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1、 圖 1 a b c d 圖 2 第 7 卷第 6 期 2005 年 12 月 黃 山 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) J ourna l of Hua ngs ha n Unive rs ity Vol.7, NO.6 Dec.2005 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)故障分析及處理 闞林生 ( 黃山學(xué)院 電子信息工程系, 安徽 黃山 2 4 5 0 2 1 ) 摘 要: 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)是高校及中學(xué)物理靜電實(shí)驗(yàn)中的常用儀器,

2、實(shí)驗(yàn)中常受諸多因素影響不能 起電。本文闡明韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)的原理, 分析故障原因并給出處理方法。 關(guān)鍵詞: 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī); 原理; 故障原因; 處理方法 中圖分類號(hào): O441.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1672- 447X( 2005) 06- 0029- 03 引言 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)是目前高校及中學(xué)物理靜電實(shí) 驗(yàn)中的常用儀器, 應(yīng)用十分廣泛。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中, 學(xué)生對(duì) 這種起電機(jī)的原理知之甚少, 對(duì)常見的故障束手無(wú)策; 不 少中學(xué)物理教師對(duì)此也頗感困惑, 許多儀器過(guò)早報(bào)廢, 造 成了浪費(fèi), 增高了實(shí)驗(yàn)成本。本文根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)及維 修的經(jīng)驗(yàn), 從闡明韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)

3、的原理出發(fā), 對(duì)使 用中常見的故障進(jìn)行分析, 并給出處理方法。 逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)起電盤簡(jiǎn)稱為外起電盤, 用大圓表示, 各 標(biāo)以箭頭。起電盤上的導(dǎo)電箔被簡(jiǎn)化為十二塊, 兩個(gè)與水 平方向成 45角, 且相互垂直的桿表示內(nèi)、外起電盤的中 和電刷桿。 假定在外盤上的導(dǎo)電箔 A 上帶有少量的正電荷 ( 空 氣中常有帶電的離子附著在箔片上) , 當(dāng)它旋轉(zhuǎn)至圖 2( a) 所示位置時(shí), 內(nèi)盤上由導(dǎo)電箔 B1、B2 組成的導(dǎo)體系統(tǒng)( 箔 1 片 B1、B2 與中和電刷及中和電刷桿相連, 形成一個(gè)導(dǎo)電 2 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)的原理 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)是利用自激感應(yīng)作用來(lái)起電的 體) 即在 A

4、的電場(chǎng)中, 靜電感應(yīng)的結(jié)果是箔片 B1 帶負(fù)電 荷, 箔片 B2 帶正電荷。一旦 B1、B2 與中間的中和電刷桿脫 一種儀器, 各種型號(hào)的韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)在結(jié)構(gòu)形式 上雖有不同, 但工作原理都是相同的。J2310 型韋氏靜電 感應(yīng)起電機(jī)是使用較為廣泛的一種。其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 為了便于說(shuō)明其工作原理, 將起電機(jī)的主體——起 電盤簡(jiǎn)化成兩個(gè)大小不同的同心圓( 如圖 2 所示) 。把順 時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的起電盤簡(jiǎn)稱為內(nèi)起電盤, 用小圓表示, 把 收稿日期: 2005- 09- 17 作者簡(jiǎn)介: 闞林生( 1955- ) , 安徽肥東人, 黃山學(xué)院電子信息工程系實(shí)驗(yàn)師。

5、 圖 3 方便, 先假設(shè)外盤不轉(zhuǎn)動(dòng), 而內(nèi)盤按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng), 則 經(jīng)過(guò)中和電刷 N1 的導(dǎo)電箔都將帶上負(fù)電荷, 經(jīng)過(guò)中和電 刷 N2 的導(dǎo)電箔都將帶正電荷, 當(dāng)內(nèi)盤順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)半 減弱, 空氣中的帶電粒子濃度減少, 滯留在起電機(jī)導(dǎo) 上的帶電粒子也大大減少, 即起電機(jī)施感電荷減少, 能正常起電。其二、陰雨天氣, 空氣濕度大, 大量水氣 著在起電機(jī)金屬表面, 使儀器絕緣性能大大降低, 造 周后, 在中和電 N1N2 的右上半部導(dǎo)電箔均帶負(fù)電荷, 在 中和電刷 N1N2 的左下半部導(dǎo)電箔均帶正電荷, 如圖 2( b)

