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范德格拉夫起电机如何运作?

范德格拉夫起电机如何运作?

[日期:2006-04-14] 来源:http://www.hk-phy.org/  作者: [字体: ]

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范德格拉夫起电机是由美国科学家范德格拉夫 (1901- 1967) 1931年发明的。起电机以摩擦生电的原理,不断产生大量电荷。图为学校普遍使用的一种模型,内里有一条橡皮带,由胶辘带动运转。当点电极藉摩擦或高电压产生静电,运转 的橡皮带便会将电荷不断地传到球形金属罩的内表面。因为电荷之间互相排斥,所以电荷便移动到球形罩的外表面,形成大量电荷积聚在球形罩上。

图一  范德格拉夫起电机的原理。

 

 

图二  一个不带电的金属小球被起电机的球

形罩吸引,你知道原因吗?

 

 

起电机有甚么应用?

 

 

范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压。在核物理实验中,如此高的电压可用来加速各种带电粒子,如质子、电子等。此外,这种起电机也可用来演示很多有趣的静电现象,如使头发竖立起来、吸引发泡胶球、产生电火花、用电风使「风车」旋转等。透过这些现象,我们可以更了解静电的特质。

 

 

使头发竖立

 

 

我们可以站在绝缘的椅子上,用手按着起电机的球形金属罩。由于人的身体也可导电,所以当起电机启动时,电荷便传到我们的身体上。而因为头发上的电荷互相排斥,头发便竖立起来。

 

 

吸引发泡胶球

 

 

当发泡胶球移近起电机的球形罩时,发泡胶球中分子内的电荷分布将发生变化。在分子内,正负两极的电荷被轻微地分离,产生所谓极化的现象。此时球形罩上的电荷与分子内相反的电荷产生微小的吸力,从而吸引整个发泡胶球。

 

 

产生电火花

 

 

把接地的金属小球移近起电机的球形罩时,强大的电场使电荷由球形罩跃向金属小球,在空气中产生大量离子和电子。因为离子的能态比不带电的空气分子高,所以它们便自发地释放能量,产生火花。这是在空气中的放电现象,例如闪电就是电荷从一片云跃向另一片云或地面的放电现象。

 

 

产生电风

 

 

带电导体的尖端区域具有较高的表面电荷密度,而电荷密度越高,所产生的电场越强。而强大的电场使尖端周围的空气分子电离,空气中与导体电荷相反的离子或电子被尖端吸引,而那些与导体电荷相同的离子或电子则被尖端排斥到远处,这现象称为尖端效应。离子运动时拖动空气分子,产生电风,可使扇叶转动。

 

 

日常生活中的静电

 

 

在日常生活中有很多静电的应用,像复印机、静电除尘器、静电喷漆。此外,认识静电使我们避免它可带来的危险,例如在运载易燃物品的车辆尾端系上接地铁链,把电荷传到地面,以免电火花引致火灾。同一道理,医院的手术室里,因为时常应用氧气和易燃的麻醉药物,所以地板通常是抗静电的,而所有机器亦需接地,以免火花引发爆炸。

 

 

 

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