范德格拉夫起电机

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范德格拉夫起电机
Van de graaff generator sm.jpg
名称 范德格拉夫起电机
发明家 羅伯特·傑米森·范德格拉夫

范德格拉夫起电机(英語:Van de Graaff generator,简称「范氏起电机」)是一种用來產生静电的装置,该装置於1929年由荷兰美国物理学家羅伯特·傑米森·范德格拉夫 (Robert Jemison Van de Graaff)发明。 范德格拉夫起电机通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面。范德格拉夫起电机非常易于获得非常高的电压,现代的范德格拉夫起电机电势可达500万伏特

说明[编辑]

典型范德格拉夫起电机原理示意图:
1) 中空金屬球殼
2) 上部電極
3) 上部滾軸(金屬製)
4) 帶有正電荷的帶子
5)帶有負電荷的帶子
6) 下部滾軸(可以採用丙烯酸玻璃製)
7) 下部電極(接地
8) 帶負電的球型裝置,用於將主球殼放電
9) 因電位差產生的電花

一个简单的范德格拉夫起电机由丝绸腰带组成,或类似的有弹性的介质材料,包围在两个金属滚轮上,其中之一是中空的,2个电极(2)及(7),尖锐的金属以梳状行的形式,分别被放置在靠近底部的下滑轮和球体内,滑轮。电刷(2)连接到球上,同时电刷(7)接地。 当皮带运行过在前面的低电刷,在周围的电场下,它将携带负电荷。当皮带触摸上滚轮(3),移出一些电子,使得滚轮带负电荷(如果末端是绝缘的),负电荷的电场添加使空气电离。然后从电子从皮带上离开转移到上电刷上,使皮带带正电的,因为它的电荷下降,而末端的带负电荷。球体外壳与上滚轮发生电磁感应,在它的外表面积累产生的正电荷,上滚轮的放电及皮带极性发生变化使其恢復电中性。由于皮带继续运行,通过皮带传递,球继续积累正电荷,直到充满。它越是远离地面,最终的电量就越多。靜電發生器或靜電機器是一種機電發生器,可產生靜電或高電壓和低連續電流的電。 靜電的知識可以追溯到最早的文明,但幾千年來,它仍然只是一個有趣而神秘的現象,沒有理論來解釋其行為,並且常常與磁力混淆。 到17世紀末,研究人員已經開發出了通過摩擦來發電的實用方法,但是直到18世紀,靜電機器才真正開始發展,當時靜電機器已成為研究新的電力科學的基礎工具。 靜電發生器通過使用手動(或其他)動力將機械功轉換為電能來運行。 靜電發生器僅使用電力即可產生呈現給兩個導體的相反符號的靜電荷,並通過使用移動板,鼓或皮帶將電荷攜帶到高電勢電極上進行工作。 電荷是通過兩種方法之一產生的:摩擦電效應(摩擦)或靜電感應。

說明編輯

靜電機器通常在科學教室中使用,以安全地顯示出電力和高壓現象。 所獲得的升高的電勢差也已用於多種實際應用,例如操作X射線管,醫療應用,食品滅菌和核物理實驗。 靜電發生器(例如Van de Graaff發生器)以及Pelletron的變體也在物理研究中得到使用。

根據電荷的產生方式,靜電發生器可以分為兩類:

摩擦機利用摩擦電效應(通過接觸或摩擦產生的電)

影響機器使用靜電感應

摩擦機

歷史記錄

典型的使用玻璃球的摩擦機,常見於18世紀

泰勒斯博物館(Martinus van Marum)泰勒斯博物館(Teylers Museum)的靜電發生器

由於產生過程中的摩擦力,第一台靜電發生器被稱為摩擦機。  Otto von Guericke於1663年左右發明了一種原始形式的摩擦機,它使用可以旋轉和用手摩擦的硫磺球。 它在使用過程中可能實際上並沒有旋轉,並且不打算產生電力(而是宇宙的美德),[1]卻啟發了許多後來使用旋轉地球儀的機器。 艾薩克·牛頓(Isaac Newton)建議使用玻璃地球儀代替硫磺地球儀。[2] 大約1706年,弗朗西斯·豪克斯比(Francis Hauksbee)改進了其基本設計,[3]他的摩擦電機使玻璃球在羊毛布上快速旋轉。[4]

