2017年6月27日

范得格拉夫起電器

作者/周鑑恆,任職於萬能科技大學,專長為物理教育與海浪發電,中華民國物理教育學會理事,科學月刊編輯委員。
作者/洪偉清,任職於陸軍軍官學校,中華民國物理教育學會理事長,積極整合臺灣物理教育資源,長年投入科學教育推廣。
作者/曾瑞蓮,任職於國立科學工藝博物館,科學教育資深研究員,專長為教具研發與展場設計。
作者/黃仁偉,任職於陸軍軍官學校,中華民國物理教育學會秘書長。
作者/鍾賢,任職於陸軍軍官學校,中華民國物理教育學會副秘書長。

巧妙的高壓電裝置
上世紀20年代,荷蘭裔美國物理學家范得格拉夫(Robert J. Van de Graaff)發明了范得格拉夫起電器,又稱范氏起電器,可以產生千萬伏特以上的高電壓。早期的科學家曾利用范氏起電器來加速離子、轟擊原子且進行核反應實驗。對於現今的相關實驗而言,范氏起電器所產生的電壓已經不夠高,但仍然是有用的課堂教具,也是世界各地科學博物館與科學教室中常見的展示品。它產生的高電壓,能用來演示靜電實驗。其中最著名的,就是它能讓與地面絕緣的人,頭髮全部豎立起來,娛樂效果與科學觀念傳播效果,都很經典。

原理與構造
范氏起電器的設計不止一種,但原理大同小異。例如:有些范氏起電器直接利用直流高壓電裝置,將正電或負電散布在不能導電的皮帶上,再拉動皮帶,把皮帶上的電荷拖到金屬球殼中,持續增加金屬球殼上的電荷量,而使其電壓不斷升高。也有些是用摩擦起電的方法,產生靜電。

利用摩擦起電的迷你范氏起電器之構造如圖一。其主要零件包括:

累積電荷而造成高電壓的金屬容器。容器外側表面必須盡量避免有稜有角或有尖銳凸出之處,以抑制放電現象而使金屬容器上的電荷流失,所以常製成球形。

上轆轤(利用輪軸原理制成的一種起重裝置)、下轆轤和皮帶。下方轆轤的材質必須配合皮帶的材質。各種物質得失電子的傾向並不相同,從最容易失去電子材質到最容易獲得電子的排序,稱為摩擦帶電序列(tribo-electric series)。假設下方轆轤選用的材質容易獲得電子,那麼皮帶就必須選用容易失去電子的材質製作,兩者材質的摩擦帶電序列差距越大越好。

上下兩支放電電刷。電刷上有若干增強尖端放電效果的尖或薄的構造,因此,電刷可以使原本絕緣的空氣變成不良導體,形成導通的電路。上方電刷接金屬球殼,下方電刷接地。

絕緣的支架和絕緣的底座。整具范氏起電器,只有下方電刷接地,其餘的零組件因為支架和底座都絕緣,都不會漏電。

玩具小馬達轉動下方之轆轤,帶動皮帶,皮帶再使上方轆轤轉動。
下方轆轤轉動時不斷接觸皮帶,因為兩者材質的摩擦帶電序列不同,如果皮帶容易失去電子,下方轆轤容易獲得電子,於是皮帶就會帶有正電,下方轆轤就會帶有等量的負電。

巧妙的是,下方轆轤與皮帶所帶的電量一樣,電性相反,但皮帶上的正電分布在整條皮帶上,而等量的負電則只分布在下方轆轤上,因此下方轆轤與其附近的那一小段皮帶,總和起來是帶負電。而原本皮帶就容易丟失電子,此時受到下方轆轤負電的排斥,經由接地的電刷,使皮帶更多的電子經由電刷的尖端放電,經接地電路流到地球形成的巨大電容中,如此這般,容易丟失電子的皮帶就帶有更多正電。......【更多內容請閱讀科學月刊第571期】


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