范德格拉夫起电机工作原理

我们大多数人都见过这个能让人们的头发直立的、称作范德格拉夫起电机的设备。该设备看起来就像一个安装在底座上的大铝球，您可以从下图中看到它的效果。 　　

　　（约翰·兹维萨和他的儿子近距离体验范德格拉夫起电机） 　　您是否曾经想知道这个设备到底是什么、它是如何工作的、发明它的目的是什么以及您自己如何制作一台这样的设备？当然，它不是为了让人们的头发直立而发明的……或者，您是否曾经在干燥的冬日里拖着赤足走过地毯，然后在碰到某个金属物体时受到从未有过的电击？您是否曾想了解静电和静电贴纸的奥秘？ 　　如果您曾思考过上述任一问题，那么本文将为您提供完美的答案。我们将对范德格拉夫起电机和静电进行一般性的讨论。您甚至将学会如何制作自己的范德格拉夫起电机要了解范德格拉夫起电机以及它的工作方式，您需要了解静电。我们几乎全都熟悉静电，因为我们能在冬天看到并感觉到它。在干燥的冬日，静电能够在我们的身体中累积，并且使电火花从我们的身体跳到金属物体或其他人的身体上。当电火花跳跃时，我们能够看到、感觉到它，并听到电火花的声音。 　　在科学课上，您还可能用静电做过一些实验。例如，如果您用丝绸摩擦玻璃棒或用毛线摩擦琥珀，那么玻璃和琥珀将产生静电荷，能够吸引小的纸片或塑料。 　　要了解在身体或玻璃棒产生静电荷时发生了什么事情，您需要了解组成我们日常所见之万物的原子。所有物质都由原子组成，原子本身由带电粒子组成。原子具有由中子和质子组成的原子核。它们还具有由电子组成的“外壳”。通常，物质呈电中性，这意味着电子和质子的数量相等。如果原子具有的电子数超过质子数，则原子带负电。如果它的质子数超过电子数，则带正电。 　　一些原子保持电子的能力比其他原子强。物质保持电子能力的强弱决定了它在摩擦电序中的位置。如果一种材料在与其他材料接触时更容易放弃电子，则它在摩擦电序中具有更高的正电性。如果一种材料在与其他材料接触时更容易“捕获”电子，则它在摩擦电序中具有更高的负电性。 　　下表显示了您可以在家中找到的许多材料的摩擦电序。摩擦电序中的正电性材料位于顶部，负电性材料位于底部： 　　人手（尽管通常过于潮湿）极强正电性 　　兔皮 　　玻璃 　　人的头发 　　尼龙 　　毛线 　　毛皮 　　铅 　　丝绸 　　铝 　　纸 　　棉花 　　钢电中性 　　木头 　　琥珀 　　硬橡胶 　　镍、紫铜 　　黄铜、银 　　金、铂 　　聚酯苯乙烯（泡沫聚苯乙烯） 　　保鲜膜 　　聚安酯 　　聚乙烯（例如透明胶带） 　　聚丙稀 　　聚氯乙烯（PVC） 　　硅 　　特氟纶极强负电性 　　摩擦电序中两种物质的相对位置表明它们在相互接触时所具有的行为。丝绸摩擦玻璃将导致电荷分离，因为它们在表中相差多个位置。同样的情况也发生在琥珀和毛线身上。在表中相隔越远，效果就越明显。 　　当两种不导电的材料互相接触时，这两种材料之间将形成化学键，也称作粘合力。根据材料的摩擦电属性的不同，一种材料可能“捕获”另一种材料的一些电子。如果两种材料现在彼此分离，则会发生电荷不平衡现象。捕获电子的材料现在带负电，而失去电子的材料现在带正电。这一电荷不平衡现象是“静电”产生的来源。这里的“静”一词带有欺骗性，因为它意味着“不运动”，而实际上电荷不平衡的流动很常见并且很必要。您在触摸门把手时感觉到的电火花正是这类流动的一个例子。您可能感到好奇，为什么不是每次从桌子上拿纸时都能看到电火花。电荷的数量取决于涉及的材料以及连接材料的表面区域的大小。用放大设备观察时，许多表面都看起来非常粗糙或凹凸不平。如果弄平这些表面以便使更多表面发生接触，则电荷（电压）无疑将增加。 　　静电学中的另一个重要因素是湿度。如果天气非常潮湿，则电荷不平衡不会持续一段有效的时间。请记住，湿度是衡量空气中湿气的量度标准。如果湿度高，则湿气会覆盖在材料表面，为电子流动提供一条低阻抗的路径。此路径使电荷可以“重新组合”，从而中和了电荷不平衡。同样，如果天气非常干燥，则电荷可能累积至高达数万伏的极高电平！ 　　不是源于摩擦静电电荷不是由摩擦引起。许多人对此存在误解。