1、范德格拉夫靜電起電機(jī)范德格拉夫靜電起電機(jī)范德格拉夫靜電起電機(jī)范德格拉夫靜電起電機(jī) 靜電加速器是加速質(zhì)子、粒子、電子等帶點(diǎn)粒子的一種裝置，靜電加速器的電壓可高達(dá)數(shù)百萬伏，它主要是靠靜電起電機(jī)產(chǎn)生的，靜電起電機(jī)最常用的一種是1931年由范德格拉夫（R.J.Van de Graaff,1901-1967）研制出來的，故亦稱范德格拉夫靜電起電機(jī)。圖6-29是靜電起電機(jī)的工作原理圖。圖中金屬球殼A是起電機(jī)的高壓電極，它由絕緣支柱C支撐著。球殼內(nèi)和絕緣支柱底部裝有一對(duì)轉(zhuǎn)軸D和D，轉(zhuǎn)軸上裝有傳送電荷的輸電帶（絕緣帶B），并由電動(dòng)機(jī)驅(qū)使它們轉(zhuǎn)動(dòng)。在輸電帶附近裝有一排針尖E（叫噴電針尖），而針尖與直流高壓電源的

2、正極相接，且相對(duì)地面的電壓高達(dá)幾萬伏，故而在噴電針尖E附近電場(chǎng)很強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，帶正電的電荷從噴電針尖飛向輸電帶B，并附著在輸電帶上隨輸電帶一起向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸電帶B上的正電荷進(jìn)入金屬球殼A時(shí)，遇到一排與金屬球殼相連的針尖F（叫刮電針尖），因靜電感應(yīng)使刮電針尖F帶負(fù)電，同時(shí)使球殼A帶正電并分布在球殼的外表面上。由于針尖F附近電場(chǎng)很強(qiáng)，產(chǎn)生尖端放電使刮電針尖上的負(fù)電荷與輸電帶上的正電荷中和，從而使輸電帶B恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)而向下運(yùn)動(dòng)。就這樣，隨著輸電帶的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，金屬球殼外表面所積累的正電荷越來越多，其對(duì)敵的電壓也就越來越高，成為高壓正電極。同樣道理，如果噴

3、電針尖E與直流高壓電源的負(fù)極相接，則將使金屬球殼成為高壓負(fù)電極。不同極性的高壓電極，可分別用來加速不同電荷符號(hào)的帶電粒子。 由于尖端放電、漏電、電暈等原因，金屬球殼的對(duì)地電壓不可能很高，即使把金屬球可放到有幾個(gè)大氣壓的氮?dú)庵?，其?duì)地電壓也只能達(dá)到數(shù)百萬伏。 如果在金屬球殼內(nèi)放一離子源，離子將被加速而成為高能離子束。近代范德格拉夫靜電加速器可將氮和氧的離子加速到具有100MeV的動(dòng)能。目前靜電加速器除用于核物理的研究外，在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和材料的輻射處理等方面都有廣泛的應(yīng)用。美國(guó)物理學(xué)家羅伯特杰米森范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaff）于1931年發(fā)明了范德格拉

4、夫起電機(jī)。這種以他的名字命名的設(shè)備能夠產(chǎn)生非常高的電壓高達(dá)2000萬伏。范德格拉夫發(fā)明起電機(jī)的目的是為早期的粒子加速器提供所需的高能量。這些加速器稱為原子粉碎機(jī)，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)喸宇w粒加速至非常高的速度，然后將它們“撞擊”到目標(biāo)原子中。碰撞能夠產(chǎn)生其他亞原子顆粒和高能量放射線（例如X射線）。能夠產(chǎn)生這些高能量碰撞是粒子物理和核物理的基礎(chǔ)。 范德格拉夫起電機(jī)被描述為“恒定電流”靜電設(shè)備。當(dāng)您為范德格拉夫起電機(jī)加上負(fù)載后，電流（安培數(shù)）保持不變。隨負(fù)載變化的是電壓。對(duì)于范德格拉夫起電機(jī)，當(dāng)您使接地物體靠近輸出端子（球面）時(shí)，電壓將降低，但電流保持不變。與之相反，電池是“恒定電壓”設(shè)備，因?yàn)楫?dāng)您為

5、電池加上負(fù)載后，電壓將保持不變。汽車電池就是這方面的典型例子。充滿電的汽車電池能夠產(chǎn)生約12.75伏的電壓。如果您打開前燈，然后檢查電池電壓，您將發(fā)現(xiàn)電壓會(huì)保持相對(duì)不變（前提是電池工作狀況良好）。同時(shí)，電流將隨負(fù)載變化。例如，您的前燈可能需要10安培的電流，但您的風(fēng)擋刮水器可能只需要4安培的電流。無論您打開哪個(gè)設(shè)備，電壓都將保持不變。 范德格拉夫起電機(jī)有兩種：一種使用高壓電源來充電，另一種使用傳動(dòng)帶和滾軸來充電。這里，我們將討論傳動(dòng)帶和滾軸起電機(jī)。 這種范德格拉夫起電機(jī)由以下部件組成： 電機(jī) 兩個(gè)滾軸 傳動(dòng)帶 兩個(gè)電刷部件 輸出端子（通常是金屬球或鋁球） 您可以在下圖中找到這些部件。 啟動(dòng)電機(jī)

