维氏起电机

维氏起电机 【实验目的】 演示起电现象，了解产生电荷的原理及其应用，观察电容器（莱顿瓶）的电容量的变化情况。 【实验器材】 维氏起电机，包括由起电盘、放电球、莱顿瓶、感应电刷、皮带轮、集电梳、连接片，起电圆盘涂有许多片铝箔，如图37-1所示。 图37-1 【实验原理】 感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。莱顿瓶是个电容，用来储电。感应起电机在左右各有一莱顿瓶，两莱顿瓶集聚不同种电荷，作为电源的正负极。 当顺时针摇动转轮上的摇柄时，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S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2，Q1与Q2有大小之分。图37-2所示。 当圆盘转过90°时，S1与反面电刷B'相对，此时S2'、S1'分别与S1、S2相对。假设Q1＞Q2，由于S1'与S2'之间有电刷连接，会引起自由电子移动，使得S1'带正电荷，S2'带负电荷，图37-2（b）。 当圆盘再转过45°时，S1、S2分别顺时针转至与电极相接的悬空电刷E2、E1处，并在该处放电使E1、E2带正电荷，这些正电荷又被积聚在莱顿瓶C1、C2中，图37-2（c）。 当圆盘再转过45°即S1转到与正面电刷B相对应时， S1与S1?相对，S2与S2'相对，刚经过放电的S1与S2恰好不再带有电荷。S2?带负电使得S2感应带正电，又由于与 图37-2 图37-3 金属刷上铜丝摩擦也使它带正电，在二者共同作用下S2带上了正电荷；对于S1来说，S1'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37-3）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，图37-2（d）。 圆盘再转过45°时，S1'与S2'恰好分别转到悬空电刷E2?与E1?处。带正电的S1'在E2'处放电后不再带电，E2?上的负电荷被中和使E2'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S2'在E1'处放电后也不再带电，且E1'上的正电荷被中和使E1?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，图37-2（e）。 如果圆盘又转过45°，S1又与S2'相遇，S2与S1'相遇，且此时S1', S2与反面电刷B'相对，S1'， S2'分别在E2、E1处放电后不再带电。此时的电荷变化与过程（d）相似, 因此与S1相对的S2?带正电荷, 与S2相对的S1?带负电荷，图37-2（f）。 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，图37-2（g）。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（c）~（g），由于两盘的逆向旋转，转至与电极相接的悬空电刷E2、E2'处的金属片将全部带正电，转至与电极相接的悬空电刷E1、E1'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间的电压才能达到空气的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。 【实验操作与现象】 1．把起电机放电球调整到合适的位置，摇动圆盘把手，当两个起电盘快速旋转时，放电叉的球部分别聚集起不同电性的大量电荷，而形成火花放电。注意观察放电现象。 2．将两个莱顿瓶外面导电层用连接片相连，注意观察放电火花明亮程度，同时发现两次放电间隔的时间加长，这是因为莱顿瓶总电容量增加所致。若把连接片断开，莱顿瓶总电容量减少了，此时得到的放电火花较小，明亮程度与连接时比较，两次放电间隔的时间也缩短了，这就看清楚电容量的变化情况。 3．把放电球分开，用连接线与静电实验相连，观察实验现象。（参考相应的静电实验） 【注意事项】 1．起电盘应放在干燥及清洁的地方。 2．两电刷应互成90度夹角，各与横梁成45度。集电杆的电梳针尖不能触及起电圆盘。 3．电刷与金属铂片的接触要可靠。 4．两个传动皮带的其中一根在传动间交叉安装，以使两起电圆盘工作时反向旋转。 5．操作起电机时，动作要缓和，由慢到快，但速度不能太快，过快了会影响中和电刷与导电层接触，反而不能起电，也容易损坏起电盘。摇转停止时亦需慢慢进行，可松开手柄靠摩擦作用使其自然减慢，以防起电盘由于惯性从转动轴上松脱。 6．起电机带电后和停止摇动时，由于集电杆等处带有电荷，操作者不要触摸实验设备，应将两个放电球接触，进行正负电荷中和， 7．两放电球接触后不能再转动摇把手，避免两个起电盘上所有导电层正负电荷完全中和，不能再起电。 8．起电盘和莱顿瓶中的导电层切不可碰伤、划痕、粘水受潮。转动轴要常加润滑油。