感应起电机背景资料

1882年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效率很高，并能产生高电压。这种起电机一直沿用至今，在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用到它。

摩擦起电机的出现，这种由人工产生的新起电现象，引起了社会广泛的关注，不仅一些王公贵族观看和欣赏电的表演，连一般老百姓也受到吸引。整个社会都对电现象感兴趣，普遍渴望获得电的知识。电学讲座成为广泛的要求，演示电的实验吸引了大量的观众，甚至大学上课时的电学演示实验，公众都挤过去看，以至达到把大学生都挤出座位的地步。摩擦起电机的出现，也为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要的作用。

起电机的结构和各部件名称见图1所示。

两个起电盘分别固定在两个受动轮的轮轴上，当同轴的两个驱动轮旋转时，两根交叉的皮带分别带动两个受动轮反向旋转，从而使两个起电盘也反向转动。因此，在安装和更换皮带时不可忽略两根传动皮带的方向。若传动皮带安装错误导致两个起电盘同向转动，则两个起电盘上正对的铝片由于静电感应带的是异种电荷，同时经过集电梳，将被中和而不能起电。在起电盘转轴上，前后固定了两根电刷，两电刷的方向互为90°夹角。

电刷与一片片旋转的铝片实现间歇式动态接触，起到了传导电荷的作用。从它的作用上可以看出，电刷的材料应该导电性能良好、弹性好，工艺结构能够实现面接触。但配发的起电机电刷质量不尽如人意。被用作电刷的铜丝含铜量低、柔软性差，甚至有的用铁丝代替。几个稀疏而扩散的劣质金属丝划过铝片时，极容易划损铝片。尤其对于用铝粉喷涂代替铝片的起电机，铝粉很容易被劣质电刷划落，散落在有机圆盘上。其后果是铝片的感应效果减弱，有机圆盘绝缘性能下降，划伤后的铝片毛刺与劣质电刷容易出现尖端放电。

因此，我们在使用和维护中，需要注意：

①用含铜量高的紫铜丝置换现有起电机的劣质电刷材料，且铜丝数量应该让电刷能够与铝片做到面接触。

②使用前应清洁起电盘、电刷和铝片等部件。若电刷质量无误，则起电机不能起电最常见的问题是电刷方向。由于连接驱动轮的轴中心螺纹和摇柄螺纹已经固定，只有当顺时针摇动摇柄，驱动轮才能持续转动。电刷位置应斜于左上方和右下方，与竖直线约成45°角。正反面电刷互成直角时起电效率最佳。若电刷位置斜于右上方和左下方，摇动摇柄时，同一集电梳的两侧尖端收集异种电荷，将被中和，放电叉上没有电荷。起电机操作中起电效果并非转动得越快越好，而是应该平稳而匀速地转动，保证两片有机玻璃间隙均匀。若过快转动起电盘，还会影响电刷与铝片的接触，以及静电感应作用，起电效果反而不好。

当两个放电叉收集到很多电荷，两者形成高电压，它们之间的气体被击穿时才能观察到气体放电出现的闪光和爆裂声。集电梳和莱顿瓶是用来收集和储存电荷的。若没有莱顿瓶，则只有在黑暗条件下才能观察到放电小球的微弱放电现象，且放电频率高。平时演示实验在白天教室中完成，为了产生明显的实验现象，需要借助莱顿瓶。两个莱顿瓶之间可以用连接片实现连接和断开。当断开连接片时，莱顿瓶的电容量较小，由于U=Q/C，只要起电机中产生较小电荷量，两个放电小球间就形成足够的高电压，形成火花放电。所以放电频率较高，电火花较弱。闭合连接片，即把两莱顿瓶连接，电容量增大，可以发现放电小球间的电火花增强，放电声更大，两次放电间隔的时间加长。

