感應(yīng)起電機(jī)

起電機(jī)的結(jié)構(gòu)和各部件名稱見圖1所示。

兩個(gè)起電盤分別固定在兩個(gè)受動(dòng)輪的輪軸上，當(dāng)同軸的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩根交叉的皮帶分別帶動(dòng)兩個(gè)受動(dòng)輪反向旋轉(zhuǎn)，從而使兩個(gè)起電盤也反向轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在安裝和更換皮帶時(shí)不可忽略兩根傳動(dòng)皮帶的方向。若傳動(dòng)皮帶安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致兩個(gè)起電盤同向轉(zhuǎn)動(dòng)，則兩個(gè)起電盤上正對(duì)的鋁片由于靜電感應(yīng)帶的是異種電荷，同時(shí)經(jīng)過集電梳，將被中和而不能起電。在起電盤轉(zhuǎn)軸上，前后固定了兩根電刷，兩電刷的方向互為90°夾角。

電刷與一片片旋轉(zhuǎn)的鋁片實(shí)現(xiàn)間歇式動(dòng)態(tài)接觸，起到了傳導(dǎo)電荷的作用。從它的作用上可以看出，電刷的材料應(yīng)該導(dǎo)電性能良好、彈性好，工藝結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)面接觸。但配發(fā)的起電機(jī)電刷質(zhì)量不盡如人意。被用作電刷的銅絲含銅量低、柔軟性差，甚至有的用鐵絲代替。幾個(gè)稀疏而擴(kuò)散的劣質(zhì)金屬絲劃過鋁片時(shí)，極容易劃損鋁片。尤其對(duì)于用鋁粉噴涂代替鋁片的起電機(jī)，鋁粉很容易被劣質(zhì)電刷劃落，散落在有機(jī)圓盤上。其后果是鋁片的感應(yīng)效果減弱，有機(jī)圓盤絕緣性能下降，劃傷后的鋁片毛刺與劣質(zhì)電刷容易出現(xiàn)尖端放電。

因此，我們?cè)谑褂煤途S護(hù)中，需要注意：

①用含銅量高的紫銅絲置換現(xiàn)有起電機(jī)的劣質(zhì)電刷材料，且銅絲數(shù)量應(yīng)該讓電刷能夠與鋁片做到面接觸。

②使用前應(yīng)清潔起電盤、電刷和鋁片等部件。若電刷質(zhì)量無誤，則起電機(jī)不能起電最常見的問題是電刷方向。由于連接驅(qū)動(dòng)輪的軸中心螺紋和搖柄螺紋已經(jīng)固定，只有當(dāng)順時(shí)針搖動(dòng)搖柄，驅(qū)動(dòng)輪才能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電刷位置應(yīng)斜于左上方和右下方，與豎直線約成45°角。正反面電刷互成直角時(shí)起電效率最佳。若電刷位置斜于右上方和左下方，搖動(dòng)搖柄時(shí)，同一集電梳的兩側(cè)尖端收集異種電荷，將被中和，放電叉上沒有電荷。起電機(jī)操作中起電效果并非轉(zhuǎn)動(dòng)得越快越好，而是應(yīng)該平穩(wěn)而勻速地轉(zhuǎn)動(dòng)，保證兩片有機(jī)玻璃間隙均勻。若過快轉(zhuǎn)動(dòng)起電盤，還會(huì)影響電刷與鋁片的接觸，以及靜電感應(yīng)作用，起電效果反而不好。

