范德格拉夫起电机最全的介绍

范德格拉夫静电起电机范德格拉夫静电起电机范德格拉夫静电起电机范德格拉夫静电起电机静电加速器是加速质子、α粒子、电子等带点粒子的一种装置，静电加速器的电压可高达数百万伏，它主要是靠静电起电机产生的，静电起电机最常用的一种是1931年由范德格拉夫（R.J.Van de Graaff,1901-1967）研制出来的，故亦称范德格拉夫静电起电机。图6-29是静电起电机的工作原理图。图中金属球壳A是起电机的高压电极，它由绝缘支柱C支撑着。球壳内和绝缘支柱底部装有一对转轴D和D`，转轴上装有传送电荷的输电带（绝缘带B），并由电动机驱使它们转动。在输电带附近装有一排针尖E（叫喷电针尖），而针尖与直流高压电源的正极相接，且相对地面的电压高达几万伏，故而在喷电针尖E附近电场很强，使气体发生电离，产生尖端放电现象。在强电场的作用下，带正电的电荷从喷电针尖飞向输电带B，并附着在输电带上随输电带一起向上运动。当输电带B上的正电荷进入金属球壳A 时，遇到一排与金属球壳相连的针尖F（叫刮电针尖），因静电感应使刮电针尖F带负电，同时使球壳A带正电并分布在球壳的外表面上。由于针尖F附近电场很强，产生尖端放电使刮电针尖上的负电荷与输电带上的正电荷中和，从而使输电带B恢复到不带电的状态而向下运动。就这样，随着输电带的不断运转，金属球壳外表面所积累的正电荷越来越多，其对敌的电压也就越来越高，成为高压正电极。同样道理，如果喷电针尖E与直流高压电源的负极相接，则将使金属球壳成为高压负电极。不同极性的高压电极，可分别用来加速不同电荷符号的带电粒子。由于尖端放电、漏电、电晕等原因，金属球壳的对地电压不可能很高，即使把金属球可放到有几个大气压的氮气中，其对地电压也只能达到数百万伏。如果在金属球壳内放一离子源，离子将被加速而成为高能离子束。近代范德格拉夫静电加速器可将氮和氧的离子加速到具有100MeV的动能。目前静电加速器除用于核物理的研究外，在医学、化学、生物学和材料的辐射处理等方面都有广泛的应用。

美国物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaff）于1931年发明了范德格拉夫起电机。这种以他的名字命名的设备能够产生非常高的电压——高达2000万伏。范德格拉夫发明起电机的目的是为早期的粒子加速器提供所需的高能量。这些加速器称为原子粉碎机，因为它们能够将亚原子颗粒加速至非常高的速度，然后将它们“撞击”到目标原子中。碰撞能够产生其他亚原子颗粒和高能量放射线（例如X射线）。能够产生这些高能量碰撞是粒子物理和核物理的基础。

范德格拉夫起电机被描述为“恒定电流”静电设备。当您为范德格拉夫起电机加上负载后，电流（安培数）保持不变。随负载变化的是电压。对于范德格拉夫起电机，当您使接地物体靠近输出端子（球面）时，电压将降低，但电流保持不变。与之相反，电池是“恒定电压”设备，因为当您为电池加上负载后，电压将保持不变。汽车电池就是这方面的典型例子。充满电的汽车电池能够产生约12.75伏的电压。如果您打开前灯，然后检查电池电压，您将发现电压会保持相对不变（前提是电池工作状况良好）。同时，电流将随负载变化。例如，您的前灯可能需要10安培的电流，但您的风挡刮水器可能只需要4安培的电流。无论您打开哪个设备，电压都将保持不变。

范德格拉夫起电机有两种：一种使用高压电源来充电，另一种使用传动带和滚轴来充电。这里，我们将讨论传动带和滚轴起电机。

这种范德格拉夫起电机由以下部件组成：

电机

两个滚轴

传动带

两个电刷部件

输出端子（通常是金属球或铝球）

您可以在下图中找到这些部件。

启动电机后，下滚轴（充电器）开始转动传动带。由于传动带由橡胶制成，并且下滚轴覆盖有硅胶带，因此下滚轴开始产生负电荷，而传动带产生正电荷。通过观察下面的摩擦电序，您可以理解这一电荷不平衡发生的原因：硅的负电性超过橡胶；因此，当传动带经过滚轴时，下滚轴可以从传动带捕获电子。重要的是要了解滚轴上的电荷要比传动带上的电荷多得多。因为发生这种电荷集中现象，所以滚轴的电场要比传动带的滚轴和下电刷部件位置的电场强很多。现在，来自滚轴的强大负电荷开始做以下两件事情：