6、 所示。值得注意的是, 當(dāng)內(nèi)盤順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) 90時(shí), 內(nèi)盤 上的導(dǎo)電箔 B1、B2 正好經(jīng)過(guò)外盤上的中和電刷 N3、N4, 由 于靜電感應(yīng), 使外盤上的與中和電刷 N3 接觸的導(dǎo)電箔帶 上正電荷, 與中和電刷 N4 接觸的導(dǎo)電箔帶上負(fù)電荷, 且 與中和電刷 N3、N4 接觸的導(dǎo)電箔上的帶電量是 B1、B2 的 兩倍, 如圖 2( b) 所示。此時(shí)如果外盤按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng), 外盤上便帶上了兩倍于內(nèi)盤導(dǎo)電箔的電荷, 并且在外盤 轉(zhuǎn)過(guò)半周后, 中和電刷 N3、N4 的左上半部導(dǎo)電箔均帶正 電荷, 右下半部導(dǎo)電箔均帶負(fù)電荷, 即中和電刷 N3、N4 的 兩側(cè)帶有等量異號(hào)電荷, 如圖 2

7、( c) 所示。同理, 外盤上帶 有電荷的導(dǎo)電箔在旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)內(nèi)盤上的中和電刷時(shí), 又使 內(nèi)盤上一對(duì)導(dǎo)電箔感應(yīng)出異種電荷, 且電量是外盤上電 荷電量的兩倍, 見圖 2( d) 。如此反復(fù)使內(nèi)、外起電盤上的 電荷成幾何級(jí)數(shù)增加( 公比為 2) 。 內(nèi)、外盤上兩個(gè)與水平方向成 45角, 且相互垂直的 兩 個(gè) 中 和 電 刷 及 其 連 桿 將 起 電 盤 分 成 4 個(gè) 區(qū) 域 ( Ⅰ) 、 ( Ⅱ) 、( Ⅲ) 、( Ⅳ) 。在區(qū)域( Ⅱ) 、( Ⅳ) 內(nèi)起電盤上的導(dǎo)電箔 均帶同號(hào)電荷, 在區(qū)域( Ⅰ) 、( Ⅲ) 內(nèi)起電盤上的導(dǎo)電箔均 帶異號(hào)電荷, 如圖 2( d) 。因而放置在( Ⅱ) 、(

8、Ⅳ) 區(qū)域的集 電梳便可收集到等量異號(hào)電荷。 由于集電梳 E1、E2 是由若干個(gè)金屬制作的尖端導(dǎo)體, 在區(qū)域( Ⅱ) 當(dāng)導(dǎo)電箔轉(zhuǎn)過(guò) E1 時(shí), 因靜電感應(yīng)使 E1 的尖端 帶正電荷, 使萊頓瓶和放電球 T1 積聚了負(fù)電荷, 同理在 區(qū)域( Ⅳ) 當(dāng)導(dǎo)電箔轉(zhuǎn)過(guò) E2 時(shí), 因靜電感應(yīng)使 E2 的尖端帶 負(fù)電荷, 使萊頓瓶和放電球 T2 積聚了正電荷。同時(shí), 由于 尖端放電作用, 使經(jīng)過(guò)集電梳 E1、E2 的導(dǎo)電箔便不再帶有 電荷( 恢復(fù)到電中性) , 見圖 3。而區(qū)域( Ⅰ) 、( Ⅲ) 的導(dǎo)電 箔仍然帶電。這些電荷又將成為新的感應(yīng)電荷源, 使恢復(fù) 中性的導(dǎo)電箔再經(jīng)過(guò)中和電刷 N3、N4 時(shí)

