靜電感應起電機原理

1、感應起電機工作原理及應用概述一個月前的一次演示實驗課上，我們對感應起電機產生了濃厚興趣。接下的一個月里，我們對感應起電機正轉放電的原理及反轉不能放電的原因進行了研究，并且對與其相關的許多知識展開了探討，以下是我們通過觀察討論所得出的一些結論。一、感應起電機結構如圖1所示，感應起電機旋轉盤由兩塊圓形有機玻璃疊在一起組成，中有空隙，每塊向外的表面上都貼有鋁片，鋁片以圓心為中心對稱分布。由于兩盤分別與兩個受動輪固定，并依靠皮帶與驅動輪相連，由于兩根皮帶中有一根中間有交叉，因此轉動驅動輪時兩盤轉向相反。如圖所示，盤轉向為：正面順時針，反面逆時針。兩盤上各有一過圓心的固定電刷，兩電刷呈90度夾角，電刷兩

2、端的銅絲與鋁片密切接觸，這樣在盤旋轉時銅絲鋁片可以摩擦起電。在圖2所示位置有懸空電刷E,懸空電刷與電刷成45°夾角，每個刷的兩腳跨過兩盤，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片。懸空電刷由金屬桿與萊頓瓶相連。萊頓瓶其實是個電容，用來儲電。如圖3所示為萊頓瓶結構，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一半，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。圖3所示放電小球也通過一金屬桿與萊頓瓶蓋相接，此桿插入瓶蓋一半且不與集電叉相觸，也不與萊頓瓶中錫箔筒相連，<-Q放電小球一懸空電刷:耳

3、尖細銅絲電介航銅紇內筒錫泊外筒錫箔但這樣可使其受萊頓瓶內筒電荷感應而帶電，可推導出放電小球會被感應出和與其相連的萊頓瓶內筒同電性的電荷。由于感應起電機在左右各有一萊頓瓶，若兩萊頓瓶集聚不同種電荷，則兩放電小球上就會被感應出不同種電荷，當兩小球靠近時就會因放電而產生電火花。需要說明的是，此萊頓瓶僅是儲電設備，與小球是否放電無關，因為既使將其拆除，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

4、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。二、感應起電機正轉、反轉狀態(tài)下的工作原理當順時針搖動轉輪上的搖柄時，分開的兩個小球之間會有電火花產生，同時會聽到嚅里啪啦的放電聲。這就是感應起電機的放電現象。這樣的現象是如何產生的呢？下面我們就介紹一下它的原理。由于在靜電序列中鋁排在銅之前，所以在圓盤轉動時鋁片與電刷上的銅絲摩擦而帶上正電荷，銅絲帶負電荷。如圖：假設剛摩擦時金屬鋁片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。如圖：轉過45°轉過45當圓盤轉過90°時，Si與反面電刷B，相對，此時S2，、Si,分別與Si

5、、S2相對。假設Qi>Q2,由于Si,與S2/之間有電刷連接，會引起自由電子移動，使得Si,帶正電荷，S2/帶負電荷。當圓盤再轉過45°時，Si、*分別順時針轉至與電極相接的懸空電刷E2、Ei處，并在該處放電使Ei、E2帶正電荷，這些正電荷又被積聚在萊頓瓶Ci、C21當圓盤再轉過450即Si轉到與正面電刷B相對應時，Si與Si,相對，S2與S2/相對，剛經過放電的Si與S2恰好不再帶有電荷。S2/帶負電使得S2感應帶正電，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；對于Si來說,Si,上的正電荷使其感應帶負電荷，由于金屬刷的連接作用，S2所帶的正電荷

6、會導致電子移動（如圖4）使Si帶負電，這樣，雖然有摩擦產生的正電荷也會被以上兩種作用所產生的負電荷抵消，因此S1還是帶負電荷。圓盤再轉過45°時，Si,與S2/恰好分別轉到懸空電刷E2,與Ei,處。帶正電的Si,在E2,處放電后不再帶電，E2/上的負電荷被中和使E2/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；帶負電的S2/在E1,處放電后也不再帶電，且E1,上的正電荷被中和使Ei,帶負電，這些負電荷被萊頓瓶Ci積聚到放電叉Ti的放電小球上。如果圓盤又轉過45°,Si又與S2/相遇，S2與Si/相遇，且此時Si、S2與反面電刷B/相對，Si、S2,分別在E2