大約在1730年,維滕貝格(Wittenberg)的格奧爾格·馬蒂亞斯·博斯(Georg Matthias Bose)教授添加了一根集電導體(一根支撐在絲線上的絕緣管或圓柱體),從而使發電機進一步發展。 玻色(Bose)是第一個在這種機器上使用“主要導體”的設備,它由一個鐵棒握在一個人的手中,他的身體通過站在一塊樹脂上而絕緣。

1746年,威廉·沃森(William Watson)的機器有一個大輪子,可以轉動幾個玻璃地球儀,劍和長槍槍管懸在絲線上,作為主要導體。 萊比錫物理學教授約翰·海因里希·溫克勒(Johann Heinrich Winckler)用皮革墊子代替了手。  1746年,簡·英根豪斯(Jan Ingenhousz)發明了平板玻璃製成的電機。[5] 萊頓罐的發現在很大程度上幫助了電機的實驗。 這種早期形式的電容器在玻璃的兩面都具有導電塗層,當與電動勢源連接時,會積累電荷。

蘇格蘭人兼愛爾福特教授安德魯(安德里亞斯)戈登(Andrew(Andreas)Gordon)很快對電機進行了進一步改進,他用玻璃缸代替了玻璃地球儀。 萊比錫的吉辛(Giessing)加入了由毛料製成的靠墊組成的“橡膠”。 本傑明·威爾遜在1746年左右將收集器(包括一系列金屬點)添加到機器中,在1762年,英格蘭的約翰·坎頓(也是第一台髓核球鏡的發明者)通過灑水提高了電機的效率 橡膠表面上的錫汞合金。[6]  1768年,傑西·拉姆斯登(Jesse Ramsden)建造了一種廣泛使用的平板發電機。[需要澄清]

1783年,荷蘭科學家哈勒姆(Haarlem)的馬丁·範·馬魯姆(Martin van Marum)為他的實驗設計了一個高質量的大型靜電機,其玻璃盤直徑為1.65米。 能夠產生任何極性的電壓,第二年它在阿姆斯特丹的約翰·庫斯伯特森(John Cuthbertson)的監督下建造。 該發電機目前在哈勒姆的泰勒斯博物館中展出。

1785年,魯蘭(N. Rouland)建造了一台絲綢織帶機,用磨擦了兩根覆蓋著野兔皮毛的接地管。 愛德華·奈恩(Edward Nairne)於1787年研發出了一種用於醫療目的的靜電發生器,該發生器具有產生正電或負電的能力,其中第一種是從帶有集塵點的主導體中收集的,第二種是從帶有摩擦墊的另一根主導體中收集的。 溫特機[需要澄清]比以前的摩擦機具有更高的效率。

在1830年代,Georg Ohm擁有一台類似於Van Marum機器的機器進行研究(現在在德國慕尼黑的德意志博物館中使用)。  1840年,伍德沃德機器是通過改進1768拉姆斯登機器而開發的,將原導體放置在磁盤上方。 同樣在1840年,阿姆斯特朗(Armstrong)水力發電機得到了發展,它使用蒸汽作為電荷載體。

摩擦操作

表面電荷不平衡的存在意味著物體將表現出吸引力或排斥力。 通過摩擦兩個不同的表面,然後由於摩擦電效應的現象將它們分開,可以產生導致靜電的表面電荷不平衡。 摩擦兩個非導電物體會產生大量靜電。 這不是摩擦的結果; 只需將兩個非導電錶面中的一個放置在另一個表面上,即可對其充電。 由於大多數表面都具有粗糙的紋理,因此通過接觸獲得充電要比通過摩擦花費更多的時間。 一起摩擦物體會增加兩個表面之間的粘合劑接觸量。 通常,絕緣體,例如不導電的物質,既能產生表面電荷,又能保持表面電荷。 這些物質的一些示例是橡膠,塑料,玻璃和髓。 接觸的導電物體也會產生電荷不平衡,但僅在絕緣時才保留電荷。 接觸帶電過程中轉移的電荷存儲在每個對象的表面上。 請注意,電流的存在不會降低靜電力,也不會降低火花,電暈放電或其他現象。 兩種現象可以在同一系統中同時存在。