将气球在您的头上进行摩擦或者在地毯上拖着脚走都会累积电荷。静电和摩擦之间的联系在于它们都是粘合力的产物。将材料放在一起摩擦可以增加静电电荷，因为有更多表面区域发生接触，但摩擦本身与电荷没有任何关系。 　　想象一下您在干燥的冬日受到的电击。根据您的鞋底类型和地板材料的不同，您可以累积足够的电压，使电荷跳到门把手上，从而使您保持电中性。您可能回忆起过去的“静电贴纸”商品。干衣机中的衣服会累积静电电荷。干衣机提供了旋转的低湿气环境，从而使衣服相互之间不断接触和分离。电荷很容易累积至足够高的水平，从而导致材料吸引和“附到”带相反电荷的表面（这里是指您的身体或其他衣服）。您可以用来消除静电的一种方法是用一些水稍微湿润一下衣服。同样，水使电荷可以泄漏，从而使材料保持电中性。 　　应该注意的是，如果空气中存在尘埃，那么空气将更容易在电场中分离。这意味着尘埃使空气更容易电离。电离后的空气实际上是被剥夺了电子的空气。发生这种情况后，空气就变为了等离子体——一种非常好的导体。一般来说，向空气中加入杂质可提高其导电性。空气中有杂质和空气中有湿气的效果是一样的。两种情况下都不容易产生静电。如果空气中存在这些杂质，那么这通常意味着它们也存在于您所使用的材料上。空气状况是材料状况的良好标尺——材料通常像空气一样分解，只是更快一些。 　　既然您了解了有关静电的一些知识，那么就很容易理解范德格拉夫起电机的用途了。范德格拉夫起电机是一种用来产生静电并使其可用于实验的设备

美国物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫（RobertJemisonVandeGraaff）于年发明了范德格拉夫起电机。这种以他的名字命名的设备能够产生非常高的电压——高达万伏。范德格拉夫发明起电机的目的是为早期的粒子加速器提供所需的高能量。这些加速器称为原子粉碎机，因为它们能够将亚原子颗粒加速至非常高的速度，然后将它们“撞击”到目标原子中。碰撞能够产生其他亚原子颗粒和高能量放射线（例如X射线）。能够产生这些高能量碰撞是粒子物理和核物理的基础。 　　范德格拉夫起电机被描述为“恒定电流”静电设备。当您为范德格拉夫起电机加上负载后，电流（安培数）保持不变。随负载变化的是电压。对于范德格拉夫起电机，当您使接地物体靠近输出端子（球面）时，电压将降低，但电流保持不变。与之相反，电池是“恒定电压”设备，因为当您为电池加上负载后，电压将保持不变。汽车电池就是这方面的典型例子。充满电的汽车电池能够产生约12.75伏的电压。如果您打开前灯，然后检查电池电压，您将发现电压会保持相对不变（前提是电池工作状况良好）。同时，电流将随负载变化。例如，您的前灯可能需要10安培的电流，但您的风挡刮水器可能只需要4安培的电流。无论您打开哪个设备，电压都将保持不变。 　　范德格拉夫起电机有两种：一种使用高压电源来充电，另一种使用传动带和滚轴来充电。这里，我们将讨论传动带和滚轴起电机。 　　这种范德格拉夫起电机由以下部件组成： 　　电机E 　　两个滚轴C,G 　　传动带D 　　两个电刷部件B,F 　　输出端子（通常是金属球或铝球）A您可以在下图中找到这些部件。

　　启动电机后，下滚轴（充电器）开始转动传动带。由于传动带由橡胶制成，并且下滚轴覆盖有硅胶带，因此下滚轴开始产生负电荷，而传动带产生正电荷。通过观察下面的摩擦电序，您可以理解这一电荷不平衡发生的原因：硅的负电性超过橡胶；因此，当传动带经过滚轴时，下滚轴可以从传动带捕获电子。重要的是要了解滚轴上的电荷要比传动带上的电荷多得多。因为发生这种电荷集中现象，所以滚轴的电场要比传动带的滚轴和下电刷部件位置的电场强很多。现在，来自滚轴的强大负电荷开始做以下两件事情： 　　排斥下电刷部件顶端附近的电子。金属是良好的导电体，因为它们基本上是一些被易于移动的电子所包围的正电性原子。现在，电刷部件的电线顶端带有正电荷，因为电子已经离开电线顶端流向电机外罩上的引线。 　　它开始剥去附近的空气分子的电子。当原子被剥去电子后，就成为等离子体，即物质的第四态。