靜電感應起電機的起電原理及實驗驗證

摘要:在介紹了靜電感應起電機結構的基礎上，提出了一種很好的理解靜電感應起電機起電原理的方法，并對相關的理論結論做了實驗驗證。

關鍵詞:靜電感應起電機;起電原理;實驗驗證

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)1(S)-0057-2

靜電感應起電機是中學物理靜電實驗部分重要的起電儀器。在用靜電感應起電機做豐富多彩的靜電實驗時，有很多學生詢問靜電感應起電機起電原理。有不少教師卻解釋不清楚，特別是靜電感應起電機順轉時能正常起電，而反轉時不能正常起電，更是說不出所以然。下面筆者進行解釋。

1 起電機結構

如圖1所示，是實驗室中常用的一種J2310型維姆胡斯(Wim hurst )起電機。它的旋轉盤由兩塊圓形有機玻璃板疊在一起組成，中間有空隙，每塊向外的表面上都貼有鋁箔片，鋁箔片以圓心為中心對稱分布。兩盤分別與兩個受動輪固定，并依靠皮帶與驅動輪相連，兩根皮帶中有一根中間有交叉，轉動驅動輪時兩盤轉向相反。兩盤上各有一過圓心的固定電刷，兩電刷呈90°，電刷兩端的銅絲與鋁箔片密切接觸。另有與固定電刷成45°的懸空電刷，懸空電刷的兩腳跨過兩盤，但并不與兩盤接觸，腳上裝有許多尖細銅絲，銅絲尖端指向圓盤上的鋁箔片。懸空電刷由金屬桿與萊頓瓶相連。

感應起電機的左右各有一萊頓瓶。萊頓瓶其實是個電容，用來儲電。萊頓瓶結構由兩層筒狀錫箔組成，中間是電介質，上有瓶蓋。懸空電刷上的金屬桿插入瓶蓋，末端由一根較粗銅絲與萊頓瓶內層錫箔筒底相連，這樣懸空電刷上所集電荷可以儲存在萊頓瓶中。放電小球也通過一金屬桿與萊頓瓶蓋相接，但不與萊頓瓶中錫箔相連，這樣可使其受萊頓瓶內筒電荷感應而帶電。兩萊頓瓶集聚不同種電荷。兩放電小球也被感應出不同種電荷。萊頓瓶集聚電荷足夠多時，球間電壓可達幾萬伏，在兩球靠近時就會放電并產生電火花。

2 起電原理

靜電感應起電機是利用靜電感應和尖端放電現象，使導體上連續地積累大量電荷及產生高電壓的裝置。

圖2是起電機原理示意圖，為了便于說明，用小、大兩圓代表轉動圓盤A1和A2，1、2和3、4代表固定電刷B1和 B2上的四個刷頭。由于射線和其它引起空氣電離的因素的作用，空氣中經常存在微量離子。設A2盤的鋁箔片a偶然獲得正電荷，如圖2(a)。把A1盤上與鋁箔片a相對的鋁箔片b，金屬桿B1及鋁箔片b′看成一個導體，由于靜電感應，b帶負電而b′帶正電。設A2盤不動而A1盤順時針轉動，則A1盤上徑向的每對鋁箔片經與電刷1、2接觸時都帶上等量異號電荷，轉動半周后情況如圖2(b)所示。注意此時A2盤上與電刷3、4接觸的一對鋁箔片c和c′也因受到A1盤上d和d′感應而帶異號電荷，而且因鋁箔片d和d′上都有施感電荷，所以c和c′上的感應電荷比圖2(a)中b和b′上的感應電荷多。設從現在起A1盤不動而A2盤逆時針轉半周，鋁箔片上帶電情況如圖2(c)。注意此時A1盤上的一對鋁箔片b、b′帶有更多一些感應電荷。如此兩盤繼續轉動，其上鋁箔片將帶電越來越多。由圖2(d)可見，兩盤鋁箔片上電荷在一、三象限異號，而二、四象限同號。在二、四象限放置集電梳D1和D2，利用尖端放電現象，就可不斷的從鋁箔片上收集正、負電荷，通過金屬桿送至電極小球S1和S2上，能使兩球間有高達幾萬伏的電位差。

