[科普中国]-静电发电机

一种利用摩擦生电、感应生电或由尖端放电产生电荷，并加以收集而形成高电压的静电装置。主要用于高电压试验、研究和医疗设备上，如粒子加速器，X光治疗仪，工业射线探伤等。

简介静电发电机是一种连续产生电荷的机器。静电发电机可在一物体上积聚大量电荷，它可应用于科学研究和工业上。威姆赫斯特发电机是一种小型发电机，由两个旋转盘组成，电荷积聚在旋转盘上，由金属刷收集。范德拉夫发电机包含一传送带，当它通过一排金属尖端时就带有电荷。传送带将电荷输送到发电机顶部的空心金属球上。如果将另一个金属球移近发电机，就可以在两个金属球间引发大的静电火花。1

工作原理静电发电机是由开尔文构思，范德格拉夫实现的，又称为范德格拉夫发电机。它是由一个空心绝缘圆柱支撑的空心球状导体组成的，如图2-29所示。其中的皮带绕过两个滑轮。下面的滑轮由电动机驱动，上面的滑轮是被动轮。一根有很高正电位的杆上装有许多尖端，尖端附近的空气都被电离了。正离子受到尖端排斥，其中一些离子依附于皮带表面。相似的过程也发生在空心球状导体的金属刷上。当电荷积聚时，空心球状导体的电位升高。范德格拉夫发电机可产生几百万伏的高压。其主要应用是加速带电粒子使之获得很高的动能来进行原子碰撞实验。

为了进一步阐明静电发电机的原理，可先分析一下图2-29b所示的一个空心的、不带电荷的导体球，其中球上有一个小孔，把一个带正电荷q的小球从开口处引入腔内。达到平衡状态后，罩的内表面获得净负电荷，而其外表面会感应出正电荷q。若此时使小球接触空心导体球的内表面，小球所带的正电荷就被内表面的负电荷完全中和，然而空心导体球的外表面仍然带正电荷q。如果小球被撤回，并充以电荷q后再放入空心导体球内，其内表面又得到负电荷，导致外表面的电量有同样大小的增加。让小球接触空心导体球的内表面，小球和内表面又将都失去电荷。但此时空心导体球的外面将有两倍的正电荷。换言之，通过将带电物体放人空心导体球并使之与其内表面接触，则带电体所带电荷将被转移到空心导体球的外表面。当然，该过程与空心导体球的外表面所带的初始电荷量是不相关的。2

实际的静电发电机，其工作原理有的与上述起电盘完全相同。在结构上，为了保证能连续重复感应充电过程，原起电盘中带有绝缘手柄的金属片用安装在绝缘轮轮缘上相互绝缘的一组金属片代替。金属片与橡皮板的相对位置和起电盘中相同。当某一金属片随绝缘轮的转动而靠近橡皮板时，金属片的下表面和上表面将分别感应出正电荷和负电荷。用地线移去负电荷，而当该金属片离开橡皮板时断开接地线，则金属片上只带有一定量的正电荷。这些正电荷可用导线沿同向送到电荷收集器中。当轮子转动时，轮缘上的每个金属片依次靠近橡皮板，感应充电过程不断重复，电荷连续地被传送到收集器中。

静电发电机的分类静电发电机只能短时间地以电流的方式大量供给电荷，因为无法持续工作，所以派不上什么用处。但是，如果不让电流出现而使电荷不断地蓄积起来的话，电位也就成比例地越升越高，结果就会产生很高的电压。利用这个原理，现代的静电发电机都用作产生高电压，与其叫发电机不如称之为利用静电的“超高压发生装置”更容易被人理解。

发生超高压的静电发电机有很多种方式，其中最有代表的是使用传递皮带的范德格拉夫型和不使用皮带的SAMES型两种。

范德格拉夫型静电发电机范德格拉夫型静电发电机的构造如图所示，它的结构很像建筑工地上常用来搬运沙土的传送皮带装置。

两个由马达驱动的轮子之间张有一条绝缘材料制成的皮带，它们以匀速转动。给针状电极加上数万伏特的高电压，电极与轮子之间就会发生电晕放电，使绝缘皮带带上电荷。由于皮带不停地运动，所以，电荷就被源源不断地运到顶部的球形集电器中。

皮带上的正电荷在传到集电器附近时，通过与集电器相连的针状电极发生放电被转移到高压端的集电器中蓄积起来，集电器与地面之间的电容量是固定的，因为皮带匀速运动，所以集电器一端的电压与蓄积的电荷量成正比，随时间直线增加。集电器的电压最终能够达到数兆至20兆伏(1兆等于100万)。

范德格拉夫型发电机虽然能够产生超高压，但是由于使用了皮带，所以它的稳定性容易受振动等因素的影响，不太适合于短时间内产生高电压的需求。于是SAMES型发电机应运而生，它用旋转的圆筒取代了皮带，SAMES型发电机的特点是工作稳定、发电速度快，而且结构精巧，它的缺点是产生的电压不如范德格拉夫型发电机高。SAMES是成功开发该装置的法国企业的名字。

SAMES型发电机如图所示，SAMES型发电机的核心是一个外表面涂有数毫米厚绝缘性树脂的玻璃圆筒，通过圆筒的旋转来传递树脂表层所带的电荷。

通过左右两个电极的电晕放电，使树脂表层带上电荷。然后随着圆筒的旋转到通过上下两个电极处时，经过放电通过电极转移并蓄积到输出端子上。

在SAMES型发电机中，带电电极与输出端子之间的距离由圆筒的直径来决定，而且不可能太远，因此，用SAMES型发电机只能产生1兆伏，即100万伏以下的电压。但是，因为圆筒的刚性好，即使将转速提得很高也能够平稳地工作，因此调控起来很简单。SAMES型发电机占用空间小，能够连续地大量产生电荷。

在实用中，范德格拉夫型发电机用于产生数兆伏以上的超高电压，而对于低于此数值的高压则通常使用SAMES型发电机。3

简单运用最简单的静电发电机相当于一只起电盘(见图)。这种起电盘由一个带有绝缘柄H的金属片D和硬橡皮板R组成。在用皮毛摩擦橡皮板使之带负电荷之后,将金属片D放在橡皮板R上。由于橡皮板的表面不可能加工得绝对平整，金属片与橡皮板的接触面之间始终存在着一定的空隙。这时金属片的下表面将感应出正电荷，而上表面则感应出等量的负电荷。用金属导体将金属片接地，释放掉金属片上的电子，然后去除接地线，同时用绝缘柄将金属片抬离橡皮板，此时金属片上只有正电荷，这些正电荷可以用收集器加以收集。如果重复上述充电过程，就可以在收集器上获得大量正电荷，产生相当高的电压。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学