因此，我们在滚轴和电刷间有自由电子和带正电的空气原子。电子受到滚轴的排斥，但受到没有电子的电刷顶端的吸引，而正电性原子受到带负电的滚轴的吸引。来自空气分子的带正电的原子核尝试向带负电的滚轴移动，但受到传动带的阻挡。因此，传动带现在“镀上”了正电荷，并且随之携带它们离开滚轴。 　　只要下滚轴和电刷部件之间有空气，范德格拉夫起电机就能继续对传动带进行充电。理论上，范德格拉夫起电机可以永远不间断地给传动带充电。遗憾的是，环境中的尘埃和其他杂质会限制球面上积聚的实际电荷数量。 　　让我们返回到传动带。前面我们提到，传动带带上正电，然后向着上滚轴和上电刷部件滚动。因为我的上滚轴使用的是尼龙，所以它将排斥传动带上的电荷。上电刷部件与球面内侧相连，并且悬在上滚轴和传动带位置附近。电刷中的电子移动到电线顶端，因为它们受到带正电的传动带的吸引。当空气像之前一样分离后，空气的带正电的原子核将受到电刷的吸引。同时，空气中的自由电子移动到传动带。当带电的物体接触金属容器内侧时，容器将获得所有电荷，并且使物体成为电中性。过多的电荷将出现在容器外表面上。这里，我们的容器就是球面。范德格拉夫起电机正是通过这一效应获得其高电压。对于范德格拉夫起电机，传动带是带电物体，负责向球面持续供应正电荷。 　　在制作您自己的范德格拉夫起电机之前，还要注意最后一个问题。通常，我们使用电中性材料来制作上滚轴，这样在球面将传动带的过量电荷吸走后，传动带将成为电中性。因为我使用尼龙上滚轴（在摩擦电序中为正电性），所以我让传动带实际供应更多的正电荷，然后成为负电性。使用这种技术的目的是使电流加倍。传动带在靠近上滚轴的一侧带正电，在靠近下滚轴的一侧带负电。 　　如果您是机械能手，那么您可以从无到有来轻松地制作自己的范德格拉夫起电机（否则，您可能希望购买一套装置或一台已经做好的起电机——有关部分概念，请参阅本文末尾的链接）。下面是我用来制作自己的范德格拉夫起电机的部件和材料列表。 　　电机——我从本地电机修理店购买了一台功率为1/3马力、转速为1,rpm的二手电机。 　　传动带——我使用一段外科用橡皮管。不要使用黑色橡胶！传动带必须绝缘。　下滚轴——我使用一段直径为7.5厘米、长度为7.5厘米的尼龙，中部有凸面。下滚轴需要钻孔，以便插入一根1.5厘米的电机轴，电机轴用插销固定，表面包裹硅胶带（可从五金商店购买，也可以到McMaster-Carr在线购买——请使用1\"宽、20毫米厚的硅胶带）。 　　上滚轴——我使用一段直径为5厘米、长度为5厘米的尼龙，中部有凸面。 　　上电刷和下电刷——我使用两段多股编织接地带。 　　球面——我使用两只扣在一起的不锈钢色拉碗。 　　滚轴 　　我建议所有认真的制作者使用负电性滚轴/正电性滚轴技术。这样，结果要比使用一个中电性滚轴好得多。确定您要使用的材料，然后去当地的五金商店进行搜寻。不必费多大的力气，就可以找到摩擦电材料列表中的许多材料。请避免使用铝箔或其他任何可能撕碎或剥落的金属。如果铝箔剥落，则会落在传动带上，造成范德格拉夫起电机短路。您应尽力在滚轴上加上凸面（使中部凸出，就像小桶一样）。凸面将使传动带沿着滚轴的中部运动，从而使传动带避免滑落。　传动带 　　我使用的外科用橡皮管完美无暇。它极其耐用，容易清洁（用外用酒精擦拭），并且易于使用。请在信誉良好的五金商店或医疗用品商店购买。买回来以后，需要将其剪成平整的橡皮带。您可以用剪刀完成这一工作，也可以将橡皮管充气以使其破裂。要制成传动带，需要将橡皮带两端稍微重叠，构成一个圆圈。在重叠部分剪出一个45度的角（完全剪断）。然后，将两端拼在一起并用橡皮胶粘合。将接缝做成45度，有助于接缝部分在滚轴上顺利滚动。 　　请记住，传动带不得导电。避免使用任何黑色的材料——这种材料很可能含有碳，而碳在范德格拉夫起电机产生的高电压下能够导电。传动带宽度应尽可能接近于滚轴宽度。您应确保电刷“刷”传动带，并且不会将电荷传导到滚轴上。 　　电刷 　　电刷必须是导电材料，例如金属。我发现，电刷的顶端越小、越锐利，效果越好。