感应起电器原理.doc

维氏起电机，包括由起电盘、放电球、莱顿瓶、感应电刷、皮带轮、集电梳、连接片，起电圆盘涂有许多片铝箔，如图37-1所示。

皮带轮
起电盘
铝箔
感应电刷
放电球
集电梳
连接片
莱顿瓶

图 37-1
【实验原理】
感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。莱顿瓶是个电容，用来储电。感应起电机在左右各有一莱顿瓶，两莱顿瓶集聚不同种电荷，作为电源的正负极。
当顺时针摇动转轮上的摇柄时，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。图37-2所示。
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，图37-2（b）。
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，图37-2（c）。
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37-3）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，图37-2（d）。
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E1ˊ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，图37-2（e）。
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（d）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷，图37-2（f）。
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，图37-2（g）。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（c）~（g），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间的电压才能达到空气的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。
转过450
S2(S1')
S1(S2')
转过450
S2'
S2
S1'
S1
(f)
(g)
转过450
S2(S2')
S1(S1')
转过450
S2'
S2
S1'
S1
(d)
(e)
S1(S1')
S2(S2')
S1(S2')
S2(S1')
(S1')
(S2')
S2
S1
转过900
转过450
(a)
(b)
(c)

注:不同物质的物体互相摩擦时，一定是一种物体带正电荷，另一种物体带负电荷。带电序列是指从正负电荷着眼，把物质按照由带正电到带负电的次序整理成的推列次序。
　　纤维材料与其他高聚物一样按介电常数排列的顺序。两种材料表面接触或相互摩擦后产生带电现象。介电常数大的物体带正电荷，反之带负电荷。纤维和织物在生产加工和使用中，由于接触面间的运动摩擦，产生了静电。各种纤维带电序列不同，与纤维中的大分子中所含官能团性质有关。若电子容易从官能团脱离，即供给电子能强者带正电，反之带负电。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　摩擦带电序列是：(+)玻璃、有机玻璃、尼龙、羊毛、丝绸、赛璐珞、棉织品、纸、金属、黑橡胶、涤纶、维尼纶、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯

资料延伸
(-)伏打在电的研究上，发现了金属的排列与正负电有关，为电池的出现打下了基础。1781年，伏打曾经对已有的验电器进行改造，制成了能够测定微量电荷的验电器。次年，他又给验电器配上电容器，制成能用以测量低电压的电学仪器。1775年他发明了起电盘装置。他在给普利斯特列的信中描写了这种起电盘装置：在一个用丝绸吊起的金属盆中，放着树脂和沥青混合物的圆块，先使其带上电；盆盖的内外侧由于受到感应而带上不同的电荷，用手接触外侧使一种电荷消失，就可以由盆盖上得到与圆块上相反的电荷。只要圆块上有电，就可以不断地从盆盖上得到电荷。
伏打序列研究
实验研究
　　当伽伐尼的发现公布后，伏打非常震惊，立即着手这方面的研究。为了验证电的性质，伏打将一块金币和一块银币顶住舌头，用导线将两者连起来，舌头就感到了苦味。他将两种金属连接起来，一头接触眼皮上部一端用嘴含住，当刚一接触的瞬间，奇异的事发生了，居然产生了光的感觉！伏打开始认识到，金属不仅是导体，而且能够产生电；电不仅能使青蛙腿产生运动，而且能够影响视觉和味觉神经。这一结论很快引起了人们的广泛关注。由于天才的头脑，在对伽伐尼的动物电研究中，他很快意识到必须把这一效应的物理因素放到首要地位。他认为，青蛙的肌肉和神经中是不存在电的，是不同金属与湿的物体的接触产生了电的流动，蛙腿只是起到了验电器的作用。1793年12月，伏打在一封信中公开提出了反对伽伐尼动物电的观点，他一再强调电流在本质上是由金属的接触产生的，与金属板是否压在活的或死的动物体上无关。他倡导用“金属电”来代替“动物电”这个名称。伏打的观点一公布，犹如一颗重磅炸弹，引起了人们激烈的争论。
　　伽伐尼将青蛙的神经与青蛙的脊椎和腿接触，同样引起蛙的收缩，他用这个实验来反对电来自金属接触的说法。尽管他们各自的解释都不正确，但是他们的发现和争论却是具有非凡的意义。伏打坚持了自己的研究方向和观点，新的发现和发明接踵而来。在1796年的一封信中，伏打把金属（他把黄铁矿和木炭也包括在内）称为第一类导体或干导体，把含有金属元素的液体（盐、碱、酸等）称为第二类导体或湿导体。他指出：“把干的导体，即第一类导体与湿的导体，即第二类导体接触，就会引起电的扰动，产生电运动；产生这个现象的原因，目前还不清楚，只能认为是一般特性。”伏打用了三年的时间，用各种金属一一组合搭配的方法，研究两种金属相接触产生电的现象。他发现，同一种金属与某一种金属接触时带正电，与另一种金属接触时带负电。所以，金属究竟带何种电，取决于它，以及与它接触的金属的性质。如锌和铜接触，前者带正电，后者带负电；而铜和金接触时，铜则带正电，金带负电，当然，现在我们知道金属的这些性质，是跟它们失去电子的能力大小有关的。失去电子能力大的金属在实验中失去电子而带正电，能力小的金属获得电子而带上了负电。
研究结论
　　1797年，伏打公布了这些研究成果，不少学者感到惊讶。在大量实验的基础上，伏打确定了一个金属序列，只要按这个顺序将任意的两种金属接触，排在前面的那种金属将带正电，排在后面的那种金属将带负电。伏打排出的这个序列是：锌、铅、锡、铁、铜、银、金、石墨、木炭，这就是著名的伏打序列，又被作了一些补充。后来他还进一步发现，如果将不同的几种金属依次联接起来，其总的电位差与中间的金属种类无关，只与首、尾两端的金属性质有关。
伏打电池
　　一、伏打电池的发明　水的电解，是在历史上第一个提供稳定连续电流的电源装置──伏打电池于1800年诞生以后才实现的。伏打电池的发明归功于两位意大利科学家。一位是解剖学家和医学教授伽伐尼（Galvani,L. 1737-1798），一位是物理学和化学家伏打（Volta,A.1745-1827）。 1780年，伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现。一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。最初他以为蛙腿发生痉挛是“大气电”作用的结果。后来他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。作为解剖学家的伽伐尼脑子里总是想着肌肉和神经等，他想用动物体内有某种电来解释，但这种“动物电”的解释是含糊不清的。1789年他写成了论文：《关于电对肌肉运动的作用》，于17９1年发表。 伏打读到了这篇论文后，就多次重复了伽伐尼的实验。作为物理学家，他的注意点主要集中在那两根金属上，而不在青蛙的神经上。伏打在此以前已经对电学作出不少贡献。他曾经对已有验电器进行改造，制成了一种能够测微量电荷的验电器。1775年，他在给普利斯特里的信中描写了一种起电盘装置。