靜電儀器的絕緣性是與材料清潔度及周圍環(huán)境密切相關(guān)的。使用前應(yīng)對(duì)起電機(jī)進(jìn)行清潔。用于擦拭起電盤的布必須是清潔干燥不易脫落纖維的柔性布，因?yàn)檎掣皆谄痣姳P上的纖維會(huì)直接向空中漏電。遇有不易擦拭掉的污垢時(shí)，可以在擦布上蘸些酒精再擦。要用清潔的毛刷除去起電機(jī)上電刷上面的灰塵，注意掉落的毛絲不可留在儀器上以免造成漏電，并及時(shí)清除電刷上的氧化層。使用完畢要放松傳動(dòng)皮帶，以免長(zhǎng)期繃緊加速皮帶老化。使用起電機(jī)時(shí)切忌用汗手或臟手接觸儀器。操作時(shí)雙手盡可能遠(yuǎn)離導(dǎo)體一端，避免正對(duì)著起電機(jī)呼氣，因?yàn)槿梭w呼出的水汽凝附在起電機(jī)表面也會(huì)妨礙實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。冬天使用起電機(jī)做實(shí)驗(yàn)時(shí)，寒冷的室外進(jìn)入暖和教室內(nèi)，滿室學(xué)生呼出的熱氣也會(huì)使實(shí)驗(yàn)失敗。補(bǔ)救的方法是把儀器預(yù)先烘熱后帶進(jìn)教室。當(dāng)起電機(jī)完好、操作規(guī)范但仍不能起電時(shí)，是因?yàn)樗袖X片沒有帶上初始電荷。這時(shí)可以用摩擦過的橡膠棒等使起電盤上的某些鋁片帶電即可以正常使用。同理，使用完畢后，為了安全，往往將兩個(gè)放電球接觸，以使正負(fù)電荷中和。這時(shí)要注意，兩放電球接觸后不能再轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，以免兩起電盤上所有鋁片正負(fù)電荷完全中和，干擾下次起電。配發(fā)的起電機(jī)在整機(jī)設(shè)計(jì)、材料選取和制作工藝上也存在不少問題。比如，底座和支架材料單薄、不夠堅(jiān)固，搖動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪時(shí)儀器就會(huì)出現(xiàn)搖晃，兩片起電盤無法保持合適均勻的間隙，甚至兩個(gè)起電盤轉(zhuǎn)動(dòng)中會(huì)不斷擦碰。輪軸都由塑料制品制成，表面十分光滑，傳動(dòng)皮帶常常會(huì)在輪軸上打滑，導(dǎo)致兩起電盤轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻，或出現(xiàn)一盤轉(zhuǎn)一盤停滯等現(xiàn)象。上述故障都會(huì)嚴(yán)重影響起電效果甚至不出現(xiàn)電火花。這就需要我們對(duì)儀器整機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料和工藝做適當(dāng)?shù)募庸?、打磨等改進(jìn)性工作，以發(fā)揮它的最大效用。

1882年，英國(guó)維姆胡斯創(chuàng)造了圓盤式靜電感應(yīng)起電機(jī)，其中兩同軸玻璃圓板可反向高速轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦起電的效率很高，并能產(chǎn)生高電壓。這種起電機(jī)一直沿用至今，在各中學(xué)的物理課堂上作電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，就經(jīng)常用到它。

摩擦起電機(jī)的出現(xiàn)，這種由人工產(chǎn)生的新起電現(xiàn)象，引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注，不僅一些王公貴族觀看和欣賞電的表演，連一般老百姓也受到吸引。整個(gè)社會(huì)都對(duì)電現(xiàn)象感興趣，普遍渴望獲得電的知識(shí)。電學(xué)講座成為廣泛的要求，演示電的實(shí)驗(yàn)吸引了大量的觀眾，甚至大學(xué)上課時(shí)的電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，公眾都擠過去看，以至達(dá)到把大學(xué)生都擠出座位的地步。摩擦起電機(jī)的出現(xiàn)，也為實(shí)驗(yàn)研究提供了電源，對(duì)電學(xué)的發(fā)展起了重要的作用。

當(dāng)兩個(gè)放電叉收集到很多電荷，兩者形成高電壓，它們之間的氣體被擊穿時(shí)才能觀察到氣體放電出現(xiàn)的閃光和爆裂聲。集電梳和萊頓瓶是用來收集和儲(chǔ)存電荷的。若沒有萊頓瓶，則只有在黑暗條件下才能觀察到放電小球的微弱放電現(xiàn)象，且放電頻率高。平時(shí)演示實(shí)驗(yàn)在白天教室中完成，為了產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要借助萊頓瓶。兩個(gè)萊頓瓶之間可以用連接片實(shí)現(xiàn)連接和斷開。當(dāng)斷開連接片時(shí)，萊頓瓶的電容量較小，由于U=Q/C，只要起電機(jī)中產(chǎn)生較小電荷量，兩個(gè)放電小球間就形成足夠的高電壓，形成火花放電。所以放電頻率較高，電火花較弱。閉合連接片，即把兩萊頓瓶連接，電容量增大，可以發(fā)現(xiàn)放電小球間的電火花增強(qiáng)，放電聲更大，兩次放電間隔的時(shí)間加長(zhǎng)。

