靜電發電機

靜電發電機是一種連續產生電荷的機器。靜電發電機可在一物體上積聚大量電荷，它可應用於科學研究和工業上。威姆赫斯特發電機是一種小型發電機，由兩個旋轉盤組成，電荷積聚在旋轉盤上，由金屬刷收集。範德拉夫發電機包含一傳送帶，當它通過一排金屬尖端時就帶有電荷。傳送帶將電荷輸送到發電機頂部的空心金屬球上。如果將另一個金屬球移近發電機，就可以在兩個金屬球間引發大的靜電火花。 ^[1] 

靜電發電機是由開爾文構思，范德格拉夫實現的，又稱為范德格拉夫發電機。它是由一個空心絕緣圓柱支撐的空心球狀導體組成的，如圖2-29所示。其中的皮帶繞過兩個滑輪。下面的滑輪由電動機驅動，上面的滑輪是被動輪。一根有很高正電位的杆上裝有許多尖端，尖端附近的空氣都被電離了。正離子受到尖端排斥，其中一些離子依附於皮帶表面。相似的過程也發生在空心球狀導體的金屬刷上。當電荷積聚時，空心球狀導體的電位升高。范德格拉夫發電機可產生幾百萬伏的高壓。其主要應用是加速帶電粒子使之獲得很高的動能來進行原子碰撞實驗。

為了進一步闡明靜電發電機的原理，可先分析一下圖2-29b所示的一個空心的、不帶電荷的導體球，其中球上有一個小孔，把一個帶正電荷q的小球從開口處引入腔內。達到平衡狀態後，罩的內表面獲得淨負電荷，而其外表面會感應出正電荷q。若此時使小球接觸空心導體球的內表面，小球所帶的正電荷就被內表面的負電荷完全中和，然而空心導體球的外表面仍然帶正電荷q。如果小球被撤回，並充以電荷q後再放入空心導體球內，其內表面又得到負電荷，導致外表面的電量有同樣大小的增加。讓小球接觸空心導體球的內表面，小球和內表面又將都失去電荷。但此時空心導體球的外面將有兩倍的正電荷。換言之，通過將帶電物體放入空心導體球並使之與其內表面接觸，則帶電體所帶電荷將被轉移到空心導體球的外表面。當然，該過程與空心導體球的外表面所帶的初始電荷量是不相關的。 ^[2] 

實際的靜電發電機，其工作原理有的與上述起電盤完全相同。在結構上，為了保證能連續重複感應充電過程，原起電盤中帶有絕緣手柄的金屬片用安裝在絕緣輪輪緣上相互絕緣的一組金屬片代替。金屬片與橡皮板的相對位置和起電盤中相同。當某一金屬片隨絕緣輪的轉動而靠近橡皮板時，金屬片的下表面和上表面將分別感應出正電荷和負電荷。用地線移去負電荷，而當該金屬片離開橡皮板時斷開接地線，則金屬片上只帶有一定量的正電荷。這些正電荷可用導線沿同向送到電荷收集器中。當輪子轉動時，輪緣上的每個金屬片依次靠近橡皮板，感應充電過程不斷重複，電荷連續地被傳送到收集器中。

靜電發電機只能短時間地以電流的方式大量供給電荷，因為無法持續工作，所以派不上什麼用處。但是，如果不讓電流出現而使電荷不斷地蓄積起來的話，電位也就成比例地越升越高，結果就會產生很高的電壓。利用這個原理，現代的靜電發電機都用作產生高電壓，與其叫發電機不如稱之為利用靜電的“超高壓發生裝置”更容易被人理解。

發生超高壓的靜電發電機有很多種方式，其中最有代表的是使用傳遞皮帶的范德格拉夫型和不使用皮帶的SAMES型兩種。

范德格拉夫型靜電發電機的構造如圖1所示，它的結構很像建築工地上常用來搬運沙土的傳送皮帶裝置。

兩個由馬達驅動的輪子之間張有一條絕緣材料製成的皮帶，它們以勻速轉動。給針狀電極加上數萬伏特的高電壓，電極與輪子之間就會發生電暈放電，使絕緣皮帶帶上電荷。由於皮帶不停地運動，所以，電荷就被源源不斷地運到頂部的球形集電器中。

皮帶上的正電荷在傳到集電器附近時，通過與集電器相連的針狀電極發生放電被轉移到高壓端的集電器中蓄積起來，集電器與地面之間的電容量是固定的，因為皮帶勻速運動，所以集電器一端的電壓與蓄積的電荷量成正比，隨時間直線增加。集電器的電壓最終能夠達到數兆至20兆伏（1兆等於100萬）。

范德格拉夫型發電機雖然能夠產生超高壓，但是由於使用了皮帶，所以它的穩定性容易受振動等因素的影響，不太適合於短時間內產生高電壓的需求。於是SAMES型發電機應運而生，它用旋轉的圓筒取代了皮帶，SAMES型發電機的特點是工作穩定、發電速度快，而且結構精巧，它的缺點是產生的電壓不如范德格拉夫型發電機高。SAMES是成功開發該裝置的法國企業的名字。

如圖2所示，SAMES型發電機的核心是一個外表面塗有數毫米厚絕緣性樹脂的玻璃圓筒，通過圓筒的旋轉來傳遞樹脂表層所帶的電荷。

通過左右兩個電極的電暈放電，使樹脂表層帶上電荷。然後隨着圓筒的旋轉到通過上下兩個電極處時，經過放電通過電極轉移並蓄積到輸出端子上。

在SAMES型發電機中，帶電電極與輸出端子之間的距離由圓筒的直徑來決定，而且不可能太遠，因此，用SAMES型發電機只能產生1兆伏，即100萬伏以下的電壓。但是，因為圓筒的剛性好，即使將轉速提得很高也能夠平穩地工作，因此調控起來很簡單。SAMES型發電機佔用空間小，能夠連續地大量產生電荷。

在實用中，范德格拉夫型發電機用於產生數兆伏以上的超高電壓，而對於低於此數值的高壓則通常使用SAMES型發電機。 ^[3] 

最簡單的靜電發電機相當於一隻起電盤（見圖3）。這種起電盤由一個帶有絕緣柄H的金屬片D和硬橡皮板R組成。在用皮毛摩擦橡皮板使之帶負電荷之後，將金屬片D放在橡皮板R上。由於橡皮板的表面不可能加工得絕對平整，金屬片與橡皮板的接觸面之間始終存在着一定的空隙。這時金屬片的下表面將感應出正電荷，而上表面則感應出等量的負電荷。用金屬導體將金屬片接地，釋放掉金屬片上的電子，然後去除接地線，同時用絕緣柄將金屬片抬離橡皮板，此時金屬片上只有正電荷，這些正電荷可以用收集器加以收集。如果重複上述充電過程，就可以在收集器上獲得大量正電荷，產生相當高的電壓。