9、又 重新 帶 電 , 且 電量倍增。隨電量的增加, 兩放電球間電勢(shì)差加大, 直到 空氣被擊穿出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象。 重的漏電現(xiàn)象, 起電機(jī)導(dǎo)電箔上剩余電荷因漏電而消 施感電荷減少, 起電機(jī)不能正常起電。 若前節(jié)課室內(nèi)使用過(guò)酒精燈或瓦斯燈, 致使室 大量的二氧化碳存在, 同樣會(huì)使儀器絕緣性能下降, 嚴(yán)重漏電現(xiàn)象, 起電機(jī)也不能正常起電。 解決起電機(jī)因施感電荷過(guò)少, 而不能正常起電 法有: 一 、保 持 儀 器 表 面 的清 潔 、干 燥 , 使 其 有 良 好 緣。儀器受潮后, 應(yīng)用日曬或用干綢布擦拭。搬動(dòng)時(shí) 用手接觸其金屬部分, 以免造成漏電。不用時(shí), 應(yīng)用 罩罩好。二、用他激的方法使起電

10、機(jī)迅速起電。即人 給起電機(jī)輸入施感電荷, 具體做法是: ( 1) 用摩擦過(guò) 木棒或玻璃棒與起電機(jī)導(dǎo)電箔接觸( 可反復(fù)多次) , 導(dǎo)電箔帶足量的施感電荷; ( 2) 在實(shí)驗(yàn)室中選擇一臺(tái) 電的起電機(jī), 使其放電球向外指向不能起電的起電 放電球, 然后同時(shí)搖動(dòng)這兩臺(tái)起電機(jī), 使起電機(jī)上的 箔帶電, 起電機(jī)即可起電。( 3) 將感應(yīng)圈的輸出端與 機(jī)的放電球連接, 打開感應(yīng)圈并同時(shí)旋轉(zhuǎn)起電機(jī), 放 便迅速放電, 斷開感應(yīng)圈, 起電機(jī)便能正常起電。( 4) 壓靜電起電機(jī)拖動(dòng)靜電起電機(jī), 方法同( 3) 。 3.2 使用不當(dāng), 影響起電。 起電機(jī)在使用過(guò)程中因使用不當(dāng)也可能造成起 不

11、起電。例如: ( 1) 起電機(jī)使用完畢后, 應(yīng)將兩個(gè)放電 觸, 以使正負(fù)電荷中和。但值得注意的是, 兩個(gè)放電 觸后, 就不能再轉(zhuǎn)動(dòng)手柄了。否則起電機(jī)兩起電盤上 導(dǎo)電箔上的正負(fù)電荷便完全中和, 導(dǎo)電箔上便沒(méi)有 余電荷, 這時(shí)要使起電機(jī)再次起電, 又得用“他激”的 讓它重新帶電。 故障分析及處理 韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)的故障主要表現(xiàn)在: 一是不起 電; 二是可以起電但電量很小。原因可從以下幾個(gè)方面分 析: 3 環(huán)境因素造成施感電荷過(guò)少, 影響起電 因韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)是一種自激式靜電感應(yīng)起電 機(jī), 起電前必須具有一定量的施感電荷, 而這種施感電荷 的有無(wú)和多少, 對(duì)起電機(jī)能否正常起

12、電十分關(guān)鍵。施感電 荷的來(lái)源, 一是空氣中的微量帶電粒子, 二是起電機(jī)導(dǎo)電 箔上殘存的剩余電荷。 陰雨天氣, 空氣比較潮濕時(shí) ( 相 對(duì) 濕 度≥85% ) 起 電 機(jī)起電就比較困難, 有時(shí)甚至根本不起電。究其原因有以 30 3.1 ( 2) 旋轉(zhuǎn)方向錯(cuò)誤, 使用靜電起電機(jī)只能按順時(shí) 向搖動(dòng)手柄, 否則不能起電。這是因?yàn)樵陔娝⒎轿徊?情況下, 如果按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手柄, 如圖 3 所示, 上的導(dǎo)電箔 A 上的電荷能使內(nèi)盤上的導(dǎo)電箔 B1、B2 帶電, 但繼續(xù)逆轉(zhuǎn)下去時(shí), 帶電的導(dǎo)電箔都將首先經(jīng) 平集電梳位置, 把導(dǎo)電箔上的電荷放掉。當(dāng)轉(zhuǎn)到與對(duì)

