張立新

( 南通師范高等?？茖W(xué)校如皋校區(qū) 江蘇 南通 226500 )

范氏起電機(jī)的工作原理及常見(jiàn)故障排除

張立新

( 南通師范高等?？茖W(xué)校如皋校區(qū) 江蘇 南通 226500 )

闡述了范氏起電機(jī)的整機(jī)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(jī)常見(jiàn)故障的排除方法.

范氏起電機(jī) 摩擦起電 尖端放電 電荷自激機(jī)制

隨著教育技術(shù)裝備的日趨完善，范氏起電機(jī)走進(jìn)了各類學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室．范氏起電機(jī)的全稱是范德格拉夫起電機(jī)，由美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·杰米森·范德格拉夫于1931年發(fā)明.范氏起電機(jī)是靜電教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)常用的儀器設(shè)備，它將眾多靜電學(xué)原理精彩地鏈接起來(lái)而構(gòu)成自身的工作原理；該起電機(jī)使稍縱即逝的靜電變得易于控制，為演示實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究提供了可靠的靜電源．

1 范氏起電機(jī)工作原理

演示實(shí)驗(yàn)用范氏起電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)等．范氏起電機(jī)的工作過(guò)程涉及到哪些靜電學(xué)基礎(chǔ)理論呢？

圖1 演示實(shí)驗(yàn)用范氏起電機(jī)

1.1 摩擦起電原理

如圖1所示，范氏起電機(jī)靜電荷來(lái)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(shuō)來(lái)兩種不同的材料發(fā)生摩擦?xí)r都會(huì)發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移，獲得電子的材料帶負(fù)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(zhuǎn)移，保存這些電荷特別困難，所以實(shí)際應(yīng)用中都采用絕緣材料摩擦來(lái)獲得靜電荷．絕緣體摩擦產(chǎn)生的電荷稱為束縛電荷，其涵義為,這些電荷在哪里產(chǎn)生就停留在哪里而不能在絕緣材料上移動(dòng)．范氏起電機(jī)的兩個(gè)摩擦對(duì)象是：下滾輪與傳送帶．根據(jù)需要適當(dāng)?shù)剡x擇兩種材料的組合：可以使下滾輪帶正電、傳送帶帶負(fù)電；調(diào)換材料的組合也可使帶電情況相反．交流電動(dòng)機(jī)與下滾輪共軸，接通220 V交流電源，電動(dòng)機(jī)隨即帶動(dòng)下滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)．下滾輪與傳送帶之間的摩擦和緊密接觸作用，導(dǎo)致兩介質(zhì)帶上異種電荷．這里不妨假設(shè)下滾輪帶正電，傳送帶帶負(fù)電．

1.2 尖端放電原理

從圖1看到，傳送帶左邊做上行運(yùn)動(dòng)、右邊做下行運(yùn)動(dòng)．負(fù)電荷隨著傳送帶的上行而上移，當(dāng)負(fù)電荷到達(dá)上滾輪附近時(shí)，在上滾輪附近設(shè)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(dǎo)體強(qiáng)電場(chǎng)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(jù)尖端放電原理，傳送帶上的負(fù)電荷(束縛電荷)經(jīng)過(guò)集電梳時(shí)必然發(fā)生尖端放電，負(fù)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(fù)電荷順利地轉(zhuǎn)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(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電．因此儀器還需要電荷的自激機(jī)制．下滾輪、傳送帶、自激梳三者構(gòu)成了電荷自激系統(tǒng)．在摩擦起電的過(guò)程中，負(fù)電荷被傳送帶源源不斷地運(yùn)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(fù)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(chǎng)就是正電荷形成的強(qiáng)大電場(chǎng)．在正電荷電場(chǎng)作用下導(dǎo)致自激梳發(fā)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(fù)電荷不能與下滾輪的正電荷相遇中和，這些負(fù)電荷只能吸附于傳送帶且被上行的傳送帶帶走．運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，下滾輪的帶電荷增加量與泄漏量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡．一定量的正電荷通過(guò)自激梳的尖端放電可產(chǎn)生無(wú)限量的負(fù)電荷，這就是范氏起電機(jī)的電荷自激原理．實(shí)驗(yàn)表明：取下自激梳僅依靠摩擦電荷對(duì)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(jī)金屬球相當(dāng)于一個(gè)電容器，這個(gè)電容器可視為兩個(gè)同心球殼構(gòu)成，一個(gè)球殼半徑是R；另一個(gè)球殼半徑為無(wú)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(gè)電容器不斷充電．大球帶上足夠的負(fù)電荷后，將小球靠近大球，可看到明亮的電火花同時(shí)聽(tīng)到爆鳴聲，即發(fā)生了“火花放電”．火花放電時(shí)碰撞電離并不是發(fā)生在兩個(gè)電極之間的整個(gè)區(qū)域，而是發(fā)生在狹窄曲折的閃光通道中．空氣擊穿后突然由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，兩個(gè)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(jī)繼續(xù)起電，當(dāng)兩極間的電壓又升到一定數(shù)值方能再次看到火花放電，所以火花放電是間斷發(fā)生的．

