靜電發(fā)電機

靜電發(fā)電機是由開爾文構(gòu)思，范德格拉夫?qū)崿F(xiàn)的，又稱為范德格拉夫發(fā)電機。它是由一個空心絕緣圓柱支撐的空心球狀導(dǎo)體組成的，如圖2-29所示。其中的皮帶繞過兩個滑輪。下面的滑輪由電動機驅(qū)動，上面的滑輪是被動輪。一根有很高正電位的桿上裝有許多尖端，尖端附近的空氣都被電離了。正離子受到尖端排斥，其中一些離子依附于皮帶表面。相似的過程也發(fā)生在空心球狀導(dǎo)體的金屬刷上。當(dāng)電荷積聚時，空心球狀導(dǎo)體的電位升高。范德格拉夫發(fā)電機可產(chǎn)生幾百萬伏的高壓。其主要應(yīng)用是加速帶電粒子使之獲得很高的動能來進行原子碰撞實驗。

為了進一步闡明靜電發(fā)電機的原理，可先分析一下圖2-29b所示的一個空心的、不帶電荷的導(dǎo)體球，其中球上有一個小孔，把一個帶正電荷q的小球從開口處引入腔內(nèi)。達(dá)到平衡狀態(tài)后，罩的內(nèi)表面獲得凈負(fù)電荷，而其外表面會感應(yīng)出正電荷q。若此時使小球接觸空心導(dǎo)體球的內(nèi)表面，小球所帶的正電荷就被內(nèi)表面的負(fù)電荷完全中和，然而空心導(dǎo)體球的外表面仍然帶正電荷q。如果小球被撤回，并充以電荷q后再放入空心導(dǎo)體球內(nèi)，其內(nèi)表面又得到負(fù)電荷，導(dǎo)致外表面的電量有同樣大小的增加。讓小球接觸空心導(dǎo)體球的內(nèi)表面，小球和內(nèi)表面又將都失去電荷。但此時空心導(dǎo)體球的外面將有兩倍的正電荷。換言之，通過將帶電物體放人空心導(dǎo)體球并使之與其內(nèi)表面接觸，則帶電體所帶電荷將被轉(zhuǎn)移到空心導(dǎo)體球的外表面。當(dāng)然，該過程與空心導(dǎo)體球的外表面所帶的初始電荷量是不相關(guān)的。

實際的靜電發(fā)電機，其工作原理有的與上述起電盤完全相同。在結(jié)構(gòu)上，為了保證能連續(xù)重復(fù)感應(yīng)充電過程，原起電盤中帶有絕緣手柄的金屬片用安裝在絕緣輪輪緣上相互絕緣的一組金屬片代替。金屬片與橡皮板的相對位置和起電盤中相同。當(dāng)某一金屬片隨絕緣輪的轉(zhuǎn)動而靠近橡皮板時，金屬片的下表面和上表面將分別感應(yīng)出正電荷和負(fù)電荷。用地線移去負(fù)電荷，而當(dāng)該金屬片離開橡皮板時斷開接地線，則金屬片上只帶有一定量的正電荷。這些正電荷可用導(dǎo)線沿同向送到電荷收集器中。當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時，輪緣上的每個金屬片依次靠近橡皮板，感應(yīng)充電過程不斷重復(fù)，電荷連續(xù)地被傳送到收集器中。

靜電發(fā)電機只能短時間地以電流的方式大量供給電荷，因為無法持續(xù)工作，所以派不上什么用處。但是，如果不讓電流出現(xiàn)而使電荷不斷地蓄積起來的話，電位也就成比例地越升越高，結(jié)果就會產(chǎn)生很高的電壓。利用這個原理，現(xiàn)代的靜電發(fā)電機都用作產(chǎn)生高電壓，與其叫發(fā)電機不如稱之為利用靜電的“超高壓發(fā)生裝置”更容易被人理解。

發(fā)生超高壓的靜電發(fā)電機有很多種方式，其中最有代表的是使用傳遞皮帶的范德格拉夫型和不使用皮帶的SAMES型兩種。

范德格拉夫型靜電發(fā)電機

范德格拉夫型靜電發(fā)電機的構(gòu)造如圖1所示，它的結(jié)構(gòu)很像建筑工地上常用來搬運沙土的傳送皮帶裝置。

兩個由馬達(dá)驅(qū)動的輪子之間張有一條絕緣材料制成的皮帶，它們以勻速轉(zhuǎn)動。給針狀電極加上數(shù)萬伏特的高電壓，電極與輪子之間就會發(fā)生電暈放電，使絕緣皮帶帶上電荷。由于皮帶不停地運動，所以，電荷就被源源不斷地運到頂部的球形集電器中。