因此，当有火花放电，但效果不明显时，首先要检查储电部件状态。莱顿瓶内部结构内外表面都有一层金属涂层，瓶盖上有一个小孔，用一根“弹簧”的上端顶住小孔与连接集电梳的金属杆接触，下端与莱顿瓶内部金属涂层接触。一些企业生产的莱顿瓶内部材料和工艺十分粗糙：“弹簧”没有弹性，固定结构的材料只是硬钢丝。所以效果欠佳时，首先检查连接集电梳的金属杆与莱顿瓶内部金属壁的接触。最根本的补救方法是更换劣质的连接材料。铜质链条连接件是最佳选择，因为自然下垂的铜链可以保证莱顿瓶金属内壁的良好接触。若遇放电效果仍不佳时，首先检查莱顿瓶内的空气是否干燥，然后检查两个莱顿瓶的连接情况。导线和连接片可能生锈，造成尖端放电，严重的可能不导电。与莱顿瓶相连的金属杆的一端安装着集电梳，其作用是从转动的铝片上感应收集电荷，并传导储存到莱顿瓶。使用过程要保持集电梳处于水平状态，集电梳上的U型脚要与起电盘保持对称间歇。

静电仪器的绝缘性是与材料清洁度及周围环境密切相关的。使用前应对起电机进行清洁。用于擦拭起电盘的布必须是清洁干燥不易脱落纤维的柔性布，因为粘附在起电盘上的纤维会直接向空中漏电。遇有不易擦拭掉的污垢时，可以在擦布上蘸些酒精再擦。要用清洁的毛刷除去起电机上电刷上面的灰尘，注意掉落的毛丝不可留在仪器上以免造成漏电，并及时清除电刷上的氧化层。使用完毕要放松传动皮带，以免长期绷紧加速皮带老化。使用起电机时切忌用汗手或脏手接触仪器。操作时双手尽可能远离导体一端，避免正对着起电机呼气，因为人体呼出的水汽凝附在起电机表面也会妨碍实验的正常进行。冬天使用起电机做实验时，寒冷的室外进入暖和教室内，满室学生呼出的热气也会使实验失败。补救的方法是把仪器预先烘热后带进教室。当起电机完好、操作规范但仍不能起电时，是因为所有铝片没有带上初始电荷。这时可以用摩擦过的橡胶棒等使起电盘上的某些铝片带电即可以正常使用。同理，使用完毕后，为了安全，往往将两个放电球接触，以使正负电荷中和。这时要注意，两放电球接触后不能再转动摇柄，以免两起电盘上所有铝片正负电荷完全中和，干扰下次起电。配发的起电机在整机设计、材料选取和制作工艺上也存在不少问题。比如，底座和支架材料单薄、不够坚固，摇动驱动轮时仪器就会出现摇晃，两片起电盘无法保持合适均匀的间隙，甚至两个起电盘转动中会不断擦碰。轮轴都由塑料制品制成，表面十分光滑，传动皮带常常会在轮轴上打滑，导致两起电盘转动不均匀，或出现一盘转一盘停滞等现象。上述故障都会严重影响起电效果甚至不出现电火花。这就需要我们对仪器整机的结构、材料和工艺做适当的加固、打磨等改进性工作，以发挥它的最大效用。

它不仅可以作为起电装置,还可以演示火花放电现象,效果非常好.但是在维氏起电机的使用过程中,必须顺时针摇动手柄,学生在实验过程中,也常常因为逆时针摇动手柄而不能成功地使起电机起电,特别是一些习惯用左手的人,在操作起电机时会感觉有些别扭.

感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。莱顿瓶是个电容，用来储电。感应起电机在左右各有一莱顿瓶，两莱顿瓶集聚不同种电荷，作为电源的正负极。

当顺时针摇动转轮上的摇柄时，由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。如图：假设刚摩擦时金属铝片S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2，Q1与Q2有大小之分。图37-2所示。

当圆盘转过90°时，S1与反面电刷Bˊ相对，此时S2ˊ、S1ˊ分别与S1、S2相对。假设Q1>Q2，由于S1ˊ与S2ˊ之间有电刷连接，会引起自由电子移动，使得S1ˊ带正电荷，S2ˊ带负电荷，图37-2（b）。