1.5 感應(yīng)起電原理

范氏起電機(jī)可演示感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)．摩擦起電與感應(yīng)起電是兩種基本的靜電起電方式．當(dāng)起電機(jī)的金屬球帶上一定電荷時(shí)，教師手持驗(yàn)電器慢慢靠近金屬球，學(xué)生看到驗(yàn)電器的兩箔片逐漸張開(kāi)，靠得越近張開(kāi)的角度越大；再將驗(yàn)電器逐漸遠(yuǎn)離金屬球時(shí)張角變小，驗(yàn)電器離開(kāi)金屬球足夠遠(yuǎn)時(shí)兩箔片合攏．這就是感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)，如圖2所示．

圖2 驗(yàn)電器發(fā)生感應(yīng)起電現(xiàn)象

在感應(yīng)起電過(guò)程中驗(yàn)電器所帶的凈電荷等于零．然而驗(yàn)電器與金屬球靠得足夠近時(shí)發(fā)生火花放電，此時(shí)驗(yàn)電器帶上了凈電荷，再將驗(yàn)電器遠(yuǎn)離金屬球時(shí)兩箔片不再合攏．

2 范氏起電機(jī)常見(jiàn)故障排除

范氏起電機(jī)是靜電理論知識(shí)綜合實(shí)踐應(yīng)用的范例，掌握了范氏起電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理后不難排除起電機(jī)的常見(jiàn)故障．結(jié)合我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)驗(yàn)中遇到的故障及排除方法做出概括性陳述．

2.1 電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)無(wú)力

范氏起電機(jī)一般使用電容啟動(dòng)式單相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使用日久后啟動(dòng)電容器容易漏電變質(zhì)甚至完全損壞，此時(shí)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)無(wú)力或者只有交流聲而不旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象．可照原來(lái)電容器的容量和耐壓數(shù)值購(gòu)買新的電容器并且更換．

2.2 起電機(jī)幾乎不起電

最具可能的原因就是機(jī)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?jié)n或灰塵等，都會(huì)造成許多微小的尖端，使產(chǎn)生的電荷直接從尖端通過(guò)電暈放電流散到空氣中．因此需要用清潔抹布將各個(gè)組件表面擦干凈，且不要用手直接觸摸儀器．環(huán)境濕度太大也會(huì)導(dǎo)致起電機(jī)不起電，含雜質(zhì)的水分子附著在絕緣體表面會(huì)使儀器絕緣性能大大降低．起電機(jī)內(nèi)部安裝有一盞白熾燈可用來(lái)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(shí)驗(yàn)環(huán)境的清潔、通風(fēng)、干燥．

2.3 起電機(jī)正常工作但起電量較小

這也是經(jīng)常發(fā)生的故障，造成故障的原因可能來(lái)自幾個(gè)方面．一是自激梳的位置發(fā)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(xù)的排列就等同于金屬刀片．我校實(shí)驗(yàn)室的靜電起電機(jī)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(shí)現(xiàn)下滾輪有限量的正電荷通過(guò)尖端放電原理產(chǎn)生無(wú)限量的負(fù)電荷，且附著于傳送帶而上行．因此自激梳如果出現(xiàn)偏移就不能很好地發(fā)揮電荷自激裝置的作用，起電機(jī)只能產(chǎn)生微弱的靜電荷．實(shí)驗(yàn)教師可以仔細(xì)地調(diào)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(fā)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(guò)近則容易劃傷傳送帶，也不能正常地收集靜電荷．實(shí)驗(yàn)教師可以通過(guò)反復(fù)仔細(xì)的調(diào)節(jié)集電梳的左右兩側(cè)螺母使其到達(dá)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(shuō)到的潮濕問(wèn)題以及儀器不清潔問(wèn)題也是造成起電機(jī)電荷量小的原因．

2.4 傳送帶偏離上下滾輪的中線

當(dāng)傳送帶偏離上下滾輪的中線較多時(shí)，傳送帶會(huì)與絕緣支架內(nèi)壁摩擦，造成傳送帶與支架內(nèi)壁磨損受傷．此時(shí)需要松開(kāi)電動(dòng)機(jī)安裝支架，重新調(diào)整電動(dòng)機(jī)位置且固定之；或者調(diào)試上滾輪兩端的螺母，使橡膠帶到達(dá)較理想的中線位置．傳送帶如果出現(xiàn)裂紋老化現(xiàn)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(xué)演示結(jié)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)