13、 圖 4 刷桿相對(duì)的位置時(shí) ( N3、N4 的位置) , B1、B2 已不能再施感 當(dāng)起電機(jī)前面各項(xiàng)檢查均正常, 但實(shí)驗(yàn)時(shí)放電效 3.3.3 應(yīng)作用, 起電機(jī)也就不能起電。 ( 3) 起電機(jī)使用時(shí)搖轉(zhuǎn)應(yīng)由慢到快, 并且不宜過(guò)快, 過(guò)快了會(huì)影響中和電刷與導(dǎo)電箔接觸, 因此有時(shí)很快搖 轉(zhuǎn)時(shí)起電機(jī)反而不能起電。使用時(shí)應(yīng)順時(shí)針搖動(dòng)手柄, 先 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)一、二圈, 無(wú)異常現(xiàn)象后逐步加快至正常轉(zhuǎn)速 ( 約 1S- 1, 即每秒 1 轉(zhuǎn)) 。 ( 4) 起電機(jī)使用一段時(shí)間后便應(yīng)對(duì)起電盤進(jìn)行清洗, 長(zhǎng)期使用后不清洗起電盤的起電機(jī)的起電性能將大大下 降, 有的甚至

14、不能起電。這是因?yàn)閷?dǎo)電箔和中和電刷摩擦 出現(xiàn)的金屬粉未, 散落在起電盤上, 影響了導(dǎo)電箔與導(dǎo)電 箔之間的絕緣。J2310 型韋氏靜電感應(yīng)起電機(jī)的導(dǎo)電箔是 用噴涂的導(dǎo)電物質(zhì)粉未制成, 摩擦后極易脫落, 每使用一 次都應(yīng)清洗, 清洗起電盤可以大大改善起電機(jī)的起電性 能。 3.3 部件磨損松動(dòng), 降低起電性能。 果仍不明顯, 表現(xiàn)為放電火花短、細(xì)、暗。這時(shí)應(yīng)檢查萊頓 瓶?jī)?nèi)的導(dǎo)電箔與金屬桿接觸是否良好, 導(dǎo)電連桿是否接 通。起電機(jī)的萊頓瓶實(shí)質(zhì)上是兩只電容器, 瓶?jī)?nèi)放有一些 散碎的金屬箔, 金屬箔作為內(nèi)部電極通過(guò)金屬桿與左右 電梳相連, 外壁電極通過(guò)底板上的導(dǎo)電連桿彼此相通。 (

15、萊頓瓶和放電球構(gòu)成的放電回路如圖 4 所示) 。當(dāng)導(dǎo)電 連桿把萊頓瓶的外壁電極接通時(shí)( K 閉合) , 得到的放電 火花較明亮, 且兩次放電間隔的時(shí)間加長(zhǎng), 這是萊頓瓶總 電容量增加所至。如果導(dǎo)電連桿向外拉開( K 斷開) , 得到 的放電火花就較小, 且兩次放電間隔的時(shí)間縮短。這是因 為當(dāng)導(dǎo)電連桿斷開時(shí), 相當(dāng)于在 C1、C2 間串聯(lián)了一個(gè)空氣 介質(zhì)的電容器, 其電容量很小, 與兩個(gè)萊頓瓶組成了三個(gè) 電容器串聯(lián)的電路, 整個(gè)系統(tǒng)的總電容量比導(dǎo)桿接通時(shí)要 小, 根據(jù)公式 Q=CU 可知, 達(dá)到一定的空氣擊穿電壓所需 的電荷量要小, 因此放電的周期縮短, 放電的強(qiáng)度減弱。 儀器在使用或搬動(dòng)過(guò)程