请尝试将电刷放在与滚轴之间距离不同的多个位置。不要让电刷接触传动带。否则会使残渣越积越多，最终毁坏传动带。解开接地带中的细导线是个好方法，推荐使用。 　　电机电机无疑是范德格拉夫起电机最不重要的部件。显然，您需要一台有足够马力来带动传动带的电机。您可以尝试在当地电机修理店寻找一台这样的电机。我甚至曾经使用过圆锯电机。关于电机速度，最好不要低于1,rpm。电机速度决定了范德格拉夫起电机的充电速度（不要将它与累积的电荷数量相混淆）。 　　球面 　　任何中空的金属球都可以满足需要。我使用的两个色拉碗在边缘结合处有一定程度的泄漏。我用环氧树脂密封了接缝，然后缠上电工胶带，对这一问题进行了补救。 　　组装 　　下面是初始步骤： 　　将下滚轴安装到电机轴上。 　　将下电刷部件安装到电机外罩上。 　　封闭下半部分装置。 　　不要使用木头来制作电机外罩：木头易于使用，但会从空气中吸收湿气，从而降低范德格拉夫起电机的性能。请用塑料制作电机外罩——五金商店出售的树脂玻璃就可以。请记住留下一个口，以便将传动带安装到滚轴上；还要在顶部留下一个开口，以便将传动带安装到上滚轴上。 　　对于圆柱装置，我使用一根直径为15厘米、长度为81厘米的PVC管。我将管的一端安装在电机外罩顶部，并在管的另一端钻孔。利用螺钉或杆将上滚轴通过钻孔安装到管的顶部。根据将上滚轴安装到管中的方式的不同，您可能需要在安装前将传动带放在滚轴上。安装完上滚轴后，接下来可以将传动带的另一端安装到下滚轴上，然后封闭电机外罩。 　　最后，可以安装球面和上电刷部件。为此，我在一个色拉碗的底部割开一个小孔。然后，我使用导电的“金属粘合剂”将编织接地带固定到碗内侧。接下来，我将碗安装到15厘米到10厘米的PVC减震器。我将减震器的10厘米端插入碗的孔中，然后用硅胶堵住缝隙。接下来，我将接地带的电刷端引到减震器内部并设置好（您可能需要进行一番尝试，以获得与上滚轴部件之间的最佳距离）。 　　最后，您只需将减震器放在PVC管的顶部。请确保上电刷面向传动带，并且与下电刷处于同一侧。现在，您已经拥有一台属于自己的范德格拉夫起电机了！ 　　将一段电线接到电机外罩上是个好主意，因为这样您就可以在关闭电机时使电线的另一端与球面相接触。这将使您在触摸开关时不会有轻微的触电感。另外，您可能希望无需关闭电机即可将球面放电。但是，请记住，如果您没有在操作过程中手持电线末端，那么当您拿起它的时候会有轻微的触电感。 　　利用您的新范德格拉夫起电机可以做几百万个有趣的实验，不过我将重点讨论“头发直立”实验。让一名幸运的参与者站在绝缘面上（站在泡沫包装箱顶上就可以）。参与者必须与地面绝缘。如果电荷不能在人身上累积，他/她的头发就不会直立起来。现在，让他/她将一只手放在球面上。打开范德格拉夫起电机，等着看好戏吧！ 　　如果您的范德格拉夫起电机不能正确充电，请确保它是清洁的。请避免沾染油污或残渣。您还可以使用它附带的吹风机除湿。每当我要使用范德格拉夫起电机时，都会执行这一流程。您会对它所产生的差异感到惊讶。您可能需要熄灭所有灯光，在黑暗中运行范德格拉夫起电机。您会看到在漏电的位置有蓝紫色的电火花喷射出来。请尝试用胶带、环氧树脂或硅消除漏电现象。您甚至可能需要同时使用这三种东西来消除漏电现象，但这样做是值得的。 　　当范德格拉夫起电机开始充电时，它会把电荷转移给接触它的人。由于人的发囊充电至相同电势，因此它们将彼此排斥。这就是头发竟然能够直立的原因。反转范德格拉夫起电机的极性后，将产生同样的结果。只要人体是绝缘的，电荷就会累积（当然，假定头发是清洁干燥的）。 　　我的范德格拉夫起电机会产生大约25到30厘米长的电火花。我喜欢在起电机上给自己充电，然后用手指着窗户上的铝制百叶窗。电荷（电子风）将使百叶窗移动。我可以在大约2.4米远的位置轻松做到这一点。利用范德格拉夫起电机玩肥皂泡也很有趣。它们最初将受到范德格拉夫起电机吸引并向着它漂过来；一旦被范德格拉夫起电机充电后，它们将因排斥而向远处漂走。您可以利用范德格拉夫起电机做许多好玩的事情。请尽情发挥您的想像力吧！