6、后，下滾軸（充電器）開始轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)帶。由于傳動(dòng)帶由橡膠制成，并且下滾軸覆蓋有硅膠帶，因此下滾軸開始產(chǎn)生負(fù)電荷，而傳動(dòng)帶產(chǎn)生正電荷。通過觀察下面的摩擦電序，您可以理解這一電荷不平衡發(fā)生的原因：硅的負(fù)電性超過橡膠；因此，當(dāng)傳動(dòng)帶經(jīng)過滾軸時(shí)，下滾軸可以從傳動(dòng)帶捕獲電子。重要的是要了解滾軸上的電荷要比傳動(dòng)帶上的電荷多得多。因?yàn)榘l(fā)生這種電荷集中現(xiàn)象，所以滾軸的電場(chǎng)要比傳動(dòng)帶的滾軸和下電刷部件位置的電場(chǎng)強(qiáng)很多?，F(xiàn)在，來自滾軸的強(qiáng)大負(fù)電荷開始做以下兩件事情： 1. 排斥下電刷部件頂端附近的電子。金屬是良好的導(dǎo)電體，因?yàn)樗鼈兓旧鲜且恍┍灰子谝苿?dòng)的電子所包圍的正電性原子?，F(xiàn)在，電刷部件的電線頂端帶有正電荷，因?yàn)?/p>

7、電子已經(jīng)離開電線頂端流向電機(jī)外罩上的引線。 2. 它開始剝?nèi)ジ浇目諝夥肿拥碾娮?。?dāng)原子被剝?nèi)ル娮雍?，就成為等離子體，即物質(zhì)的第四態(tài)。因此，我們?cè)跐L軸和電刷間有自由電子和帶正電的空氣原子。電子受到滾軸的排斥，但受到?jīng)]有電子的電刷頂端的吸引，而正電性原子受到帶負(fù)電的滾軸的吸引。 來自空氣分子的帶正電的原子核嘗試向帶負(fù)電的滾軸移動(dòng)，但受到傳動(dòng)帶的阻擋。因此，傳動(dòng)帶現(xiàn)在“鍍上”了正電荷，并且隨之?dāng)y帶它們離開滾軸。 只要下滾軸和電刷部件之間有空氣，范德格拉夫起電機(jī)就能繼續(xù)對(duì)傳動(dòng)帶進(jìn)行充電。理論上，范德格拉夫起電機(jī)可以永遠(yuǎn)不間斷地給傳動(dòng)帶充電。遺憾的是，環(huán)境中的塵埃和其他雜質(zhì)會(huì)限制球面上積聚的實(shí)際電荷數(shù)

8、量。 讓我們返回到傳動(dòng)帶。前面我們提到，傳動(dòng)帶帶上正電，然后向著上滾軸和上電刷部件滾動(dòng)。因?yàn)槲业纳蠞L軸使用的是尼龍，所以它將排斥傳動(dòng)帶上的電荷。上電刷部件與球面內(nèi)側(cè)相連，并且懸在上滾軸和傳動(dòng)帶位置附近。電刷中的電子移動(dòng)到電線頂端，因?yàn)樗鼈兪艿綆д姷膫鲃?dòng)帶的吸引。當(dāng)空氣像之前一樣分離后，空氣的帶正電的原子核將受到電刷的吸引。同時(shí)，空氣中的自由電子移動(dòng)到傳動(dòng)帶。當(dāng)帶電的物體接觸金屬容器內(nèi)側(cè)時(shí)，容器將獲得所有電荷，并且使物體成為電中性。過多的電荷將出現(xiàn)在容器外表面上。這里，我們的容器就是球面。范德格拉夫起電機(jī)正是通過這一效應(yīng)獲得其高電壓。對(duì)于范德格拉夫起電機(jī)，傳動(dòng)帶是帶電物體，負(fù)責(zé)向球面持續(xù)供應(yīng)正

