韦氏感应机演示静电现象探究

韦氏感应机演示静电现象探究
姜庆荣
一、韦氏感应起电机简介
韦氏静电感应起电机是起电机的一种仪器。

两片等
大、平行、共轴的有机玻璃板——起电盘，外表面贴有导
电膜铝箔。

转动手柄时两盘转向相反,两盘上各有一过圆
心的固定电刷，两电刷呈90度夹角，各与横梁成45度夹
角，针状电梳的两脚跨过两盘，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。

针状电
梳由金属杆与莱顿瓶相连。

莱顿瓶在韦氏感应机中作为电
容器使用。

其外观如图1和图2。

当顺时针转动手柄时，由于静电感应，莱顿瓶中可以
收集到大量电荷，使两放电球间产生高压，击穿空气从而产生放电现象。

二、实验探究
1.认真准备实验，实验前检验感应机各部分元件确保实验可以进行，顺时针转动手柄，描
述出现的现象，并解释其原理。

逆时针转动手柄时会如何，试对其原因进行阐述。

2.仔细观察韦氏感应起电机，电刷和针状电梳的存在都是为了便
于静电感应的产生，那为什么电刷与导电箔片是接触的而针状
电梳与导电箔片却是不接触的呢？他们在工作时的作用分别是
什么样的？
3.试说明韦氏感应机的电路结构，并解释其中莱顿瓶的作用，如
果将莱顿瓶拆除，会有怎样的现象？如将两个莱顿瓶串联，又
会是怎样的现象？比较现象之间的不同并给出解释。

4.将韦氏感应机的两个放电杆与两面金属板连接，金属板间竖直
悬挂一轻金属球，观察实验现象。

5.将一个放电球绕上一根铜丝，使铜丝一头指向另一金属球，并
与之保持距离，这时再顺时针摇动手柄，还会有放电现象吗？为什么？图2 6.韦氏感应机不能正常工作的常见原因有哪些？
三、现象及解释
1.韦氏感应机的基本构造如图3所示，顺时针转动手柄，一段时间后，可以观察到两放电
球之间发生放电现象。

韦氏感应起电机利用了感应起电的原理，可连续地积累较多的电荷，从而获得高电压。

大气中的带电粒子与导电膜发生碰撞从而使导电膜带上一定的初
始电荷，如图3所示，为观察方便，将前后圆盘画成大小不一样的同心圆，前盘为小圆，后盘为大圆。

假设后盘带上初始正电荷（如为负电荷原理一样），则由静电感应，会使与其相对的前盘导电膜带上负电荷，同时，该导电膜与电刷连接的另一端的导电膜带上正电荷。

这样后盘逆时针转动，转到左边电梳的时候，与电梳之间产生尖端放电现象，
使左边莱顿瓶积聚正电荷，而导
电膜不再带电；同时前盘顺时针
n处
转动，带负电的导电膜转到
3
时，经过电梳而不带电的导电膜
n处，这时由于静电感
转动到
4
应，不带电的导电膜将带上负
电，同时导杆另一端与前盘相对
的后盘的导电膜将带上正电。

于
是前盘继续顺时针转动，到右边
的电梳，使左边的莱顿瓶积聚负
电荷，这样的过程不断重复，于
是会累积大量的电荷而产生高
压。

图3
逆时针转动手柄，不能产生放电。

原因是反向转动时，如图3，仍假设后盘带初始正电荷，则同样，前盘一端感应出负电荷另一端感应出正电荷。

不过这时前端逆时针转动，左边
n处时，后盘上两端导电膜上所带有的相异电荷正好通过莱顿瓶带负电荷，而后盘在转到
3
导杆中和，无法继续为莱顿瓶充电，不能累积电荷，就无法产生高压放电的现象。

2.在韦氏感应起电机中，电刷和针状电梳都是为了静电感应而设计的。

而他们各自的工作
机理却有不同：电刷要与导电膜接触，使电刷、导杆以及与电刷接触的两端的导电膜成为一个整体，这样在另一个有机玻璃盘面上的导电膜上的电荷就可以在与其接近的一端的导电膜上感应出相异的电荷而在远离一段的导电膜上感应出相同的电荷了；针状电梳有尖端梳齿，有电荷经过时，在尖端处感应出相异电荷，而在莱顿瓶和放电球积聚相同电荷，同时在电梳尖端产生尖端放电现象，使经过的导电膜片不再带电。

3.韦氏感应机实际包含了三个电容，两个莱顿瓶是两个电容，还有一个电容是两放电小球
和空气组成的电容器，如图4所示。

这三个电容串联在电路中。

莱顿瓶的作用是积聚电荷产生高压。

但是：
a.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）。

b.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。

莱顿瓶只是储电设备，与小球是否放电无关。

从理论上可以分析，拆除莱顿瓶或将两莱顿瓶连接后，总电容减小，由公式U=Q/C知：当C减小时，只要聚集少量的电荷Q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。

4.将韦氏感应机的两个放电杆与两面金属板连接，金属板间竖直悬挂一轻金属球，此时韦
氏感应机产生的高压加在了两金属板之间，使两金属板之间产生强电场，小金属球最初会被吸引至某一面金属板上，而后带上相同电荷故被排斥至另一面，这样重复着。

就形成了“小球敲鼓”的有趣的现象。

5.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。

避雷针就是利用这个原理制成的。

6.韦氏感应机不能起电的主要原因有以下几个方面：
a.没有初始电荷。

有起电原理可知，感应机要起电必须带有一定的初始电荷。

而日
常生活中常常因为阴雨和潮湿的天气导致初始电荷的缺失而无法起电，同时由于
空气湿度大，也会造成漏电的现象。

b.旋转方向反向。

这就是一开始说的逆时针转动手柄，这样是无法起电的。

c.电刷和导电膜之间要保持良好的接触，同时针状电梳与导电膜保持距离。

d.有机玻璃盘面不清洁。

这样会导致各导电膜之间相互不绝缘，造成漏电。

e.感应机各部件之间磨损松动。

这种状况会造成接触不良而无法起电。

韦氏感应机是静电感应知识实际应用的很好实例，在课堂教学中如果能很好的应用并做一些有趣的实验并激发学生思考，相信能很好的提高学习物理的积极性和探索性。