皮帶上的正電荷在傳到集電器附近時，通過與集電器相連的針狀電極發(fā)生放電被轉(zhuǎn)移到高壓端的集電器中蓄積起來，集電器與地面之間的電容量是固定的，因為皮帶勻速運動，所以集電器一端的電壓與蓄積的電荷量成正比，隨時間直線增加。集電器的電壓最終能夠達(dá)到數(shù)兆至20兆伏(1兆等于100萬)。

范德格拉夫型發(fā)電機雖然能夠產(chǎn)生超高壓，但是由于使用了皮帶，所以它的穩(wěn)定性容易受振動等因素的影響，不太適合于短時間內(nèi)產(chǎn)生高電壓的需求。于是SAMES型發(fā)電機應(yīng)運而生，它用旋轉(zhuǎn)的圓筒取代了皮帶，SAMES型發(fā)電機的特點是工作穩(wěn)定、發(fā)電速度快，而且結(jié)構(gòu)精巧，它的缺點是產(chǎn)生的電壓不如范德格拉夫型發(fā)電機高。SAMES是成功開發(fā)該裝置的法國企業(yè)的名字。

SAMES型發(fā)電機

如圖2所示，SAMES型發(fā)電機的核心是一個外表面涂有數(shù)毫米厚絕緣性樹脂的玻璃圓筒，通過圓筒的旋轉(zhuǎn)來傳遞樹脂表層所帶的電荷。

通過左右兩個電極的電暈放電，使樹脂表層帶上電荷。然后隨著圓筒的旋轉(zhuǎn)到通過上下兩個電極處時，經(jīng)過放電通過電極轉(zhuǎn)移并蓄積到輸出端子上。

在SAMES型發(fā)電機中，帶電電極與輸出端子之間的距離由圓筒的直徑來決定，而且不可能太遠(yuǎn)，因此，用SAMES型發(fā)電機只能產(chǎn)生1兆伏，即100萬伏以下的電壓。但是，因為圓筒的剛性好，即使將轉(zhuǎn)速提得很高也能夠平穩(wěn)地工作，因此調(diào)控起來很簡單。SAMES型發(fā)電機占用空間小，能夠連續(xù)地大量產(chǎn)生電荷。

在實用中，范德格拉夫型發(fā)電機用于產(chǎn)生數(shù)兆伏以上的超高電壓，而對于低于此數(shù)值的高壓則通常使用SAMES型發(fā)電機。

靜電發(fā)電機是一種連續(xù)產(chǎn)生電荷的機器。靜電發(fā)電機可在一物體上積聚大量電荷，它可應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)上。威姆赫斯特發(fā)電機是一種小型發(fā)電機，由兩個旋轉(zhuǎn)盤組成，電荷積聚在旋轉(zhuǎn)盤上，由金屬刷收集。范德拉夫發(fā)電機包含一傳送帶，當(dāng)它通過一排金屬尖端時就帶有電荷。傳送帶將電荷輸送到發(fā)電機頂部的空心金屬球上。如果將另一個金屬球移近發(fā)電機，就可以在兩個金屬球間引發(fā)大的靜電火花。

最簡單的靜電發(fā)電機相當(dāng)于一只起電盤(見圖3)。這種起電盤由一個帶有絕緣柄H的金屬片D和硬橡皮板R組成。在用皮毛摩擦橡皮板使之帶負(fù)電荷之后,將金屬片D放在橡皮板R上。由于橡皮板的表面不可能加工得絕對平整，金屬片與橡皮板的接觸面之間始終存在著一定的空隙。這時金屬片的下表面將感應(yīng)出正電荷，而上表面則感應(yīng)出等量的負(fù)電荷。用金屬導(dǎo)體將金屬片接地，釋放掉金屬片上的電子，然后去除接地線，同時用絕緣柄將金屬片抬離橡皮板，此時金屬片上只有正電荷，這些正電荷可以用收集器加以收集。如果重復(fù)上述充電過程，就可以在收集器上獲得大量正電荷，產(chǎn)生相當(dāng)高的電壓。