静电学实验讲义.doc

二、静电演示实验专题研究 各种起电方式与电荷种类的判断 1范德格拉夫起电机【实验目的】 　　了解范德格拉夫起电机摩擦起电的原理。 【实验器材】 　　范德格拉夫起电机，风转轮。如图36-1所示。 图36-1 【实验原理】 　　利用导体的静电特性和尖端现象，尤其是导体内部没有净电荷，电荷只能分布在导体的表面上。范德格拉夫静电起电机由5~10万伏的高压直流电源通过放电针尖端放电把电荷转移给传送带（由橡胶或丝织物制成），由电动机拖动传送带，传送带把电荷传送到金属球内部后，由金属球内部的集电针收集电荷输送到金属球的外表面上。 【实验操作与现象】 　　1．起电机上端安装了一个导体球，直径为220mm，球体的电容大约是15uf，导体球安装在两个绝缘的有机玻璃柱上。静电是由橡胶皮带和两个滚轮产生的，它们分别是由聚乙烯（PE）和有机玻璃（PMMA）制造的。 　　2．把风转轮安装到金属球上，再打开电源开关，调节变速旋钮，观察风转轮的状态。 【注意事项】 　　1．使用范德格拉夫起电机的时候会产生电磁干扰信号。 　　2．工作状态时，不要随意触摸金属球，以免因自身与地没有绝缘，造成对身体的损害。 【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