影響機器

歷史記錄

隨著時間的流逝,摩擦機器逐漸被上述第二類工具,即影響機器所取代。 它們通過靜電感應進行操作,並藉助少量的初始電荷將機械功轉換為靜電能,該電荷不斷地被補充和增強。 影響機器的第一個建議似乎源自伏打(Volta)電泳的發明。 電泳是單板電容器,用於通過靜電感應過程產生不平衡的電荷。

下一步是金箔電鏡的發明者亞伯拉罕·貝內特(Abraham Bennet)將“電的倍增器”(Phil。Trans。,1787年)描述為類似於電泳的設備,但可以通過以下方式放大少量電荷: 重複使用三個絕緣板進行手動操作,以使其在驗電器中可觀察到。  Erasmus Darwin,W.Wilson,G.C.Bohnenberger和(後來,1841年)J.C.E.Péclet開發了Bennet設備的各種改進。 弗朗西斯·羅納茲(Francis Ronalds)在1816年實現了發電過程的自動化,方法是將擺錘作為鍾盤之一,由發條裝置或蒸汽機驅動–他創造了為電報機供電的裝置。[7] [8]  1788年,威廉·尼科爾森(William Nicholson)提出了他的旋轉倍增器,可以將其視為第一台旋轉影響機。 他的儀器被描述為“一種通過旋轉絞車產生兩種狀態的電而不會與地面摩擦或通訊的儀器”。  (Phil。Trans。,1788,p。403)Nicholson隨後描述了一種“旋轉冷凝器”設備,作為一種更好的測量儀器。

其他人,包括T. Cavallo(在1795年開發了使用簡單加法的電荷乘積器“ Cavallo乘法器”),John Read,Charles Bernard Desormes和Jean Nicolas Pierre Hachette進一步開發了多種形式的旋轉倍增器。  1798年,德國科學家兼傳教士Gottlieb Christoph Bohnenberger在書中描述了Bohnenberger機器以及Bennet和Nicholson類型的其他幾種倍增器。 其中最有趣的是《物理年鑑》(Annalen der Physik)(1801年)中的描述。 朱塞佩·貝利(Giuseppe Belli)在1831年開發了一種簡單的對稱倍增器,該倍增器由兩個彎曲的金屬板組成,在兩個金屬板之間使一對絕緣柄上的板旋轉。 這是第一台對稱的衝擊機,兩個端子的結構相同。 該儀器由C. F. Varley進行了多次發明,該專利在1860年獲得了高功率版本的專利,在1868年由Lord Kelvin(“補給者”)和A. D. Moore(“ dirod”)獲得了專利。 開爾文勳爵(Lord Kelvin)還設計了一種組合式影響機和電磁機(通常稱為鼠標磨機),用於與虹吸記錄器相連的墨水帶電;以及水滴靜電發生器(1867年),他稱其為“水滴冷凝器”。  。

霍爾茨機

霍爾茨的影響力機器

在1864年和1880年之間,W。T. B. Holtz建造並描述了許多影響機器,這些機器被認為是當時最先進的技術。 在一種形式中,霍爾茨機器由安裝在水平軸上的玻璃盤組成,該玻璃盤可以通過倍增齒輪與安裝在靠近它的固定盤中的感應板相互作用而以相當大的速度旋轉。  1865年,August J. I. Toepler開發了一種影響機,它由兩個固定在同一軸上並沿相同方向旋轉的圓盤組成。  1868年,Schwedoff機器採用了一種奇怪的結構來增加輸出電流。 同樣在1868年,開發了幾種混合摩擦影響機器,包括Kundt機器和Carré機器。  1866年,開發了Piche機器(或Bertsch機器)。  1869年,H。朱利葉斯·史密斯(H. Julius Smith)獲得了設計用於點燃粉末的便攜式氣密裝置的美國專利。 同樣在1869年,德國Poggendorff對無扇區機器進行了調查。