7、、Ei處放電后不再帶電。此時的電荷變化與過程（4）相似，因此與Si相對的S2/帶正電荷，與S2相對的Si/帶負電荷當圓盤再轉過45°,此時Si、S2恰好分別轉到懸空電刷Ei、E2處。Si在Ei處放電使得負電荷被積聚到放電叉Ti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。之后轉動搖柄，電荷的變化情況將重復過程（3）（7）,由于兩盤的逆向旋轉，轉至與電極相接的懸空電刷E2、E2/處的金屬片將全部帶正電，轉至與電極相接的懸空電刷Ei、Ei/處的金屬片將全部帶負電。萊頓瓶C2感應到放電小球T2上的正電荷會越來越多，而被萊頓瓶Ci感應到放電小球Ti上的負電荷也會越

8、來越多，當小球聚集一定電荷時，就會產生放電現象。在萊頓瓶蓋內放電叉與懸空電刷之間的空氣也會被電離，使放電叉與懸空電刷在短時間內相當于一個導體，將事先聚集在萊頓瓶中的電荷大部分中和之后，再一次重復上述過程。但是，起電機并不是從一開始就可以放電的，因為空氣被擊穿需要一定的電壓，這就需要積聚一定的電荷，而放電叉Ti、T2上電荷的積累需要一定時間，所以當起電機長時間不用后要搖動搖柄一定時間后Ti、T2間的電壓才能達到擊穿電壓而產生放電現象。那么，反向轉動搖桿時是否也會達到相同的效果呢？回答是否定的，因為反轉時雖然起電機原理和正轉一樣，但由于正反兩面的鋁片在摩擦起電后都沒有再經過另一側電刷，而是直接在懸

9、空電刷處放電，使兩個萊頓瓶帶有同種電荷，因此不會放電。在這次課題的研究過程中，我們還進行了一些輔助性的實驗來幫助我們理解。一、驗證理論分析中各金屬片所帶電荷的異同性。（i）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Si,驗電器的指針張開。這時用導線接觸與Si在同一直徑上的鋁片S2,驗電器的指針閉合，說明Si與S2帶的是異種電荷。（2）用導線接觸鋁片Si,驗電器的指針張開。然后接觸與Si相對的鋁片S4,驗電器鋁片的指針閉合，說明Si與Si，帶的也是異種電荷。（3）用導線接觸鋁片Si,驗電器的指針張開。然后，接觸與S2相對的鋁片S2,驗電器的指針張開的角度更大，說明Si與

10、S2/帶的是同種電荷。二、驗證反轉時兩萊頓瓶聚集電荷的電性先用導線將其中一個放電小球接到驗電器上，驗電器指針張開。再將另一小球也接到驗電器上，驗電器指針張開的角度不減小。三、確定萊頓瓶和放電小球的作用(1)將萊頓瓶拆除，轉動搖柄，觀察到兩小球照常放電，但頻率很高，電火花比較微弱(這種電火花只能在黑暗條件下觀察到)。(2)安回萊頓瓶，將放電小球拆除，轉動搖柄。觀察到小球也照常放電，但頻率較高，電火花微弱，但與(1)相比頻率較低，電火花較強，以上兩步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。從理論上可以分析，拆除萊頓瓶或放電小球后，其電容減小，由公式U=Q/C知：當C減小時，只要聚

11、集少量的電荷Q2就可使電壓達到放電要求，所以放電頻率升高。但小球上的電量減少，所以電火花微弱。這與實驗現象吻合。(3)確定兩萊頓瓶間電鍵的作用閉合電鍵，即把兩萊頓瓶連接，可以發(fā)現放電小球間的點火花增強，放電聲更大，而頻率減小。三、拓展實驗【器材】感應起電機、銅絲等?！静襟E】將起電機的兩個金屬球分開約10毫米。搖動起電機，可以看到金屬球之間出現電火花，同時發(fā)出輕微的“滴滴”聲。這時繼續(xù)搖動起電機，同時逐漸拉大兩個金屬球之間的距離至2030毫米左右。這時可以看到兩個金屬球之間出現明亮的電閃光，同時可聽到清脆的“嚅嚅”聲。這種現象叫做放電現象。雷電即是自然界中發(fā)生的大規(guī)模放電現象。實驗中的閃光就好比閃電，嚅嚅聲就好比雷聲。停止搖動起電機，冉將兩個金屬球相接觸，使正負電中和。然后在一個金屬球上繞上一根銅絲，使銅絲一頭指向另一金屬球，并與之保持無電閃光圖510毫米距離。搖動起電機，這時金屬球之間便不再出現電火花。拉大金屬球之間的距離，也看不到電閃光出現了。為什么在金屬球上加了根銅絲便不出現放電現象了呢？原來物體所帶的電很容易從物體的尖端部分逃逸。金屬球上的電就