范德格拉夫起电机最全的介绍

范德格拉夫静电起电机范德格拉夫静电起电机范德格拉夫静电起电机范德格拉夫静电起电机静电加速器是加速质子、α粒子、电子等带点粒子的一种装置，静电加速器的电压可高达数百万伏，它主要是靠静电起电机产生的，静电起电机最常用的一种是1931年由范德格拉夫（R.J.V an de Graaff,1901-1967）研制出来的，故亦称范德格拉夫静电起电机。图6-29是静电起电机的工作原理图。图中金属球壳A是起电机的高压电极，它由绝缘支柱C支撑着。球壳内和绝缘支柱底部装有一对转轴D和D`，转轴上装有传送电荷的输电带（绝缘带B），并由电动机驱使它们转动。在输电带附近装有一排针尖E（叫喷电针尖），而针尖与直流高压电源的正极相接，且相对地面的电压高达几万伏，故而在喷电针尖E附近电场很强，使气体发生电离，产生尖端放电现象。在强电场的作用下，带正电的电荷从喷电针尖飞向输电带B，并附着在输电带上随输电带一起向上运动。当输电带B上的正电荷进入金属球壳A 时，遇到一排与金属球壳相连的针尖F（叫刮电针尖），因静电感应使刮电针尖F带负电，同时使球壳A带正电并分布在球壳的外表面上。由于针尖F附近电场很强，产生尖端放电使刮电针尖上的负电荷与输电带上的正电荷中和，从而使输电带B恢复到不带电的状态而向下运动。就这样，随着输电带的不断运转，金属球壳外表面所积累的正电荷越来越多，其对敌的电压也就越来越高，成为高压正电极。同样道理，如果喷电针尖E与直流高压电源的负极相接，则将使金属球壳成为高压负电极。不同极性的高压电极，可分别用来加速不同电荷符号的带电粒子。由于尖端放电、漏电、电晕等原因，金属球壳的对地电压不可能很高，即使把金属球可放到有几个大气压的氮气中，其对地电压也只能达到数百万伏。如果在金属球壳内放一离子源，离子将被加速而成为高能离子束。近代范德格拉夫静电加速器可将氮和氧的离子加速到具有100MeV的动能。目前静电加速器除用于核物理的研究外，在医学、化学、生物学和材料的辐射处理等方面都有广泛的应用。

美国物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaff）于1931年发明了范德格拉夫起电机。这种以他的名字命名的设备能够产生非常高的电压——高达2000万伏。范德格拉夫发明起电机的目的是为早期的粒子加速器提供所需的高能量。这些加速器称为原子粉碎机，因为它们能够将亚原子颗粒加速至非常高的速度，然后将它们“撞击”到目标原子中。碰撞能够产生其他亚原子颗粒和高能量放射线（例如X射线）。能够产生这些高能量碰撞是粒子物理和核物理的基础。

范德格拉夫起电机被描述为“恒定电流”静电设备。当您为范德格拉夫起电机加上负载后，电流（安培数）保持不变。随负载变化的是电压。对于范德格拉夫起电机，当您使接地物体靠近输出端子（球面）时，电压将降低，但电流保持不变。与之相反，电池是“恒定电压”设备，因为当您为电池加上负载后，电压将保持不变。汽车电池就是这方面的典型例子。充满电的汽车电池能够产生约12.75伏的电压。如果您打开前灯，然后检查电池电压，您将发现电压会保持相对不变（前提是电池工作状况良好）。同时，电流将随负载变化。例如，您的前灯可能需要10安培的电流，但您的风挡刮水器可能只需要4安培的电流。无论您打开哪个设备，电压都将保持不变。

范德格拉夫起电机有两种：一种使用高压电源来充电，另一种使用传动带和滚轴来充电。这里，我们将讨论传动带和滚轴起电机。

这种范德格拉夫起电机由以下部件组成：

电机

两个滚轴

传动带

两个电刷部件

输出端子（通常是金属球或铝球）

您可以在下图中找到这些部件。

启动电机后，下滚轴（充电器）开始转动传动带。由于传动带由橡胶制成，并且下滚轴覆盖有硅胶带，因此下滚轴开始产生负电荷，而传动带产生正电荷。通过观察下面的摩擦电序，您可以理解这一电荷不平衡发生的原因：硅的负电性超过橡胶；因此，当传动带经过滚轴时，下滚轴可以从传动带捕获电子。重要的是要了解滚轴上的电荷要比传动带上的电荷多得多。因为发生这种电荷集中现象，所以滚轴的电场要比传动带的滚轴和下电刷部件位置的电场强很多。现在，来自滚轴的强大负电荷开始做以下两件事情：