實際上搖動手柄時，兩個圓盤是同時反向轉動的，上述討論仍然適用，只是帶電過程更快而已。那么若圓盤轉向與如圖所示相反，即A1 盤逆時針轉而A2盤順時針轉時會有什么結果呢?顯然這時的二、四象限兩盤就會和順轉時的(d)圖當中的一、三象限的兩盤一樣帶上異號電荷，這時集電梳D1和D2都同時能夠收集到正電荷和負電荷，而它們收集到的凈電荷就少多啦，它們之間的電位差也就顯著減小，所以無法正常起電。

3 相關實驗驗證

3.1 驗證理論分析中各金屬片所帶電荷的異同性

(1)搖動搖柄，使鋁片與電刷摩擦。將導線一端接在驗電器上，用另一端接觸鋁片b，驗電器的指針張開。這時用導線接觸與b在同一直徑上的鋁片b′，驗電器的指針閉合，說明b與b′帶的是異種電荷。

(2)用導線接觸鋁片b，驗電器的指針張開。然后接觸與b相對的鋁片a′，驗電器鋁片的指針閉合，說明b與a′帶的也是異種電荷。

(3)用導線接觸鋁片b，驗電器的指針張開。然后，接觸與b′相對的鋁片a′，驗電器的指針張開的角度更大，說明b與a′帶的是同種電荷。

3.2 驗證兩萊頓瓶聚集電荷的電性

先用一導線將其中一個放電小球接到驗電器上，然后輕輕搖動起電機，看到驗電器箔片張開。再用另一導線兩端分別接觸另一放電小球和該驗電器，驗電器箔片張開的角度變小，這說明由于感應作用使小球帶電的兩萊頓瓶帶的是異種電荷。

3.3 確定萊頓瓶和放電小球的作用

①將萊頓瓶拆除，保留放電小球，搖動起電機，觀察到兩個球照常放電，但頻率很高，電火花非常微弱(這種電火花只能在黑暗中觀察到)。

②放回萊頓瓶，只摘除放電小球，搖動起電機，觀察到兩放電叉的金屬桿間照常放電，但放電距離較小，頻率較高，電火花稍明亮一些。

上述實驗說明萊頓瓶與放電小球只是儲電設備，與小球是否放電無關，因為即使將其拆除，轉動圓盤時兩小球照常放電，只不過電火花很弱，但其頻率更高。這是因為沒有萊頓瓶后其電容減小了，可由公式U=Q/C解釋:要產生電火花，兩小球間電壓約為幾萬伏，當C減小時，懸空電刷僅需要集聚很少電荷就可使電壓升高到放電要求，故與原來相比，放電頻率會加大。但是由于小球上每次放電所放出的電量減少了，相應電流也會減小，因而電火花很小。

③確定兩萊頓瓶間電鍵的作用。斷開連接片，發現放電小球放電間距較小，放電火花較弱，放電頻率很高。接通連接片，放電小球放電間距可以變大，放電火花亦隨其變強，放電聲更大，放電頻率明顯降低。金屬片的斷開與連接，改變了萊頓瓶的電容量。連接時，萊頓瓶的總電容量增加，儲電能力增強，放電小球間得到較高電壓，從而獲得了較明亮且間歇較長的火花放電。

3.4 驗證起電的隨機性

如前面起電原理所述鋁箔片a偶然獲得正電荷時，集電梳D1收集到的是正電荷而D2收集到的是負電荷。那么若a偶然獲得的是負電荷時，結果就應該相反，D1收集到的將是負電荷而D2收集到的是正電荷。換言之D1和D2哪一極是正、哪一極是負完全是隨機的。為了驗證這一點，我做了如下實驗，用與絲綢摩擦過的玻璃棒與通草球充分接觸，然后用這個通草球靠近放電小球S1，前后總共做了十次獨立起電實驗，發現有六次通草球與放電小球S1吸引，有四次通草球與放電小球S1排斥，這說明起電機初始帶電是射線和其它引起空氣電離的因素作用下的隨機帶電，而不是摩擦起電。

(欄目編輯王柏廬)