9、電荷。 在制作您自己的范德格拉夫起電機(jī)之前，還要注意最后一個(gè)問題。通常，我們使用電中性材料來制作上滾軸，這樣在球面將傳動(dòng)帶的過量電荷吸走后，傳動(dòng)帶將成為電中性。因?yàn)槲沂褂媚猃埳蠞L軸（在摩擦電序中為正電性），所以我讓傳動(dòng)帶實(shí)際供應(yīng)更多的正電荷，然后成為負(fù)電性。使用這種技術(shù)的目的是使電流加倍。傳動(dòng)帶在靠近上滾軸的一側(cè)帶正電，在靠近下滾軸的一側(cè)帶負(fù)電。 如果您是機(jī)械能手，那么您可以從無到有來輕松地制作自己的范德格拉夫起電機(jī)（否則，您可能希望購(gòu)買一套裝置或一臺(tái)已經(jīng)做好的起電機(jī)有關(guān)部分概念，請(qǐng)參閱本文末尾的鏈接）。下面是我用來制作自己的范德格拉夫起電機(jī)的部件和材料列表。 電機(jī)我從本地電機(jī)修理店購(gòu)買了一臺(tái)

10、功率為1/3馬力、轉(zhuǎn)速為1,780rpm的二手電機(jī)。 傳動(dòng)帶我使用一段外科用橡皮管。不要使用黑色橡膠！傳動(dòng)帶必須絕緣。 下滾軸我使用一段直徑為7.5厘米、長(zhǎng)度為7.5厘米的尼龍，中部有凸面。下滾軸需要鉆孔，以便插入一根1.5厘米的電機(jī)軸，電機(jī)軸用插銷固定，表面包裹硅膠帶（可從五金商店購(gòu)買，也可以到McMaster-Carr在線購(gòu)買請(qǐng)使用1寬、20毫米厚的硅膠帶）。 上滾軸我使用一段直徑為5厘米、長(zhǎng)度為5厘米的尼龍，中部有凸面。 上電刷和下電刷我使用兩段多股編織接地帶。 球面我使用兩只扣在一起的不銹鋼色拉碗。 滾軸我建議所有認(rèn)真的制作者使用負(fù)電性滾軸/正電性滾軸技術(shù)。這樣，結(jié)果要比使用一個(gè)中電性

11、滾軸好得多。確定您要使用的材料，然后去當(dāng)?shù)氐奈褰鹕痰赀M(jìn)行搜尋。不必費(fèi)多大的力氣，就可以找到摩擦電材料列表中的許多材料。請(qǐng)避免使用鋁箔或其他任何可能撕碎或剝落的金屬。如果鋁箔剝落，則會(huì)落在傳動(dòng)帶上，造成范德格拉夫起電機(jī)短路。您應(yīng)盡力在滾軸上加上凸面（使中部凸出，就像小桶一樣）。凸面將使傳動(dòng)帶沿著滾軸的中部運(yùn)動(dòng)，從而使傳動(dòng)帶避免滑落。 傳動(dòng)帶我使用的外科用橡皮管完美無暇。它極其耐用，容易清潔（用外用酒精擦拭），并且易于使用。請(qǐng)?jiān)谛抛u(yù)良好的五金商店或醫(yī)療用品商店購(gòu)買。買回來以后，需要將其剪成平整的橡皮帶。您可以用剪刀完成這一工作，也可以將橡皮管充氣以使其破裂。要制成傳動(dòng)帶，需要將橡皮帶兩端稍微重疊，

12、構(gòu)成一個(gè)圓圈。在重疊部分剪出一個(gè)45度的角（完全剪斷）。然后，將兩端拼在一起并用橡皮膠粘合。將接縫做成45度，有助于接縫部分在滾軸上順利滾動(dòng)。 請(qǐng)記住，傳動(dòng)帶不得導(dǎo)電。避免使用任何黑色的材料這種材料很可能含有碳，而碳在范德格拉夫起電機(jī)產(chǎn)生的高電壓下能夠?qū)щ?。傳?dòng)帶寬度應(yīng)盡可能接近于滾軸寬度。您應(yīng)確保電刷“刷”傳動(dòng)帶，并且不會(huì)將電荷傳導(dǎo)到滾軸上。 電刷電刷必須是導(dǎo)電材料，例如金屬。我發(fā)現(xiàn)，電刷的頂端越小、越銳利，效果越好。請(qǐng)嘗試將電刷放在與滾軸之間距離不同的多個(gè)位置。不要讓電刷接觸傳動(dòng)帶。否則會(huì)使殘?jiān)椒e越多，最終毀壞傳動(dòng)帶。解開接地帶中的細(xì)導(dǎo)線是個(gè)好方法，推薦使用。 電機(jī)電機(jī)無疑是范德格拉夫起