1.排斥下电刷部件顶端附近的电子。金属是良好的导电体，因为它们基本上是一些被

易于移动的电子所包围的正电性原子。现在，电刷部件的电线顶端带有正电荷，因

为电子已经离开电线顶端流向电机外罩上的引线。

2.它开始剥去附近的空气分子的电子。当原子被剥去电子后，就成为等离子体，即物

质的第四态。因此，我们在滚轴和电刷间有自由电子和带正电的空气原子。电子受

到滚轴的排斥，但受到没有电子的电刷顶端的吸引，而正电性原子受到带负电的滚

轴的吸引。

来自空气分子的带正电的原子核尝试向带负电的滚轴移动，但受到传动带的阻挡。因此，传动带现在“镀上”了正电荷，并且随之携带它们离开滚轴。

只要下滚轴和电刷部件之间有空气，范德格拉夫起电机就能继续对传动带进行充电。理论上，范德格拉夫起电机可以永远不间断地给传动带充电。遗憾的是，环境中的尘埃和其他杂质会限制球面上积聚的实际电荷数量。

让我们返回到传动带。前面我们提到，传动带带上正电，然后向着上滚轴和上电刷部件滚动。因为我的上滚轴使用的是尼龙，所以它将排斥传动带上的电荷。上电刷部件与球面内侧相连，并且悬在上滚轴和传动带位置附近。电刷中的电子移动到电线顶端，因为它们受到带正电的传动带的吸引。当空气像之前一样分离后，空气的带正电的原子核将受到电刷的吸引。同时，空气中的自由电子移动到传动带。当带电的物体接触金属容器内侧时，容器将获得所有电荷，并且使物体成为电中性。过多的电荷将出现在容器外表面上。这里，我们的容器就是球面。范德格拉夫起电机正是通过这一效应获得其高电压。对于范德格拉夫起电机，传动带是带电物体，负责向球面持续供应正电荷。

在制作您自己的范德格拉夫起电机之前，还要注意最后一个问题。通常，我们使用电中性材料来制作上滚轴，这样在球面将传动带的过量电荷吸走后，传动带将成为电中性。因为我使用尼龙上滚轴（在摩擦电序中为正电性），所以我让传动带实际供应更多的正电荷，然后成为负电性。使用这种技术的目的是使电流加倍。传动带在靠近上滚轴的一侧带正电，在靠近下滚轴的一侧带负电。

如果您是机械能手，那么您可以从无到有来轻松地制作自己的范德格拉夫起电机（否则，您可能希望购买一套装置或一台已经做好的起电机——有关部分概念，请参阅本文末尾的链接）。下面是我用来制作自己的范德格拉夫起电机的部件和材料列表。

电机——我从本地电机修理店购买了一台功率为1/3马力、转速为1,780rpm的二手电机。

传动带——我使用一段外科用橡皮管。不要使用黑色橡胶！传动带必须绝缘。

下滚轴——我使用一段直径为7.5厘米、长度为7.5厘米的尼龙，中部有凸面。下

滚轴需要钻孔，以便插入一根1.5厘米的电机轴，电机轴用插销固定，表面包裹硅

胶带（可从五金商店购买，也可以到McMaster-Carr在线购买——请使用1"宽、20毫米厚的硅胶带）。

上滚轴——我使用一段直径为5厘米、长度为5厘米的尼龙，中部有凸面。

上电刷和下电刷——我使用两段多股编织接地带。

球面——我使用两只扣在一起的不锈钢色拉碗。

滚轴

我建议所有认真的制作者使用负电性滚轴/正电性滚轴技术。这样，结果要比使用一个中电性滚轴好得多。确定您要使用的材料，然后去当地的五金商店进行搜寻。不必费多大的力气，就可以找到摩擦电材料列表中的许多材料。请避免使用铝箔或其他任何可能撕碎或剥落的金属。如果铝箔剥落，则会落在传动带上，造成范德格拉夫起电机短路。您应尽力在滚轴上加上凸面（使中部凸出，就像小桶一样）。凸面将使传动带沿着滚轴的中部运动，从而使传动带避免滑落。

传动带

我使用的外科用橡皮管完美无暇。它极其耐用，容易清洁（用外用酒精擦拭），并且易于使