静电感应起电机原理

感应起电机工作原理

及应用概述

一个月前的一次演示实验课上，我们对感应起电机产生了浓厚兴趣。接下的一个月里，我们对感应起电机正转放电的原理及反转不能放电的原因进行了研究，并且对与其相关的许多知识展开了探讨，以下是我们通过观察讨论所得出的一些结论。

一、感应起电机结构

如图1所示，感应起电机旋转

盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组

成，中有空隙，每块向外的表面上

都贴有铝片，铝片以圆心为中心对

称分布。由于两盘分别与两个受动

轮固定，并依靠皮带与驱动轮相连，

由于两根皮带中有一根中间有交

叉，因此转动驱动轮时两盘转向相

反。如图所示，盘转向为：正面顺

时针，反面逆时针。两盘上各有一

过圆心的固定电刷，两电刷呈９０度夹角，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，这样在盘旋转时铜丝铝片可以摩擦起电。在图2所示位置有悬空电刷E，悬空电刷与电刷成45°夹角，每个刷的两脚跨过两盘，但并不与两盘接触，脚上装有许

多尖细铜丝，铜丝尖端指向圆盘上的铝片。

悬空电刷由金属杆与莱顿瓶相连。

莱顿瓶其实是个电容，用来储电。如

图3所示为莱顿瓶结构，由两层筒状锡箔

组成，中间是电介质，上有瓶盖。悬空电

刷上的金属杆插入瓶盖一半，末端由一根

较粗铜丝与莱顿瓶内层锡箔筒底相连，这

样悬空电刷上所集电荷可以储存在莱顿瓶

中。图3所示放电小球也通过一金属杆与

莱顿瓶盖相接，此杆插入瓶盖一半且不与

集电叉相触，也不与莱顿瓶中锡箔筒相连，

但这样可使其受莱顿瓶内筒电荷感应

而带电，可推导出放电小球会被感应出

和与其相连的莱顿瓶内筒同电性的电

荷。由于感应起电机在左右各有一莱顿

瓶，若两莱顿瓶集聚不同种电荷，则两

放电小球上就会被感应出不同种电荷，

当两小球靠近时就会因放电而产生电

火花。需要说明的是，此莱顿瓶仅是储

电设备，与小球是否放电无关，因为既

使将其拆除，转动圆盘时两小球照常放

电，只不过电火花很弱，但其频率更高。

这是因为没有莱顿瓶后其电容减小了，可由公式U=Q/C解释：要产生电火花，两小球间电压约为几万伏，当C减小时，悬空电刷仅需要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求，故与原来相比，

放电频率会加大。但是由于小球上每次放

电所放出的电量减少了，相应电流也会减小，因而电火花很小。

二、感应起电机正转、反转状态下的工作原理

当顺时针摇动转轮上的摇柄时，分开的两个小球之间会有电火花产生，同时会听到噼里啪啦的放电声。这就是感应起电机的放电现象。这样的现象是如何产生的呢？下面我们就介绍一下它的原理。

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。如图：

S1(转过90° (s2’) 转过45° 1===> SS

(s2’) S2

（1） （2） 转过45°S2( 转过45° 21(s’) ’)

(s’) 11

（4）

转过45° 2 (s1’) 转过45° S1S2

S1( （6）

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。

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。

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4）

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。

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E1

ˊ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。

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（４）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷。

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。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（3）~（7），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。

在这次课题的研究过程中，我们还进行了一些辅助性的实验来帮助我们理解。

一、验证理论分析中各金属片所带电荷的异同性。

（1）摇动摇柄，使铝片与电刷摩擦。将导线一端接在验电器上，用另一端接触铝片S1，验电器的指针张开。这时用导线接触与S1在同一直径上的铝片S2，验电器的指针闭合，说明S1与S2带的是异种电荷。

（2）用导线接触铝片S1,验电器的指针张开。然后接触与S1相对的铝片S1ˊ，验电器铝片的指针闭合，说明S1与S1ˊ带的也是异种电荷。

（3）用导线接触铝片S1，验电器的指针张开。然后，接触与S2相对的铝片S2ˊ，验电器的指针张开的角度更大，说明S1与S2ˊ带的是同种电荷。

二、验证反转时两莱顿瓶聚集电荷的电性

先用导线将其中一个放电小球接到验电器上，验电器指针张开。再将另一小球也接到验电器上，验电器指针张开的角度不减小。

三、确定莱顿瓶和放电小球的作用

（1）将莱顿瓶拆除，转动摇柄，观察到两小球照常放电，但频率很高，电火花比较微弱（这种电火花只能在黑暗条件下观察到）。

（2）安回莱顿瓶，将放电小球拆除，转动摇柄。观察到小球也照常放电，但频率较高，电火花微弱，但与（1）相比频率较低，电火花较强，以上两步实验说明莱顿瓶与放电小球只是储电设备，与小球是否放电无关。从理论上可以分析，拆除莱顿瓶或放电小球后，其电容减小，由公式U=Q/C知：当C减小时，只要聚集少量的电荷Q2就可使电压达到放电要求，所以放电频率升高。但小球上的电量减少，所以电火花微弱。这与实验现象吻合。

（3）确定两莱顿瓶间电键的作用

闭合电键，即把两莱顿瓶连接，可以发现放电小球间的点火花增强，放电声更大，而频率减小。

三 、拓展实验

【器材】 感应起电机、铜丝等。

【步骤】 将起电机的两个金属球分开约 10 毫米。摇动起电机，可

以看到金属球之间出现电火花，同时发出轻微的“滴滴”声。这时继续摇动起电机，同时逐渐拉大两个金属球之间的距离至 20 ～ 30 毫米左右。这时可以看到两个金属球之间出现明亮的电闪光，同时可听到清脆的“噼噼”声。这种现象叫做放电现象。雷电即是自然界中发生的大规模放电现象。实验中的闪光就好比闪电，噼噼声就好比雷声。

停止摇动起电机，再将两个金属球相接触，使正负电中和。然后在一个金属球上绕上一根铜丝，使铜丝一头指向另一金属球，并与之保持 10 毫米距离。摇动起电机，这时金属球之间便不

再出现电火花。拉大金属球之间的距离，也看不到

电闪光出现了。为什么在金属球上加了根铜丝便不

出现放电现象了呢？原来物体所带的电很容易从

物体的尖端部分逃逸。金属球上的电就逐渐从铜丝

尖端放出，使金属球上积存不起大量的电，于是就

不会产生剧烈的放电现象了（图 5）。避雷针就是

利用这个原理制成的。

通过做这次小课题，我们不仅仅弄清楚了感应起电机的工作原理，而且复习了诸如电容等许多电学知识，更重要的是——我们真正经历了从观察到猜想再到亲自设计实验进行验证最终得出结论的全过程——这培养了我们科学严谨的实验态度，启发了我们发现问题并解决问题的思想。

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