1.排斥下电刷部件顶端附近的电子。金属是良好的导电体，因为它们基本上是一些被

易于移动的电子所包围的正电性原子。现在，电刷部件的电线顶端带有正电荷，因

为电子已经离开电线顶端流向电机外罩上的引线。

2.它开始剥去附近的空气分子的电子。当原子被剥去电子后，就成为等离子体，即物

质的第四态。因此，我们在滚轴和电刷间有自由电子和带正电的空气原子。电子受

到滚轴的排斥，但受到没有电子的电刷顶端的吸引，而正电性原子受到带负电的滚

轴的吸引。

来自空气分子的带正电的原子核尝试向带负电的滚轴移动，但受到传动带的阻挡。因此，传动带现在“镀上”了正电荷，并且随之携带它们离开滚轴。

只要下滚轴和电刷部件之间有空气，范德格拉夫起电机就能继续对传动带进行充电。理论上，范德格拉夫起电机可以永远不间断地给传动带充电。遗憾的是，环境中的尘埃和其他杂质会限制球面上积聚的实际电荷数量。

让我们返回到传动带。前面我们提到，传动带带上正电，然后向着上滚轴和上电刷部件滚动。因为我的上滚轴使用的是尼龙，所以它将排斥传动带上的电荷。上电刷部件与球面内侧相连，并且悬在上滚轴和传动带位置附近。电刷中的电子移动到电线顶端，因为它们受到带正电的传动带的吸引。当空气像之前一样分离后，空气的带正电的原子核将受到电刷的吸引。同时，空气中的自由电子移动到传动带。当带电的物体接触金属容器内侧时，容器将获得所有电荷，并且使物体成为电中性。过多的电荷将出现在容器外表面上。这里，我们的容器就是球面。范德格拉夫起电机正是通过这一效应获得其高电压。对于范德格拉夫起电机，传动带是带电物体，负责向球面持续供应正电荷。

在制作您自己的范德格拉夫起电机之前，还要注意最后一个问题。通常，我们使用电中性材料来制作上滚轴，这样在球面将传动带的过量电荷吸走后，传动带将成为电中性。因为我使用尼龙上滚轴（在摩擦电序中为正电性），所以我让传动带实际供应更多的正电荷，然后成为负电性。使用这种技术的目的是使电流加倍。传动带在靠近上滚轴的一侧带正电，在靠近下滚轴的一侧带负电。

如果您是机械能手，那么您可以从无到有来轻松地制作自己的范德格拉夫起电机（否则，您可能希望购买一套装置或一台已经做好的起电机——有关部分概念，请参阅本文末尾的链接）。下面是我用来制作自己的范德格拉夫起电机的部件和材料列表。

电机——我从本地电机修理店购买了一台功率为1/3马力、转速为1,780rpm的二手电机。

传动带——我使用一段外科用橡皮管。不要使用黑色橡胶！传动带必须绝缘。

下滚轴——我使用一段直径为7.5厘米、长度为7.5厘米的尼龙，中部有凸面。下

滚轴需要钻孔，以便插入一根1.5厘米的电机轴，电机轴用插销固定，表面包裹硅

胶带（可从五金商店购买，也可以到McMaster-Carr在线购买——请使用1"宽、20

毫米厚的硅胶带）。

上滚轴——我使用一段直径为5厘米、长度为5厘米的尼龙，中部有凸面。

上电刷和下电刷——我使用两段多股编织接地带。

球面——我使用两只扣在一起的不锈钢色拉碗。

滚轴

我建议所有认真的制作者使用负电性滚轴/正电性滚轴技术。这样，结果要比使用一个中电性滚轴好得多。确定您要使用的材料，然后去当地的五金商店进行搜寻。不必费多大的力气，就可以找到摩擦电材料列表中的许多材料。请避免使用铝箔或其他任何可能撕碎或剥落的金属。如果铝箔剥落，则会落在传动带上，造成范德格拉夫起电机短路。您应尽力在滚轴上加上凸面（使中部凸出，就像小桶一样）。凸面将使传动带沿着滚轴的中部运动，从而使传动带避免滑落。

传动带

我使用的外科用橡皮管完美无暇。它极其耐用，容易清洁（用外用酒精擦拭），并且易于使用。请在信誉良好的五金商店或医疗用品商店购买。买回来以后，需要将其剪成平整的橡皮

带。您可以用剪刀完成这一工作，也可以将橡皮管充气以使其破裂。要制成传动带，需要将橡皮带两端稍微重叠，构成一个圆圈。在重叠部分剪出一个45度的角（完全剪断）。然后，将两端拼在一起并用橡皮胶粘合。将接缝做成45度，有助于接缝部分在滚轴上顺利滚动。

请记住，传动带不得导电。避免使用任何黑色的材料——这种材料很可能含有碳，而碳在范德格拉夫起电机产生的高电压下能够导电。传动带宽度应尽可能接近于滚轴宽度。您应确保电刷“刷”传动带，并且不会将电荷传导到滚轴上。

