范式起電機(jī)的起電原理

火花放電原理

起電機(jī)金屬球相當(dāng)于一個電容器，這個電容器可視為兩個同心球殼構(gòu)成，一個球殼半徑是R ；另一個球殼半徑為無窮大，兩球殼組成的電容器容量是C=4πε0R。集電梳作用就是給這個電容器不斷充電。大球帶上足夠的負(fù)電荷后，將小球靠近大球，可看到明亮的電火花同時聽到爆鳴聲，即發(fā)生了“火花放電”。火花放電時碰撞電離并不是發(fā)生在兩個電極之間的整個區(qū)域，而是發(fā)生在狹窄曲折的閃光通道中?？諝鈸舸┖笸蝗挥山^緣體變?yōu)閷?dǎo)體，兩個電極上的電荷很快中和，范式起電機(jī)教學(xué)設(shè)備，因此放電之后兩極間的電壓迅速降低，范式起電機(jī)價格，火花放電很快停止。需要等待起電機(jī)繼續(xù)起電，當(dāng)兩極間的電壓又升到一定數(shù)值方能再次看到火花放電，范式起電機(jī)，所以火花放電是間斷發(fā)生的。

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電荷自激原理

摩擦起電的電荷量太小，不能使金屬球帶上足夠多的靜電荷，大球與小球之間不能產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花放電。因此儀器還需要電荷的自激機(jī)制。下滾輪、傳送帶、自激梳三者構(gòu)成了電荷自激系統(tǒng)。在摩擦起電的過程中，負(fù)電荷被傳送帶源源不斷地運(yùn)走，但正電荷只能聚集在下滾輪，而且越聚越多。這樣下滾輪正電荷的面密度就大大高于傳送帶的負(fù)電荷的面密度，因此正電荷是矛盾的主要方面：下滾輪周圍空間的電場就是正電荷形成的強(qiáng)大電場。在正電荷電場作用下導(dǎo)致自激梳發(fā)生尖面放電，由于傳送帶的中介隔離作用，尖面放電放出的負(fù)電荷不能與下滾輪的正電荷相遇中和，這些負(fù)電荷只能吸附于傳送帶且被上行的傳送帶帶走。運(yùn)轉(zhuǎn)一定時間后，下滾輪的帶電荷增加量與泄漏量達(dá)到動態(tài)平衡。一定量的正電荷通過自激梳的尖面放電可產(chǎn)生的負(fù)電荷，這就是范氏起電機(jī)的電荷自激原理。實(shí)驗(yàn)表明：取下自激梳僅依靠摩擦電荷對金屬球充電它只能帶有微弱電荷。

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摩擦起電原理

范氏起電機(jī)靜電荷來源是基于兩種不同材料摩擦起電的原理（包括緊密接觸起電）。一般說來兩種不同的材料發(fā)生摩擦?xí)r都會發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移，獲得電子的材料帶負(fù)電；失去電子的材料帶正電。由于金屬材料的自由電子很容易轉(zhuǎn)移，保存這些電荷特別困難，所以實(shí)際應(yīng)用中都采用絕緣材料摩擦來獲得靜電荷。絕緣體摩擦產(chǎn)生的電荷稱為束縛電荷，其涵義為，這些電荷在哪里產(chǎn)生就停留在哪里而不能在絕緣材料上移動。范氏起電機(jī)的兩個摩擦對象是：下滾輪與傳送帶。根據(jù)需要適當(dāng)?shù)剡x擇兩種材料的組合：可以使下滾輪帶正電、傳送帶帶負(fù)電；調(diào)換材料的組合也可使帶電情況相反。交流電動機(jī)與下滾輪共軸，接通220V交流電源，電動機(jī)隨即帶動下滾輪轉(zhuǎn)動。下滾輪與傳送帶之間的摩擦和緊密接觸作用，導(dǎo)致兩介質(zhì)帶上異種電荷。這里不妨假設(shè)下滾輪帶正電，傳送帶帶負(fù)電。

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