[科普中国]-范德格拉夫起电机

结构及原理

结构如图，空心金属圆球A放在绝缘圆柱 C 上，圆柱内B为由电动机带动上下运动的丝带（绝缘传送带），金属针尖 E 与数万伏的直流电源相接，电源另一端接地，由于针尖的放电作用，电荷将不断地被喷送到传送带B上。另一金属针尖F与导体球 A 的内表面相联。当带电的传送带转动到针尖 F 附近时，由于静电感应和电晕放电作用，传送带上的电荷转移到针尖 F 上，进而移至导体球A的外表面，使导体球A带电。随着传送带不断运转，A球上的电量越来越多，电势也不断增加。通常半径为1米的金属球可产生约 1 兆伏（对地）的高电压。为了减少大气中的漏电，提高电压，减小体积，可将整个装置放在充有10～20个大气压的氮气的钢罐之中。

产生正极性电的范德格拉夫起电机可用作正离子的加速电源，产生负极性电的则可用于高穿透性的 X 射线发生器中。1

实验运用范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压。在核物理实验中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子，如质子、电子等。此外，这种起电机也可用来演示很多有趣的静电现象，如使头发竖立起来、吸引发泡胶球、产生电火花、用电风使风车旋转等。2

静电现象使头发竖立我们可以站在绝缘的椅子上，用手按着起电机的球形金属罩。由于人的身体也可导电，所以当起电机启动时，电荷便传到我们的身体上。而因为头发上的电荷互相排斥，头发便竖立起来。

吸引发泡胶球当发泡胶球移近起电机的球形罩时，发泡胶球中分子内的电荷分布将发生变化。在分子内，正负两极的电荷被轻微地分离，产生所谓极化的现象。此时球形罩上的电荷与分子内相反的电荷产生微小的吸力，从而吸引整个发泡胶球。

产生电火花把接地的金属小球移近起电机的球形罩时，强大的电场使电荷由球形罩跃向金属小球，在空气中产生大量离子和电子。因为离子的能态比不带电的空气分子高，所以它们便自发地释放能量，产生火花。这是在空气中的放电现象，例如闪电就是电荷从一片云跃向另一片云或地面的放电现象。

产生电风带电导体的尖端区域具有较高的表面电荷密度，而电荷密度越高，所产生的电场越强。而强大的电场使尖端周围的空气分子电离，空气中与导体电荷相反的离子或电子被尖端吸引，而那些与导体电荷相同的离子或电子则被尖端排斥到远处，这现象称为尖端效应。离子运动时拖动空气分子，产生电风，可使扇叶转动。2

日常静电应用在日常生活中有很多静电的应用，像复印机、静电除尘器、静电喷漆。此外，认识静电使我们避免它可带来的危险，例如在运载易燃物品的车辆尾端系上接地铁链，把电荷传到地面，以免电火花引致火灾。同一道理，医院的手术室里，因为时常应用氧气和易燃的麻醉药物，所以地板通常是抗静电的，而所有机器亦需接地，以免火花引发爆炸。2

提高电极电压的方法1.提高电极电压的一个方法是制造更大的球形电极。用直径1m的球形电极可以得到0.6 x 106V高压，直径增大到2m可得到1.3×106V高压。再增大直径并不能有效地提高电压。所以通过增大球形电极的直径来提高电压是很有限的。

2.后来人们发现在高气压条件下，气体的击穿强度即使气体变成良导电体的电压要比正常气压下高得多。于是就试着把静电加速器放在高压气体中来解决电击穿问题。试验结果是成功的。原来在正常气压下只能得到0.6 x 106V的静电加速器，放到充有几个大气压的氖气钢筒中后，电压就可以提高到4.5 x 106V。大部分运行的静电加速器就是这种高气压静电加速器。3