13、電機(jī)最不重要的部件。顯然，您需要一臺(tái)有足夠馬力來帶動(dòng)傳動(dòng)帶的電機(jī)。您可以嘗試在當(dāng)?shù)仉姍C(jī)修理店尋找一臺(tái)這樣的電機(jī)。我甚至曾經(jīng)使用過圓鋸電機(jī)。關(guān)于電機(jī)速度，最好不要低于1,000rpm。電機(jī)速度決定了范德格拉夫起電機(jī)的充電速度（不要將它與累積的電荷數(shù)量相混淆）。 球面任何中空的金屬球都可以滿足需要。我使用的兩個(gè)色拉碗在邊緣結(jié)合處有一定程度的泄漏。我用環(huán)氧樹脂密封了接縫，然后纏上電工膠帶，對(duì)這一問題進(jìn)行了補(bǔ)救。 組裝下面是初始步驟： 1. 將下滾軸安裝到電機(jī)軸上。 2. 將下電刷部件安裝到電機(jī)外罩上。 3. 封閉下半部分裝置。 不要使用木頭來制作電機(jī)外罩：木頭易于使用，但會(huì)從空氣中吸收濕氣，從而降低

14、范德格拉夫起電機(jī)的性能。請(qǐng)用塑料制作電機(jī)外罩五金商店出售的樹脂玻璃就可以。請(qǐng)記住留下一個(gè)口，以便將傳動(dòng)帶安裝到滾軸上；還要在頂部留下一個(gè)開口，以便將傳動(dòng)帶安裝到上滾軸上。 對(duì)于圓柱裝置，我使用一根直徑為15厘米、長(zhǎng)度為81厘米的PVC管。我將管的一端安裝在電機(jī)外罩頂部，并在管的另一端鉆孔。利用螺釘或桿將上滾軸通過鉆孔安裝到管的頂部。 根據(jù)將上滾軸安裝到管中的方式的不同，您可能需要在安裝前將傳動(dòng)帶放在滾軸上。安裝完上滾軸后，接下來可以將傳動(dòng)帶的另一端安裝到下滾軸上，然后封閉電機(jī)外罩。 最后，可以安裝球面和上電刷部件。為此，我在一個(gè)色拉碗的底部割開一個(gè)小孔。然后，我使用導(dǎo)電的“金屬粘合劑”將編織接

15、地帶固定到碗內(nèi)側(cè)。接下來，我將碗安裝到15厘米到10厘米的PVC減震器。我將減震器的10厘米端插入碗的孔中，然后用硅膠堵住縫隙。接下來，我將接地帶的電刷端引到減震器內(nèi)部并設(shè)置好（您可能需要進(jìn)行一番嘗試，以獲得與上滾軸部件之間的最佳距離）。 最后，您只需將減震器放在PVC管的頂部。請(qǐng)確保上電刷面向傳動(dòng)帶，并且與下電刷處于同一側(cè)。現(xiàn)在，您已經(jīng)擁有一臺(tái)屬于自己的范德格拉夫起電機(jī)了！ 將一段電線接到電機(jī)外罩上是個(gè)好主意，因?yàn)檫@樣您就可以在關(guān)閉電機(jī)時(shí)使電線的另一端與球面相接觸。這將使您在觸摸開關(guān)時(shí)不會(huì)有輕微的觸電感。另外，您可能希望無需關(guān)閉電機(jī)即可將球面放電。但是，請(qǐng)記住，如果您沒有在操作過程中手持電線

16、末端，那么當(dāng)您拿起它的時(shí)候會(huì)有輕微的觸電利用您的新范德格拉夫起電機(jī)可以做幾百萬個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，不過我將重點(diǎn)討論“頭發(fā)直立”實(shí)驗(yàn)。讓一名幸運(yùn)的參與者站在絕緣面上（站在包裝箱頂上就可以）。參與者必須與地面絕緣。如果電荷不能在人身上累積，他/她的頭發(fā)就不會(huì)直立起來?，F(xiàn)在，讓他/她將一只手放在球面上。打開范德格拉夫起電機(jī)，等著看好戲吧！ 幫助如果您的范德格拉夫起電機(jī)不能正確充電，請(qǐng)確保它是清潔的。請(qǐng)避免沾染油污或殘?jiān)Ｄ€可以使用它附帶的吹風(fēng)機(jī)除濕。每當(dāng)我要使用范德格拉夫起電機(jī)時(shí)，都會(huì)執(zhí)行這一流程。您會(huì)對(duì)它所產(chǎn)生的差異感到驚訝。您可能需要熄滅所有燈光，在黑暗中運(yùn)行范德格拉夫起電機(jī)。您會(huì)看到在漏電的位置有藍(lán)紫色的電火花噴射出來。請(qǐng)嘗試用膠帶、環(huán)氧樹脂或硅消除漏電現(xiàn)象。您甚至可能需要同時(shí)使用這三種東西來消除漏電現(xiàn)象，但這樣做是值得的。當(dāng)范德格拉夫起電機(jī)開始充電時(shí)，它會(huì)把電荷轉(zhuǎn)移給接觸它的人。由于人的發(fā)囊充電至相同電勢(shì)，因此它們將彼此排斥。這就是頭發(fā)竟然能夠直立的原