因此，當(dāng)有火花放電，但效果不明顯時(shí)，首先要檢查儲(chǔ)電部件狀態(tài)。萊頓瓶?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面都有一層金屬涂層，瓶蓋上有一個(gè)小孔，用一根“彈簧”的上端頂住小孔與連接集電梳的金屬桿接觸，下端與萊頓瓶?jī)?nèi)部金屬涂層接觸。一些企業(yè)生產(chǎn)的萊頓瓶?jī)?nèi)部材料和工藝十分粗糙：“彈簧”沒有彈性，固定結(jié)構(gòu)的材料只是硬鋼絲。所以效果欠佳時(shí)，首先檢查連接集電梳的金屬桿與萊頓瓶?jī)?nèi)部金屬壁的接觸。最根本的補(bǔ)救方法是更換劣質(zhì)的連接材料。銅質(zhì)鏈條連接件是最佳選擇，因?yàn)樽匀幌麓沟你~鏈可以保證萊頓瓶金屬內(nèi)壁的良好接觸。若遇放電效果仍不佳時(shí)，首先檢查萊頓瓶?jī)?nèi)的空氣是否干燥，然后檢查兩個(gè)萊頓瓶的連接情況。導(dǎo)線和連接片可能生銹，造成尖端放電，嚴(yán)重的可能不導(dǎo)電。與萊頓瓶相連的金屬桿的一端安裝著集電梳，其作用是從轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁片上感應(yīng)收集電荷，并傳導(dǎo)儲(chǔ)存到萊頓瓶。使用過程要保持集電梳處于水平狀態(tài)，集電梳上的U型腳要與起電盤保持對(duì)稱間歇。

它不僅可以作為起電裝置,還可以演示火花放電現(xiàn)象,效果非常好.但是在維氏起電機(jī)的使用過程中,必須順時(shí)針搖動(dòng)手柄,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中,也常常因?yàn)槟鏁r(shí)針搖動(dòng)手柄而不能成功地使起電機(jī)起電,特別是一些習(xí)慣用左手的人,在操作起電機(jī)時(shí)會(huì)感覺有些別扭.

感應(yīng)起電機(jī)是一種能連續(xù)取得并可積累較多正、負(fù)電荷的實(shí)驗(yàn)裝置。萊頓瓶是個(gè)電容，用來儲(chǔ)電。感應(yīng)起電機(jī)在左右各有一萊頓瓶，兩萊頓瓶集聚不同種電荷，作為電源的正負(fù)極。

當(dāng)順時(shí)針搖動(dòng)轉(zhuǎn)輪上的搖柄時(shí)，由于在靜電序列中鋁排在銅之前，所以在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋁片與電刷上的銅絲摩擦而帶上正電荷，銅絲帶負(fù)電荷。如圖：假設(shè)剛摩擦?xí)r金屬鋁片S1帶電量為Q1，與其在同一直徑上的鋁片S2帶電量為Q2，Q1與Q2有大小之分。圖37-2所示。

當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)過90°時(shí)，S1與反面電刷Bˊ相對(duì)，此時(shí)S2ˊ、S1ˊ分別與S1、S2相對(duì)。假設(shè)Q1>Q2，由于S1ˊ與S2ˊ之間有電刷連接，會(huì)引起自由電子移動(dòng)，使得S1ˊ帶正電荷，S2ˊ帶負(fù)電荷，圖37-2（b）。

當(dāng)圓盤再轉(zhuǎn)過45°時(shí)，S1、S2分別順時(shí)針轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E2、E1處，并在該處放電使E1、E2帶正電荷，這些正電荷又被積聚在萊頓瓶C1、C2中，圖37-2（c）。

當(dāng)圓盤再轉(zhuǎn)過45°即S1轉(zhuǎn)到與正面電刷B相對(duì)應(yīng)時(shí)， S1與S1ˊ相對(duì)，S2與S2ˊ相對(duì)，剛經(jīng)過放電的S1與S2恰好不再帶有電荷。S2ˊ帶負(fù)電使得S2感應(yīng)帶正電，又由于與金屬刷上銅絲摩擦也使它帶正電，在二者共同作用下S2帶上了正電荷；對(duì)于S1來說，S1ˊ上的正電荷使其感應(yīng)帶負(fù)電荷，由于金屬刷的連接作用，S2所帶的正電荷會(huì)導(dǎo)致電子移動(dòng)（如圖37-3）使S1帶負(fù)電，這樣，雖然有摩擦產(chǎn)生的正電荷也會(huì)被以上兩種作用所產(chǎn)生的負(fù)電荷抵消，因此S1還是帶負(fù)電荷，圖37-2（d）。

