感應(yīng)起電機(jī)整機(jī)性能的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)技巧

靜電儀器的絕緣性是與材料清潔度及周?chē)h(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(pán)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(pán)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(mǎn)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(méi)有帶上初始電荷。這時(shí)可以用摩擦過(guò)的橡膠棒等使起電盤(pán)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(pán)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(wèn)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(pán)無(wú)法保持合適均勻的間隙，甚至兩個(gè)起電盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻，或出現(xiàn)一盤(pán)轉(zhuǎn)一盤(pán)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。

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(lái)收集和儲(chǔ)存電荷的。若沒(méi)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(kāi)。當(dāng)斷開(kāi)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(méi)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(guò)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(pán)保持對(duì)稱(chēng)間歇。

起電機(jī)的結(jié)構(gòu)和各部件名稱(chēng)見(jiàn)圖1所示。

兩個(gè)起電盤(pán)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(pán)也反向轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在安裝和更換皮帶時(shí)不可忽略?xún)筛鶄鲃?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(pán)同向轉(zhuǎn)動(dòng)，則兩個(gè)起電盤(pán)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(guò)集電梳，將被中和而不能起電。在起電盤(pán)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(guò)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(pán)上。其后果是鋁片的感應(yīng)效果減弱，有機(jī)圓盤(pán)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(pán)、電刷和鋁片等部件。若電刷質(zhì)量無(wú)誤，則起電機(jī)不能起電最常見(jiàn)的問(wèn)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(méi)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(guò)快轉(zhuǎn)動(dòng)起電盤(pán)，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。

1882年，英國(guó)維姆胡斯創(chuàng)造了圓盤(pán)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(guò)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。

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(guò)程中,必須順時(shí)針搖動(dòng)手柄,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jué)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(lái)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(pán)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(pán)轉(zhuǎn)過(guò)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(pán)再轉(zhuǎn)過(guò)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(pán)再轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(pán)再轉(zhuǎn)過(guò)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(pán)又轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(pán)再轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)程（c）~（g），由于兩盤(pán)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(lái)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(lái)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(guò)程。

但是，起電機(jī)并不是從一開(kāi)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(méi)有再經(jīng)過(guò)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(kāi)爾文滴水起電機(jī)是一種通過(guò)滴落的水滴引起靜電感應(yīng)的起電機(jī)。

開(kāi)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(kāi)爾文爵士威廉·湯姆森發(fā)明。開(kāi)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(chēng)為開(kāi)爾文水力發(fā)電機(jī)、開(kāi)爾文靜電發(fā)生器或開(kāi)爾文爵士的雷電。[來(lái)源請(qǐng)求]這個(gè)裝置以滴落的水滴，通過(guò)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