范氏起電機的工作原理及常見故障排除

張立新

( 南通師范高等?？茖W校如皋校區 江蘇 南通 226500 )

范氏起電機的工作原理及常見故障排除

張立新

( 南通師范高等?？茖W校如皋校區 江蘇 南通 226500 )

闡述了范氏起電機的整機工作原理：包括摩擦起電、尖端放電、電荷自激等基本理論；討論了范氏起電機常見故障的排除方法.

范氏起電機 摩擦起電 尖端放電 電荷自激機制

隨著教育技術裝備的日趨完善，范氏起電機走進了各類學校的實驗室．范氏起電機的全稱是范德格拉夫起電機，由美國物理學家羅伯特·杰米森·范德格拉夫于1931年發明.范氏起電機是靜電教學演示實驗常用的儀器設備，它將眾多靜電學原理精彩地鏈接起來而構成自身的工作原理；該起電機使稍縱即逝的靜電變得易于控制，為演示實驗和科學研究提供了可靠的靜電源．

1 范氏起電機工作原理

演示實驗用范氏起電機的內部結構如圖1所示．主要部件有金屬球殼、絕緣支架、上滾輪、下滾輪、傳送帶、自激梳、集電梳、單相交流電動機等．范氏起電機的工作過程涉及到哪些靜電學基礎理論呢？

圖1 演示實驗用范氏起電機

1.1 摩擦起電原理

如圖1所示，范氏起電機靜電荷來源是基于兩種不同材料摩擦起電的原理(包括緊密接觸起電)．一般說來兩種不同的材料發生摩擦時都會發生電荷的轉移，獲得電子的材料帶負電；失去電子的材料帶正電．由于金屬材料的自由電子很容易轉移，保存這些電荷特別困難，所以實際應用中都采用絕緣材料摩擦來獲得靜電荷．絕緣體摩擦產生的電荷稱為束縛電荷，其涵義為,這些電荷在哪里產生就停留在哪里而不能在絕緣材料上移動．范氏起電機的兩個摩擦對象是：下滾輪與傳送帶．根據需要適當地選擇兩種材料的組合：可以使下滾輪帶正電、傳送帶帶負電；調換材料的組合也可使帶電情況相反．交流電動機與下滾輪共軸，接通220 V交流電源，電動機隨即帶動下滾輪轉動．下滾輪與傳送帶之間的摩擦和緊密接觸作用，導致兩介質帶上異種電荷．這里不妨假設下滾輪帶正電，傳送帶帶負電．

1.2 尖端放電原理

從圖1看到，傳送帶左邊做上行運動、右邊做下行運動．負電荷隨著傳送帶的上行而上移，當負電荷到達上滾輪附近時，在上滾輪附近設置有集電梳，所謂集電梳就是一排整齊的金屬尖針，它的外形正像日常生活用品——梳頭的梳子．在尖端導體強電場的作用下，與尖端電荷極性相反的離子飛向尖端跟尖端電荷中和；與尖端電荷極性相同的離子受到排斥背離尖端飛走，這就是所謂尖端放電．根據尖端放電原理，傳送帶上的負電荷(束縛電荷)經過集電梳時必然發生尖端放電，負電荷飛向尖端并迅速分布到球殼表面．總之，在尖端放電的作用下，傳送帶的負電荷順利地轉移到金屬球外表面．

1.3 電荷自激原理

摩擦起電的電荷量太小，不能使金屬球帶上足夠多的靜電荷，大球與小球之間不能產生強烈的火花放電．因此儀器還需要電荷的自激機制．下滾輪、傳送帶、自激梳三者構成了電荷自激系統．在摩擦起電的過程中，負電荷被傳送帶源源不斷地運走，但正電荷只能聚集在下滾輪，而且越聚越多．這樣下滾輪正電荷的面密度就大大高于傳送帶的負電荷的面密度，因此正電荷是矛盾的主要方面：下滾輪周圍空間的電場就是正電荷形成的強大電場．在正電荷電場作用下導致自激梳發生尖端放電，由于傳送帶的中介隔離作用，尖端放電放出的負電荷不能與下滾輪的正電荷相遇中和，這些負電荷只能吸附于傳送帶且被上行的傳送帶帶走．運轉一定時間后，下滾輪的帶電荷增加量與泄漏量達到動態平衡．一定量的正電荷通過自激梳的尖端放電可產生無限量的負電荷，這就是范氏起電機的電荷自激原理．實驗表明：取下自激梳僅依靠摩擦電荷對金屬球充電它只能帶有微弱電荷．