圓盤再轉(zhuǎn)過45°時(shí)，S1ˊ與S2ˊ恰好分別轉(zhuǎn)到懸空電刷E2ˊ與E1ˊ處。帶正電的S1ˊ在E2ˊ處放電后不再帶電，E2ˊ上的負(fù)電荷被中和使E2ˊ帶正電，這些正電荷被萊頓瓶C2積聚到放電叉T2的放電小球上；帶負(fù)電的S2ˊ在E1ˊ處放電后也不再帶電，且E1ˊ上的正電荷被中和使E1ˊ帶負(fù)電，這些負(fù)電荷被萊頓瓶C1積聚到放電叉T1的放電小球上，圖37-2（e）。

如果圓盤又轉(zhuǎn)過45°，S1又與S2ˊ相遇，S2與S1ˊ相遇，且此時(shí)S1﹑S2與反面電刷Bˊ相對(duì)，S1ˊ﹑S2ˊ分別在E2、E1處放電后不再帶電。此時(shí)的電荷變化與過程（d）相似, 因此與S1相對(duì)的S2ˊ帶正電荷, 與S2相對(duì)的S1ˊ帶負(fù)電荷，圖37-2（f）。

當(dāng)圓盤再轉(zhuǎn)過45°，此時(shí)S1﹑S2恰好分別轉(zhuǎn)到懸空電刷E1﹑E2處。S1在E1處放電使得負(fù)電荷被積聚到放電叉T1的放電小球上，S2在E2處放電使得正電荷被積聚到放電叉T2的放電小球上，圖37-2（g）。之后轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，電荷的變化情況將重復(fù)過程（c）~（g），由于兩盤的逆向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E2、E2ˊ處的金屬片將全部帶正電，轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E1、E1ˊ處的金屬片將全部帶負(fù)電。萊頓瓶C2感應(yīng)到放電小球T2上的正電荷會(huì)越來越多，而被萊頓瓶C1感應(yīng)到放電小球T1上的負(fù)電荷也會(huì)越來越多，當(dāng)小球聚集一定電荷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。在萊頓瓶蓋內(nèi)放電叉與懸空電刷之間的空氣也會(huì)被電離，使放電叉與懸空電刷在短時(shí)間內(nèi)相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體，將事先聚集在萊頓瓶中的電荷大部分中和之后，再一次重復(fù)上述過程。

但是，起電機(jī)并不是從一開始就可以放電的，因?yàn)榭諝獗粨舸┬枰欢ǖ碾妷?，這就需要積聚一定的電荷，而放電叉T1、T2上電荷的積累需要一定時(shí)間，所以當(dāng)起電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不用后要搖動(dòng)搖柄一定時(shí)間后T1、T2間的電壓才能達(dá)到空氣的擊穿電壓而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

那么，反向轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿時(shí)是否也會(huì)達(dá)到相同的效果呢？回答是否定的，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)時(shí)雖然起電機(jī)原理和正轉(zhuǎn)一樣，但由于正反兩面的鋁片在摩擦起電后都沒有再經(jīng)過另一側(cè)電刷，而是直接在懸空電刷處放電，使兩個(gè)萊頓瓶帶有同種電荷，因此不會(huì)放電。

開爾文滴水起電機(jī)是一種通過滴落的水滴引起靜電感應(yīng)的起電機(jī)。

開爾文滴水起電機(jī)是一種靜電起電機(jī)，1867年由英國(guó)科學(xué)家開爾文爵士威廉·湯姆森發(fā)明。開爾文將這種裝置用于他的滴水冷凝器。該裝置有時(shí)也被稱為開爾文水力發(fā)電機(jī)、開爾文靜電發(fā)生器或開爾文爵士的雷電。[來源請(qǐng)求]這個(gè)裝置以滴落的水滴，通過靜電感應(yīng)現(xiàn)象，在一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的、帶相反電荷的系統(tǒng)中產(chǎn)生電壓差。它唯一的用途就是在物理教學(xué)中演示靜電的原理。2100433B