静电感应起电机原理

感应起电机工作原理及应用概述

一个月前的一次演示实验课上，我们对感应起电机产生了浓厚兴趣。接下的一个月里，我们对感应起电机正转放电的原理及反转不能放电的原因进行了研究，并且对与其相关的许多知识展开了探讨，以下是我们通过观察讨论所得出的一些结论。

一、感应起电机结构

如图1所示，感应起电机旋转

盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组

成，中有空隙，每块向外的表面上

都贴有铝片，铝片以圆心为中心对

称分布。由于两盘分别与两个受动

轮固定，并依靠皮带与驱动轮相连，

由于两根皮带中有一根中间有交

叉，因此转动驱动轮时两盘转向相

反。如图所示，盘转向为：正面顺

时针，反面逆时针。两盘上各有一

过圆心的固定电刷，两电刷呈９０度夹角，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，这样在盘旋转时铜丝铝片可以摩擦起电。在图2所示位置有悬空电刷E，悬空电刷

与电刷成45°夹角，每个刷的两脚跨过两

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。悬

空电刷由金属杆与莱顿瓶相连。

莱顿瓶其实是个电容，用来储电。如

图3所示为莱顿瓶结构，由两层筒状锡箔

组成，中间是电介质，上有瓶盖。悬空电

刷上的金属杆插入瓶盖一半，末端由一根

较粗铜丝与莱顿瓶内层锡箔筒底相连，这

样悬空电刷上所集电荷可以储存在莱顿瓶

中。图3所示放电小球也通过一金属杆与

莱顿瓶盖相接，此杆插入瓶盖一半且不与集电叉相触，也不与莱顿瓶中锡箔筒相连，但这样可使其受莱顿瓶内筒电荷感应而带电，可推导出放电小球会被感应出

和与其相连的莱顿瓶内筒同电性的电

荷。由于感应起电机在左右各有一莱顿

瓶，若两莱顿瓶集聚不同种电荷，则两

放电小球上就会被感应出不同种电荷，

当两小球靠近时就会因放电而产生电

火花。需要说明的是，此莱顿瓶仅是储

电设备，与小球是否放电无关，因为既

使将其拆除，转动圆盘时两小球照常放

电，只不过电火花很弱，但其频率更高。

这是因为没有莱顿瓶后其电容减小了，

可由公式U=Q/C解释：要产生电火花，两小球间电压约为几万伏，当C减小时，悬空电刷仅需要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求，故与原来相比，放电

频率会加大。但是由于小球上每次放电所放出的电量减少了，相应电流也会减小，因而电火花很小。

二、感应起电机正转、反转状态下的工作原理

当顺时针摇动转轮上的摇柄时，分开的两个小球之间会有电火花产生，同时会听到噼里啪啦的放电声。这就是感应起电机的放电现象。这样的现象是如何产生的呢？下面我们就介绍一下它的原理。

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S 1带电量为Q 1，与其在同一直径上的铝片S 2带电量为Q 2,Q 1与Q 2有大小之分。如图：

S 1(转过90° (s 2’) 转过45° ===> S S 1

(s 2’) S 2（1） （2） 转过45°S 2( 转过45° (s 2’) 1’)

1(s 1

’) （4）

转过45° 2 (s 1’) 转过45° S 1S 2

S 1( （6）

当圆盘转过90°时，S 1与反面电刷B ˊ相对，此时S 2ˊ、S 1ˊ分别与S 1、S 2相对。假设Q 1＞Q 2，由于S 1ˊ与S 2ˊ之间有电刷连接，会引起自由电子移动，使得S 1ˊ带正电荷，S 2ˊ带负电荷。

当圆盘再转过45°时，S 1、S 2分别顺时针转至与电极相接的悬空电刷E 2、E 1处，并在该处放电使E 1、E 2带正电荷，这些正电荷又被积聚在莱顿瓶C 1、C 2中。

当圆盘再转过45°即S 1转到与正面电刷B 相对应时， S 1与S 1ˊ相对，S 2与S 2ˊ相对，刚经过放电的S 1与S 2恰好不再带有电荷。S 2ˊ带负电使得S 2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S 2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4）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。

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E1

ˊ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。

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（４）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷。

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。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（3）~（7），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。

在这次课题的研究过程中，我们还进行了一些辅助性的实验来帮助我们理解。

一、验证理论分析中各金属片所带电荷的异同性。

（1）摇动摇柄，使铝片与电刷摩擦。将导线一端接在验电器上，用另一端接触铝片S1，验电器的指针张开。这时用导线接触与S1在同一直径上的铝片S2，验电器的指针闭合，说明S1与S2带的是异种电荷。

（2）用导线接触铝片S1,验电器的指针张开。然后接触与S1相对的铝片S1ˊ，验电器铝片的指针闭合，说明S1与S1ˊ带的也是异种电荷。

（3）用导线接触铝片S1，验电器的指针张开。然后，接触与S2相对的