理;实验验证

中图分类号:G633.7文献标识码:A文章编号:1003-6148(2010)1(S)-0057-2

静电感应起电机是中学物理静电实验部分重要的起电仪器。在用静电感应起电机做丰富多

彩的静电实验时,有很多学生询问静电感应起电机起电原理。有不少教师却解释不清楚,特别是

静电感应起电机顺转时能正常起电,而反转时不能正常起电,更是说不出所以然。下面笔者进行

解释。

1起电机结构

如图1所示,是实验室中常用的一种J2310型维姆胡斯(Wimhurst)起电机。它的旋转盘由

两块圆形有机玻璃板叠在一起组成,中间有空隙,每块向外的表面上都贴有铝箔片,铝箔片以圆心

为中心对称分布。两盘分别与两个受动轮固定,并依靠皮带与驱动轮相连,两根皮带中有一根中

间有交叉,转动驱动轮时两盘转向相反。两盘上各有一过圆心的固定电刷,两电刷呈90°,电刷两

端的铜丝与铝箔片密切接触。另有与固定电刷成45°的悬空电刷,悬空电刷的两脚跨过两盘,但

并不与两盘接触,脚上装有许多尖细铜丝,铜丝尖端指向圆盘上的铝箔片。悬空电刷由金属杆与

莱顿瓶相连。

感应起电机的左右各有一莱顿瓶。莱顿瓶其实是个电容,用来储电。莱顿瓶结构由两层筒

状锡箔组成,中间是电介质,上有瓶盖。悬空电刷上的金属杆插入瓶盖,末端由一根较粗铜丝与莱

顿瓶内层锡箔筒底相连,这样悬空电刷上所集电荷可以储存在莱顿瓶中。放电小球也通过一金

属杆与莱顿瓶盖相接,但不与莱顿瓶中锡箔相连,这样可使其受莱顿瓶内筒电荷感应而带电。两

莱顿瓶集聚不同种电荷。两放电小球也被感应出不同种电荷。莱顿瓶集聚电荷足够多时,球间

电压可达几万伏,在两球靠近时就会放电并产生电火花。

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2起电原理

静电感应起电机是利用静电感应和尖端放电现象,使导体上连续地积累大量电荷及产生高

电压的装置。

图2是起电机原理示意图,为了便于说明,用小、大两圆代表转动圆盘A1和A2,1、2和3、

4代表固定电刷B1和B2上的四个刷头。由于射线和其它引起空气电离的因素的作用,空气中

经常存在微量离子。设A2盘的铝箔片a偶然获得正电荷,如图2(a)。把A1盘上与铝箔片a相

对的铝箔片b,金属杆B1及铝箔片b′看成一个导体,由于静电感应,b带负电而b′带正电。设A2

盘不动而A1盘顺时针转动,则A1盘上径向的每对铝箔片经与电刷1、2接触时都带上等量异号

电荷,转动半周后情况如图2(b)所示。注意此时A2盘上与电刷3、4接触的一对铝箔片c和c′也

因受到A1盘上d和d′感应而带异号电荷,而且因铝箔片d和d′上都有施感电荷,所以c和c′上的

感应电荷比图2(a)中b和b′上的感应电荷多。设从现在起A1盘不动而A2盘逆时针转半周,铝

箔片上带电情况如图2(c)。注意此时A1盘上的一对铝箔片b、b′带有更多一些感应电荷。如此

两盘继续转动,其上铝箔片将带电越来越多。由图2(d)可见,两盘铝箔片上电荷在一、三象限异

号,而二、四象限同号。在二、四象限放置集电梳D1和D2,利用尖端放电现象,就可不断的从铝

箔片上收集正、负电荷,通过金属杆送至电极小球S1和S2上,能使两球间有高达几万伏的电位

差。

实际上摇动手柄时,两个圆盘是同时反向转动的,上述讨论仍然适用,只是带电过程更快而

已。那么若圆盘转向与如图所示相反,即A1盘逆时针转而A2盘顺时针转时会有什么结果呢?显

然这时的二、四象限两盘就会和顺转时的(d)图当中的一、三象限的两盘一样带上异号电荷,这

时集电梳D1和D2都同时能够收集到正电荷和负电荷,而它们收集到的净电荷就少多啦,它们之

间的电位差也就显著减小,所以无法正常起电。

3相关实验验证

3.1验证理论分析中各金属片所带电荷的异同性

(1)摇动摇柄,使铝片与电刷摩擦。将导线一端接在验电器上,用另一端接触铝片b,验电器的

指针张开。这时用导线接触与b在同一直径上的铝片b′,验电器的指针闭合,说明b与b′带的是

异种电荷。

(2)用导线接触铝片b,验电器的指针张开。然后接触与b相对的铝片a′,验电器铝片的指针

闭合,说明b与a′带的也是异种电荷。

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(3)用导线接触铝片b,验电器的指针张开。然后,接触与b′相对的铝片a′,验电器的指针张开

的角度更大,说明b与a′带的是同种电荷。

3.2验证两莱顿瓶聚集电荷的电性

先用一导线将其中一个放电小球接到验电器上,然后轻轻摇动起电机,看到验电器箔片张

开。再用另一导线两端分别接触另一放电小球和该验电器,验电器箔片张开的角度变小,这说明

由于感应作用使小球带电的两莱顿瓶带的是异种电荷。

3.3确定莱顿瓶和放电小球的作用

①将莱顿瓶拆除,保留放电小球,摇动起电机,观察到两个球照常放电,但频率很高,电火花非

常微弱(这种电火花只能在黑暗中观察到)。

②放回莱顿瓶,只摘除放电小球,摇动起电机,观察到两放电叉的金属杆间照常放电,但放电距

离较小,频率较高,电火花稍明亮一些。

上述实验说明莱顿瓶与放电小球只是储电设备,与小球是否放电无关,因为即使将其拆除,转

动圆盘时两小球照常放电,只不过电火花很弱,但其频率更高。这是因为没有莱顿瓶后其电容减

小了,可由公式U=Q/C解释:要产生电火花,两小球间电压约为几万伏,当C减小时,悬空电刷仅需

要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求,故与原来相比,放电频率会加大。但是由于小球上

每次放电所放出的电量减少了,相应电流也会减小,因而电火花很小。

③确定两莱顿瓶间电键的作用。断开连接片,发现放电小球放电间距较小,放电火花较弱,放

电频率很高。接通连接片,放电小球放电间距可以变大,放电火花亦随其变强,放电声更大,放电频

率明显降低。金属片的断开与连接,改变了莱顿瓶的电容量。连接时,莱顿瓶的总电容量增加,储

电能力增强,放电小球间得到较高电压,从而获得了较明亮且间歇较长的火花放电。

3.4验证起电的随机性

如前面起电原理所述铝箔片a偶然获得正电荷时,集电梳D1收集到的是正电荷而D2收集

到的是负电荷。那么若a偶然获得的是负电荷时,结果就应该相反,D1收集到的将是负电荷而

D2收集到的是正电荷。换言之D1和D2哪一极是正、哪一极是负完全是随机的。为了验证这

一点,我做了如下实验,用与丝绸摩擦过的玻璃棒与通草球充分接触,然后用这个通草球靠近放电

小球S1,前后总共做了十次独立起电实验,发现有六次通草球与放电小球S1吸引,有四次通草球

与放电小球S1排斥,这说明起电机初始带电是射线和其它引起空气电离的因素作用下的随机带

电,而不是摩擦起电。

(栏目编辑王柏庐)

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