当圆盘再转过45°时，S1、S2分别顺时针转至与电极相接的悬空电刷E2、E1处，并在该处放电使E1、E2带正电荷，这些正电荷又被积聚在莱顿瓶C1、C2中，图37-2（c）。

当圆盘再转过45°即S1转到与正面电刷B相对应时， S1与S1ˊ相对，S2与S2ˊ相对，刚经过放电的S1与S2恰好不再带有电荷。S2ˊ带负电使得S2感应带正电，又由于与金属刷上铜丝摩擦也使它带正电，在二者共同作用下S2带上了正电荷；对于S1来说，S1ˊ上的正电荷使其感应带负电荷，由于金属刷的连接作用，S2所带的正电荷会导致电子移动（如图37-3）使S1带负电，这样，虽然有摩擦产生的正电荷也会被以上两种作用所产生的负电荷抵消，因此S1还是带负电荷，图37-2（d）。

圆盘再转过45°时，S1ˊ与S2ˊ恰好分别转到悬空电刷E2ˊ与E1ˊ处。带正电的S1ˊ在E2ˊ处放电后不再带电，E2ˊ上的负电荷被中和使E2ˊ带正电，这些正电荷被莱顿瓶C2积聚到放电叉T2的放电小球上；带负电的S2ˊ在E1ˊ处放电后也不再带电，且E1ˊ上的正电荷被中和使E1ˊ带负电，这些负电荷被莱顿瓶C1积聚到放电叉T1的放电小球上，图37-2（e）。

如果圆盘又转过45°，S1又与S2ˊ相遇，S2与S1ˊ相遇，且此时S1﹑S2与反面电刷Bˊ相对，S1ˊ﹑S2ˊ分别在E2、E1处放电后不再带电。此时的电荷变化与过程（d）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷，图37-2（f）。

当圆盘再转过45°，此时S1﹑S2恰好分别转到悬空电刷E1﹑E2处。S1在E1处放电使得负电荷被积聚到放电叉T1的放电小球上，S2在E2处放电使得正电荷被积聚到放电叉T2的放电小球上，图37-2（g）。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（c）~（g），由于两盘的逆向旋转，转至与电极相接的悬空电刷E2、E2ˊ处的金属片将全部带正电，转至与电极相接的悬空电刷E1、E1ˊ处的金属片将全部带负电。莱顿瓶C2感应到放电小球T2上的正电荷会越来越多，而被莱顿瓶C1感应到放电小球T1上的负电荷也会越来越多，当小球聚集一定电荷时，就会产生放电现象。在莱顿瓶盖内放电叉与悬空电刷之间的空气也会被电离，使放电叉与悬空电刷在短时间内相当于一个导体，将事先聚集在莱顿瓶中的电荷大部分中和之后，再一次重复上述过程。

但是，起电机并不是从一开始就可以放电的，因为空气被击穿需要一定的电压，这就需要积聚一定的电荷，而放电叉T1、T2上电荷的积累需要一定时间，所以当起电机长时间不用后要摇动摇柄一定时间后T1、T2间的电压才能达到空气的击穿电压而产生放电现象。

那么，反向转动摇杆时是否也会达到相同的效果呢？回答是否定的，因为反转时虽然起电机原理和正转一样，但由于正反两面的铝片在摩擦起电后都没有再经过另一侧电刷，而是直接在悬空电刷处放电，使两个莱顿瓶带有同种电荷，因此不会放电。

开尔文滴水起电机是一种通过滴落的水滴引起静电感应的起电机。

开尔文滴水起电机是一种静电起电机，1867年由英国科学家开尔文爵士威廉·汤姆森发明。开尔文将这种装置用于他的滴水冷凝器。该装置有时也被称为开尔文水力发电机、开尔文静电发生器或开尔文爵士的雷电。[来源请求]这个装置以滴落的水滴，通过静电感应现象，在一个互相关联的、带相反电荷的系统中产生电压差。它唯一的用途就是在物理教学中演示静电的原理。2100433B