维姆胡斯感应起电机原理详解

维姆胡斯感应起电机原理丁炳亮一、小电荷的放大假如我们需要一个带1C电量的小球，但是手头上只有一个带0.1C电量的小球，如何能使小球的电量增加呢？下面将用一种非常简单的方法就可以使小球带的电量增加很多倍。刚开始只有小球A是带少量电荷的，经过第二、第三步后得到了带电量比小球A多小球B1、B2。重复二、三步骤可以得到带更多电量的小球。上面实验中旁边的小球称为施感小球，中间两个小球用金属导杆连接在一起构成了电偶极子，移去连接小球的金属导杆再移开旁边的施感小球即可得到两个带异种电荷且电荷量略比施感小球多些的小球。当然，如果施感小球离中间两个小球太远就不一定能得到比施感小球多的电荷量。假设施感小球带的电荷量为Q1，一个施感小球能使电偶极子一边的小球得到电荷量为KQ1（可以肯定K是小于1），电场具有叠加性，则左右两个施感小球能使电偶极子一边的小球得到电荷量为2KQ1。2KQ1Q1才能保证重复实验二、三步电荷量是不断增加的，即K1/2。另外，需注意是先移开连线中间小球的金属导杆再移开施感小球，否则中间两个小球不能得到感应电荷。这点将在后面解释感应电机为什么反转不起电。二、电荷的收集与存储为了能得到更多的电荷需要在小球带的电荷达到一定量时用装置存储起来，但是一次只收集存储其中的一对小球，也就是说要轮流收集两对小球上的电荷，因为要留一对做为下一步的施感小球。存储电荷用的是一个特殊电容器（耐电压高，电容量小），称为莱顿瓶。如果莱顿瓶一直连在小球上则一有些电荷就会被存储，施感小球的电荷量一直上不去，使得产生电荷速度缓慢。所以需要在小球电荷达到一定量才开始收集存储。实现该目的的方法就是利用间隙放电，如下图中的集电梳，集电梳与小球之间有一定的间隙，当小球电荷量达到一定量时，间隙放电，才开始对莱顿瓶充电。三、用旋转装置实现电荷的产生和收集我们需要把上面实验的两对小球和两个金属导杆以及收集电荷的集电梳全部装到一个旋转装置中，该旋转装置通过旋转就可以自动重复完成上面实验的步骤。下图中的旋转装置是用金属片代替小球，四片金属片分别安装在两个绝缘圆盘上，两个圆盘不接触，圆盘在皮带的带动下内圈顺时针旋转，外圈同时做逆时针旋转，即两个圆盘转过的角度永远是相同的，只是方向不同。两个垂直的固定金属导杆与收集电荷的集电梳成45度角，为了画图方便收集电荷的集电梳只画出了外侧，而且莱顿瓶也不再画出。四幅图展现的是一个完整周期，也就是一、二图对应上面实验的第二步，三、四图对应上面实验的第三步，其中二、四图是收集电荷步骤。收集的电荷也画在了集电梳旁。为了实现先移走金属导杆再移走施感金属片，金属片重合时，金属导杆两端接触点是在一边上的，如图一和图三。金属片重合后再转动一点，金属导杆就与金属片分离了。容易看出如果外圈顺时针，内圈逆时针旋转则金属片从重合到快分离，金属导杆都是未分离的，这种情况无法产生感应电荷。 为了能更有效产生电荷，可以多安装几组金属片，从“小电荷放大”实验可知一组需要两对金属片，这两对金属片按上图的四个步骤循环工作，每一组互不影响。下图安装了4组，每一组都处在工作周期的不同阶段。那么一个旋转装置中有多组金属片，哪两对金属片构成一组呢？从上面一个周期的工作状态看得出组成一组的两对金属片要么是在金属导杆重合要么是分别处于垂直和水平状态。所以在一个具有多组金属片的旋转装置中可以直接看出来的有四组，其他的都需要旋转到上面的工作状态位置才能判断。我们发现，一组中至少要有一片金属片带电才能工作，但是这个金属片是怎么带上的电呢？因为起电机能有放大电荷的作用，所以只要金属片有很小的电荷就可以开始工作，这个电荷应该有多种来源，例如旋转是跟空气摩擦产生的。而且只要有一组能正常工作后就会对莱顿瓶充电，这是集电梳也带上了电，由于集电梳尖端周围电场非常强大，导致有少量的空气被电离飘到没有电荷的金属片上使其带上微量电荷。四、实际结构实际的感应起电机是由两个一样大的圆盘，圆盘的外侧粘贴一圈金属片。两个皮带带动圆盘旋转，其中一根皮带是被旋转180度，这样当摇动手柄时就可以使两个圆盘具有相同的旋转角速度，不同的旋转方向。金属导杆在圆盘的两侧，金属导杆的两端是通过金属刷与圆盘上的金属片接触。集电梳是一根尖针，圆盘两侧都有一根，集电梳把电荷收集存储到莱顿瓶中，感应起电机有两个串联的莱顿瓶。从莱顿瓶接两个放电杆，放电杆的末端的两个放电小球。实际结构虽然和上面讲解原理的模型有所不同，但是工作原理是一样的。整体结构如果是把电荷存储在莱顿瓶中，也就是电容里。电容两极的电荷是不能单独取出的，也就是没有“净电荷”，如同是一个电池，需要形成回路才能工作。这样就不能用于做静电的实验。在起电机的后面有一连接两个莱顿瓶的电键，由于两莱顿瓶是串联关系，中间断开则就不会把电荷存储在莱顿瓶中。没有使用莱顿瓶只能存储少量电荷，但是这样能得到“净电荷”，可用于做静电实验，例如把一端用导线引出接到静电验电器中可以使静电验电器金属片张开。把一根导线固定在一个放电球上，导线的一端引出并对准另一个金属球，摇动起动机并不会出现放电现象。按正常思维，导线的尖端由于曲率大，导致局部电场非常强，强电场使空气产生电离应该更容易产生尖端放电现象才对，其实这主要是因为起电机产