1.4 火花放電原理

起電機金屬球相當于一個電容器，這個電容器可視為兩個同心球殼構成，一個球殼半徑是R；另一個球殼半徑為無窮大，兩球殼組成的電容器容量是

C=4πε0R

集電梳作用就是給這個電容器不斷充電．大球帶上足夠的負電荷后，將小球靠近大球，可看到明亮的電火花同時聽到爆鳴聲，即發生了“火花放電”．火花放電時碰撞電離并不是發生在兩個電極之間的整個區域，而是發生在狹窄曲折的閃光通道中．空氣擊穿后突然由絕緣體變為導體，兩個電極上的電荷很快中和，因此放電之后兩極間的電壓迅速降低，火花放電很快停止．需要等待起電機繼續起電，當兩極間的電壓又升到一定數值方能再次看到火花放電，所以火花放電是間斷發生的．

1.5 感應起電原理

范氏起電機可演示感應起電實驗．摩擦起電與感應起電是兩種基本的靜電起電方式．當起電機的金屬球帶上一定電荷時，教師手持驗電器慢慢靠近金屬球，學生看到驗電器的兩箔片逐漸張開，靠得越近張開的角度越大；再將驗電器逐漸遠離金屬球時張角變小，驗電器離開金屬球足夠遠時兩箔片合攏．這就是感應起電實驗，如圖2所示．

圖2 驗電器發生感應起電現象

在感應起電過程中驗電器所帶的凈電荷等于零．然而驗電器與金屬球靠得足夠近時發生火花放電，此時驗電器帶上了凈電荷，再將驗電器遠離金屬球時兩箔片不再合攏．

2 范氏起電機常見故障排除

范氏起電機是靜電理論知識綜合實踐應用的范例，掌握了范氏起電機的結構和工作原理后不難排除起電機的常見故障．結合我們在教學實驗中遇到的故障及排除方法做出概括性陳述．

2.1 電動機不轉或旋轉無力

范氏起電機一般使用電容啟動式單相交流電動機驅動滾輪轉動，使用日久后啟動電容器容易漏電變質甚至完全損壞，此時出現電動機旋轉無力或者只有交流聲而不旋轉的現象．可照原來電容器的容量和耐壓數值購買新的電容器并且更換．

2.2 起電機幾乎不起電

最具可能的原因就是機器潮濕或灰塵多致使各部件絕緣性能變差．如果絕緣支架、下滾輪、上滾輪、橡膠帶、金屬球表面等有纖維物、汗漬或灰塵等，都會造成許多微小的尖端，使產生的電荷直接從尖端通過電暈放電流散到空氣中．因此需要用清潔抹布將各個組件表面擦干凈，且不要用手直接觸摸儀器．環境濕度太大也會導致起電機不起電，含雜質的水分子附著在絕緣體表面會使儀器絕緣性能大大降低．起電機內部安裝有一盞白熾燈可用來烘干除濕．如果白熾燈不亮，可以檢查電路故障或者更換新燈泡．若白熾燈烘干效果不理想可考慮另加紅外線的烘干熱源，總之要保證演示實驗環境的清潔、通風、干燥．

2.3 起電機正常工作但起電量較小

這也是經常發生的故障，造成故障的原因可能來自幾個方面．一是自激梳的位置發生偏移．由前文分析可知，集電梳就是一排整齊的金屬尖針，而金屬尖針緊密連續的排列就等同于金屬刀片．我校實驗室的靜電起電機就是采用金屬刀片做為自激梳．電荷自激原理告訴我們，集電梳可以實現下滾輪有限量的正電荷通過尖端放電原理產生無限量的負電荷，且附著于傳送帶而上行．因此自激梳如果出現偏移就不能很好地發揮電荷自激裝置的作用，起電機只能產生微弱的靜電荷．實驗教師可以仔細地調整自激梳到“合適位置”——使得自激梳盡量靠近傳送帶但不要碰觸傳送帶；二是集電梳的位置發生偏移．集電梳如果與傳送帶距離太大即不能很好地收集靜電荷；集電梳如果與傳送帶的距離過近則容易劃傷傳送帶，也不能正常地收集靜電荷．實驗教師可以通過反復仔細的調節集電梳的左右兩側螺母使其到達合適位置，這里的“合適位置”與自激梳的要求相同；三是前面說到的潮濕問題以及儀器不清潔問題也是造成起電機電荷量小的原因．

2.4 傳送帶偏離上下滾輪的中線

當傳送帶偏離上下滾輪的中線較多時，傳送帶會與絕緣支架內壁摩擦，造成傳送帶與支架內壁磨損受傷．此時需要松開電動機安裝支架，重新調整電動機位置且固定之；或者調試上滾輪兩端的螺母，使橡膠帶到達較理想的中線位置．傳送帶如果出現裂紋老化現象直接影響起電效果，必須更換新的傳送帶．此外需要注意：教學演示結束要將小球與大球接觸完全放電后人體方可接觸金屬球．

2017-03-23)