16、中, 使某些部位或零件發(fā)生 磨損或松動(dòng)也可能造成起電機(jī)不起電或可以起電但電量 過(guò)小。 中和電刷和導(dǎo)電箔接觸不好是導(dǎo)致起電機(jī)不能起 3.3.1 電的重要原因之一。從前面分析可知, 隨著起電盤的旋 轉(zhuǎn), 中和電刷將感應(yīng)在導(dǎo)電箔上的異種電荷分離出來(lái), 使 導(dǎo)電箔上的電荷成為凈電荷。一旦中和電刷與導(dǎo)電箔接 觸不好, 導(dǎo)電箔上的感應(yīng)電荷便無(wú)法分離, 這時(shí)導(dǎo)電箔上 的總電量雖不為零, 但無(wú)凈電荷存在, 當(dāng)導(dǎo)電箔經(jīng)過(guò)集電 梳時(shí), 集電梳便無(wú)法收集到電荷, 起電機(jī)自然也就不能起 電。因此使用起電機(jī)前應(yīng)首先檢查中和電刷接觸是否良 好, 造成接觸不好的原因有: ( 1) 中和電刷與起電盤之間

17、距離過(guò)大, 調(diào)整間距使之接觸良好即可; ( 2) 中和電刷磨 損, 更換中和電刷, 使中和電刷與起電盤保持良好的彈性 接觸( 可用 Φ=0.25 ㎜漆包線替代, 使用時(shí)必須用零號(hào) 沙 紙將漆包線的絕緣層打磨掉) 。 3.3.2 當(dāng)中和電刷位置裝反時(shí), 起電機(jī)也不能起電。內(nèi)外 盤上的中和電刷位置應(yīng)斜于左上方和右下方和垂直線約 成 45角, 電刷桿互成直角。如前所述, 相互垂直的兩個(gè)中 和電刷將起電盤分成 4 個(gè)區(qū)域, 在區(qū)域( Ⅱ) 、( Ⅳ) 內(nèi)起電 盤上的導(dǎo)電箔帶同號(hào)電荷, 在區(qū)域( Ⅰ) 、( Ⅲ) 內(nèi)起電盤上 的導(dǎo)電箔帶異號(hào)電荷( 如圖 3) , 如果中 和 電 刷 位 置

18、 裝反 ( 置于( Ⅰ) 、( Ⅲ) 區(qū)域內(nèi)) , 集電梳 E1、E2 不能收集到等量 異號(hào)電荷, 起電機(jī)也就不能起電。 3.3.4 起電機(jī)導(dǎo)電箔是靜電感應(yīng)起電機(jī)的關(guān)鍵部件, 其 材料的好壞直接影響起電機(jī)的性能, 目前, 市場(chǎng)上銷售的 起電機(jī)的導(dǎo)電箔大致分為兩類: 一類是用鋁箔粘接在起 電盤上( 如 J10031 型) , 另一類是用導(dǎo)電物質(zhì)涂敷在起電 盤上( 如 J2310 型) , 前者耐摩擦, 使用壽命長(zhǎng); 后者, 耐濕 性較好, 但不耐摩擦, 使用壽命短, 且大量散落的導(dǎo)電物 質(zhì)粉未易污染起電盤。靜電感應(yīng)起電機(jī)導(dǎo)電箔損壞時(shí), 可 用以下幾種方法更換: ( 1) 用導(dǎo)電紙

19、( 香煙盒內(nèi)錫箔紙) 替 代鋁箔, 也可用鋁箔和導(dǎo)電紙間隔粘接。( 2) 直接涂以銀 粉漆( 對(duì) J2310 型方便適用) 。 參考文獻(xiàn): [ 1] 劉炳昇. 初中物理教師實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練[ M] . 北京: 高 等 教育出版社, 1989. [ 2] 張寶銘. 靜電防護(hù)技術(shù)手冊(cè)[ M] . 北京: 電子工業(yè)出 版 社, 2005. The tr ouble causes analyzing and dealing of Wimshur st electr ical machine Kan lingsheng Abstr act : Wimshurst electrical machi

20、ne is a commonly equipment in electrostatic induction experiment on physics among college and middle school. It can t generate electric power due to many factors. It s working principle will be illustrated here. And analyses of trouble causes and solving methods will be introduced at the same time. Key wor ds: Wimshurst electrical machine, principle, trouble cause, solving method