对于伽伐尼发现的蛙腿抽搐的现象，他想这可能与电有关，但是他认为青蛙的肌肉和神经中是不存在电的，他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的，与金属是否接触活动的或死的动物无关。伏打用自己设计的精密验电器，对各种金属进行了许多实验。这些实验证明，只要在两种金属片中间隔以用盐水或碱水浸过的（甚至只要是湿和）硬纸、麻布、皮革或其它海绵状的东西（他认为这是使实验成功所必须的），并用金属线把两个金属片连接起来，不管有没有青蛙的肌肉，都会有电流通过。这就说明电并不是从蛙的组织中产生的，蛙腿的作用只不过相当于一个非常灵敏的验电器而已。 在1796年的一封信中，伏打把金属（以及黄铁矿等某些矿石和木炭）称为第二类导体或干导体，把盐、碱、酸等的溶液称为第二类导体或湿导体。他指出：把第一类导体与第二类导体相接触，“就会引起电的扰动，产生电运动；至于这个现象的原因，目前还不清楚，只能认为是一般的特性”。 伏打用了三年的时间，用把各种金属两两搭配进行实验的方法，研究两种金属接触产生电的现象。他发现，一种金属与某一种金属接触时带正电，它与另一种金属接触时则可能带负电。例如，锌和铜接触时锌带正电，铜带负电；但铜若与金或银接触，则铜带正电，金、银带负电。伏打以大量的实验为基础，发现了如下的金属起电顺序：锌－铜－锡－铁－铜－银－金－石墨－木炭。在序列中任何两种相接触，都是位序在前的一种带正电，后面的一种带负电。这就是著名的伏打序列。 伏打将两块不同的第一类导体与浸有第二类导体溶液的湿布接触，再用导线将这两块第一类导体连接起来，成一回路，便得到虽然微弱但很稳定的电流。他把这个位置叫做伽伐尼电池。当把若干个这种电池串接起来时，就能得到较强的电流。 例如，他把许多对（40对、60对）圆形的铜片和锌片相间地叠起来，每一对铜锌片之间放上一块用盐水侵湿的麻布片。这时只要用两条金属线各与顶面上的锌片和底面上的铜片焊接起来，则两金属端点就会产生几伏的电压。如果把铜片换成银片，则效果更好。金属片对数越多。电力越强。这样产生的电流不仅相当强，而且非常稳定，可供人们研究和利用。后来人们对伏打发明的这种电源装置叫做“伏打电堆”。1800年，伏打给英国皇家学会写信，报告了他的电堆试验。从此以后，电学的研究便活跃起来了。 不久，伏打发现当两种金属片之间的湿布慢慢干燥了的时候，电堆产生的电流就渐趋微弱。于是他改用许多杯子，杯子都盛有盐水或稀酸，每个杯中插入一对锌和铜片，然后用金属线把每个杯中的锌片和另一杯中的铜处焊接起来，便得到经久耐用、电流更强的电池。这种装置称为“杯冕”。这就是历史上第一具实用电池。 伏打电池的出现，是一项重大发明，它使人们第一次获得了比较强的稳定而持续的电流。为科学家们从对静电的研究转入对动电的研究创造了物质条件，导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现，加深了人们对光、热、电磁、化学变化之间的关系的认识。伏打电池的发现还开辟了电力应用的广阔道路，由于它的诞生，19世纪的第一年成了电气时代文明生活的开端。 二、水的电解　在电化学发展中上的第一个发明是利用电流分解水。1800年3月，英国伦敦皇家学会会长接到伏打关于发明了电堆的信件后，便把这封信给了他的好朋友，英国化学家尼科尔森（Nicholson,W.1753-1815）和卡里斯尔（Carlisle,A.1768-1840），并在皇家学会上公开宣读了。尼科尔森和卡里斯特尔立即着手利用伏打电池进行施电流于水的试验。他们的电堆是利用36枚英国半克朗（Crown）银币及一些锌片和硬纸片，用白金箔和丝做电极和导线。当电极导一和电堆两极接触时，两极上都有气体逸出，他们用排水集气法加以收集。这样电解了13小时，他们才得到1.1立方时的气体。与电堆负极相连的铂电极上产生的气体的体积恰为另一铂电极上逸出气体的二倍。经鉴定，证明这两种气体分别是氢气与氧气，它们的体积比和氢气、氧气合成水时一致。他们的文章《利用电池电解水》1800年发表后，这一消息立即轰动了科学界。水的电解和氢、氧化合成水，这两个科学事实完全证实了水是氢和氧的化合物的正确论断，在化学史上有重要意义。 在1800年以后几年内，化学家们利用伏打电堆研究了许多电化学问题，如电解水时水中为什么产生出酸和碱，一些金属盐类水溶液电解时产生的现象及其原因等；英国化学家戴维（Davy,H.1778-1829）并于1807-1808年通过电解法发现了元素钾、钠、钙、锶、钡和镁。由此可见，伏打电池的发明（以及电解水的成功）对于化学的发展确实具有深远的重要意义。