(静电起电原理)静电范德格拉夫起电机

范德格拉夫起电机工作原理

我们大多数人都见过这个能让人们的头发直立的、称作范德格拉夫起电机的设备。该设备看起来就像一个安装在底座上的大铝球，您可以从下图中看到它的效果。

Photo courtesy

-->约翰·兹维萨和他的儿子近距离体验范德格拉夫起电机！

您是否曾经想知道这个设备到底是什么、它是如何工作的、发明它的目的是什么以及您自己如何制作一台这样的设备？当然，它不是为了让人们的头发直立而发明的……或者，您是否曾经在干燥的冬日里拖着赤足走过地毯，然后在碰到某个金属物体时受到从未有过的电击？您是否曾想了解静电和静电贴纸的奥秘？

如果您曾思考过上述任一问题，那么本文将为您提供完美的答案。在本篇博闻网文章中，我们将对范德格拉夫起电机和静电进行一般性的讨论。您甚至将学会如何制作自己的

范德格拉夫起电机！

要了解范德格拉夫起电机以及它的工作方式，您需要了解静电。我们几乎全都熟悉静电，因为我们能在冬天看到并感觉到它。在干燥的冬日，静电能够在我们的身体中累积，并且使电火花从我们的身体跳到金属物体或其他人的身体上。当电火花跳跃时，我们能够

看到、感觉到它，并听到电火花的声音。

词根英语中“electron”（电子）一词来自于希腊语中意思为amber（琥珀）的单词！

在科学课上，您还可能用静电做过一些实验。例如，如果您用丝绸摩擦玻璃棒或用毛线摩擦琥珀，那么玻璃和琥珀将产生静电荷，能够吸引小的纸片或塑料。

要了解在身体或玻璃棒产生静电荷时发生了什么事情，您需要了解组成我们日常所见之万物的原子。所有物质都由原子组成，原子本身由带电粒子组成。原子具有由中子和质子组成的原子核。它们还具有由电子组成的“外壳”。通常，物质呈电中性，这意味着电子和质子的数量相等。如果原子具有的电子数超过质子数，则原子带负电。如果它的质子

数超过电子数，则带正电。

一些原子保持电子的能力比其他原子强。物质保持电子能力的强弱决定了它在摩擦电序中的位置。如果一种材料在与其他材料接触时更容易放弃电子，则它在摩擦电序中具有更高的正电性。如果一种材料在与其他材料接触时更容易“捕获”电子，则它在摩擦电序

中具有更高的负电性。

下表显示了您可以在家中找到的许多材料的摩擦电序。摩擦电序中的正电性材料位于

顶部，负电性材料位于底部：

人手（尽管通常过于潮湿）极强正电性

兔皮

玻璃

人的头发

尼龙

毛线

毛皮

铅

丝绸

铝

纸

棉花

钢电中性

木头

琥珀

硬橡胶

镍、紫铜

黄铜、银

金、铂

聚酯

苯乙烯（泡沫聚苯乙烯）

保鲜膜

聚安酯

聚乙烯（例如透明胶带）

聚丙稀

聚氯乙烯（PVC）

硅

特氟纶极强负电性

（上面的列表摘自Nature\'s Electricity，由查尔斯·亚当斯编写。）

摩擦电序中两种物质的相对位置表明它们在相互接触时所具有的行为。丝绸摩擦玻璃将导致电荷分离，因为它们在表中相差多个位置。同样的情况也发生在琥珀和毛线身上。

在表中相隔越远，效果就越明显。

当两种不导电的材料互相接触时，这两种材料之间将形成化学键，也称作粘合力。根据材料的摩擦电属性的不同，一种材料可能“捕获”另一种材料的一些电子。如果两种材料现在彼此分离，则会发生电荷不平衡现象。捕获电子的材料现在带负电，而失去电子的材料现在带正电。这一电荷不平衡现象是“静电”产生的来源。这里的“静”一词带有欺骗性，因为它意味着“不运动”，而实际上电荷不平衡的流动很常见并且很必要。您在触摸门把手时感觉到的电火花正是这类流动的一个例子。

您可能感到好奇，为什么不是每次从桌子上拿纸时都能看到电火花。电荷的数量取决于涉及的材料以及连接材料的表面区域的大小。用放大设备观察时，许多表面都看起来非常粗糙或凹凸不平。如果弄平这些表面以便使更多表面发生接触，则电荷（电压）无疑将

增加。

静电学中的另一个重要因素是湿度。如果天气非常潮湿，则电荷不平衡不会持续一段有效的时间。请记住，湿度是衡量空气中湿气的量度标准。如果湿度高，则湿气会覆盖在材料表面，为电子流动提供一条低阻抗的路径。此路径使电荷可以“重新组合”，从而中和了电荷不平衡。同样，如果天气非常干燥，则电荷可能累积至高达数万伏的极高电平！

不是源于摩擦静电电荷不是由摩擦引起。许多人对此存在误解。将气球在您的头上进行摩擦或者在地毯上拖着脚走都会累积电荷。静电和摩擦之间的联系在于它们都是粘合力的产物。将材料放在一起摩擦可以增加静电电荷，因为有更多表面区域发生接触，但摩擦

本身与电荷没有任何关系。

想象一下您在干燥的冬日受到的电击。根据您的鞋底类型和地板材料的不同，您可以累积足够的电压，使电荷跳到门把手上，从而使您保持电中性。您可能回忆起过去的“静电贴纸”商品。干衣机中的衣服会累积静电电荷。干衣机提供了旋转的低湿气环境，从而使衣服相互之间不断接触和分离。电荷很容易累积至足够高的水平，从而导致材料吸引和“附到”带相反电荷的表面（这里是指您的身体或其他衣服）。您可以用来消除静电的一

种方法是用一些水稍微湿润一下衣服。同样，水使电荷可以泄漏，从而使材料保持电中性。

应该注意的是，如果空气中存在尘埃，那么空气将更容易在电场中分离。这意味着尘埃使空气更容易电离。电离后的空气实际上是被剥夺了电子的空气。发生这种情况后，空气就变为了等离子体——一种非常好的导体。一般来说，向空气中加入杂质可提高其导电性。空气中有杂质和空气中有湿气的效果是一样的。两种情况下都不容易产生静电。如果空气中存在这些杂质，那么这通常意味着它们也存在于您所使用的材料上。空气状况是材料状况的良好标尺——材料通常像空气一样分解，只是更快一些。

既然您了解了有关静电的一些知识，那么就很容易理解范德格拉夫起电机的用途了。

范德格拉夫起电机是一种用来产生静电并使其可用于实验的设备。