电刷

电刷必须是导电材料，例如金属。我发现，电刷的顶端越小、越锐利，效果越好。请尝试将电刷放在与滚轴之间距离不同的多个位置。不要让电刷接触传动带。否则会使残渣越积越多，最终毁坏传动带。解开接地带中的细导线是个好方法，推荐使用。

电机

电机无疑是范德格拉夫起电机最不重要的部件。显然，您需要一台有足够马力来带动传动带的电机。您可以尝试在当地电机修理店寻找一台这样的电机。我甚至曾经使用过圆锯电机。关于电机速度，最好不要低于1,000rpm。电机速度决定了范德格拉夫起电机的充电速度（不要将它与累积的电荷数量相混淆）。

球面

任何中空的金属球都可以满足需要。我使用的两个色拉碗在边缘结合处有一定程度的泄漏。我用环氧树脂密封了接缝，然后缠上电工胶带，对这一问题进行了补救。

组装

下面是初始步骤：

1.将下滚轴安装到电机轴上。

2.将下电刷部件安装到电机外罩上。

3.封闭下半部分装置。

不要使用木头来制作电机外罩：木头易于使用，但会从空气中吸收湿气，从而降低范德格拉夫起电机的性能。请用塑料制作电机外罩——五金商店出售的树脂玻璃就可以。请记住留下一个口，以便将传动带安装到滚轴上；还要在顶部留下一个开口，以便将传动带安装到上滚轴上。

对于圆柱装置，我使用一根直径为15厘米、长度为81厘米的PVC管。我将管的一端安装在电机外罩顶部，并在管的另一端钻孔。利用螺钉或杆将上滚轴通过钻孔安装到管的顶部。根据将上滚轴安装到管中的方式的不同，您可能需要在安装前将传动带放在滚轴上。安装完上滚轴后，接下来可以将传动带的另一端安装到下滚轴上，然后封闭电机外罩。

最后，可以安装球面和上电刷部件。为此，我在一个色拉碗的底部割开一个小孔。然后，我使用导电的“金属粘合剂”将编织接地带固定到碗内侧。接下来，我将碗安装到15厘米到10厘米的PVC减震器。我将减震器的10厘米端插入碗的孔中，然后用硅胶堵住缝隙。接下

来，我将接地带的电刷端引到减震器内部并设置好（您可能需要进行一番尝试，以获得与上滚轴部件之间的最佳距离）。

最后，您只需将减震器放在PVC管的顶部。请确保上电刷面向传动带，并且与下电刷处于同一侧。现在，您已经拥有一台属于自己的范德格拉夫起电机了！

将一段电线接到电机外罩上是个好主意，因为这样您就可以在关闭电机时使电线的另一端与球面相接触。这将使您在触摸开关时不会有轻微的触电感。另外，您可能希望无需关闭电机即可将球面放电。但是，请记住，如果您没有在操作过程中手持电线末端，那么当您拿起它的时候会有轻微的触电

利用您的新范德格拉夫起电机可以做几百万个有趣的实验，不过我将重点讨论“头发直立”实验。让一名幸运的参与者站在绝缘面上（站在包装箱顶上就可以）。参与者必须与地面绝缘。如果电荷不能在人身上累积，他/她的头发就不会直立起来。现在，让他/她将一只手放在球面上。打开范德格拉夫起电机，等着看好戏吧！

当范德格拉夫起电机开始充电时，它会把电荷转移给接触它的人。由于人的发囊充电至相同电势，因此它们将彼此排斥。这就是头发竟然能够直立的原因。反转范德格拉夫起电机的极性后，将产生同样的结果。只要人体是绝缘的，电荷就会累积（当然，假定头发是清洁干燥的）。

我的范德格拉夫起电机会产生大约25到30厘米长的电火花。我喜欢在起电机上给自己充电，然后用手指着窗户上的铝制百叶窗。电荷（电子风）将使百叶窗移动。我可以在大约2.4米远的位置轻松做到这一点。利用范德格拉夫起电机玩肥皂泡也很有趣。它们最初将受到范德格拉夫起电机吸引并向着它漂过来；一旦被范德格拉夫起电机充电后，它们将因排斥而向远处漂走。您可以利用范德格拉夫起电机做许多好玩的事情。请尽情发挥您的想像力吧！帮助

如果您的范德格拉夫起电机不能正确充电，请确保它是清洁的。请避免沾染油污或残渣。您还可以使用它附带的吹风机除湿。每当我要使用范德格拉夫起电机时，都会执行这一流程。您会对它所产生的差异感到惊讶。您可能需要熄灭所有灯光，在黑暗中运行范德格拉夫起电机。您会看到在漏电的位置有蓝紫色的电火花喷射出来。请尝试用胶带、环氧树脂或硅消除漏电现象。您甚至可能需要同时使用这三种东西来消除漏电现象，但这样做是值得的。