F. Rossetti,A。Righi和Friedrich Kohlrausch進一步研究了影響機器的作用和效率。  E. E. N. Mascart,A。Roiti和E. Bouchotte還檢查了影響機器的效率和當前生產能力。  1871年,Musaeus對無扇區機器進行了研究。  1872年,Righi的靜電計被開發出來,是Van de Graaff發生器的最早的先驅之一。  1873年,Leyser開發了Leyser機器,這是Holtz機器的變體。  1880年,羅伯特·沃斯(Robert Voss,柏林樂器製造商)設計了一種機器形式,他聲稱將托普勒和霍爾茲的原理結合在一起。 相同的結構也稱為Toepler-Holtz機。

溫斯赫斯特機

小型Wimshurst機

1878年,英國發明家詹姆斯·威姆斯赫斯特(James Wimshurst)開始研究靜電發生器,以具有多個磁盤的強大版本改進了霍爾茨機。 經典的Wimshurst機器成為影響機器的最流行形式,在1883年之前已向科學界報告,儘管Holtz和Musaeus先前曾描述過結構非常相似的機器。  1885年,有史以來最大的Wimshurst機器之一在英格蘭建造(現在在芝加哥科學與工業博物館)。  Wimshurst機器是相當簡單的機器。 它與所有影響機器一樣,都具有靜電電荷感應功能,這意味著它甚至使用最少量的現有電荷來產生和累積更多電荷,並且只要機器處於運行狀態,便會重複此過程。  Wimshurst機器由以下部分組成:兩個絕緣盤,分別連接到反向旋轉的皮帶輪上,這些盤的朝外側面具有較小的導電(通常為金屬)板; 兩個用作電荷穩定器的雙頭電刷,它們也是發生感應的地方,從而產生了要收集的新電荷; 兩對收集梳子,顧名思義,是機器產生的電荷的收集器; 兩個萊頓罐,分別是機器的電容器; 一對電極,用於在電荷充分積累後進行電荷轉移。  Wimshurst機器的簡單結構和組件使其成為自製靜電實驗或演示的常用選擇,如前所述,這些特徵是促成其普及的因素。[9]

1887年,Weinhold對Leyser機器進行了改進,使用了垂直金屬棒電感器系統,木製圓柱體靠近圓盤,從而避免了極性反轉。  M. L. Lebiez描述了Lebiez機器,該機器本質上是簡化的Voss機器(L'Électricien,1895年4月,第225-227頁)。  1893年,博內蒂(Bonetti)申請了一種具有Wimshurst機器結構的機器的專利,該機器的磁盤中沒有金屬扇區。[10] [11] 該機器比扇形版本強大得多,但是通常必須從外部施加電荷才能啟動。

皮江機器

1898年,W。R. Pidgeon通過獨特的設置研發了Pidgeon機器。 那年的10月28日,Pidgeon在對影響力機器進行了數年的調查之後(從本世紀初開始),將這台機器介紹給了物理學會。 該設備後來在《哲學雜誌》(1898年12月,第564頁)和《電氣評論》(第XLV卷,第748頁)中進行了報導。  Pidgeon機器具有固定的電感器,其佈置方式可以提高靜電感應效果(並且其電輸出至少是此類典型機器的兩倍(除非過分加重))。  Pidgeon機器的基本特徵是,其一,旋轉支架和用於感應電荷的固定支架的組合,其二,改善了機器所有部件(但更特別是發電機托架)的絕緣性。  Pidgeon機器是Wimshurst機器和Voss機器的組合,具有適合減少電荷洩漏量的特殊功能。 與同類最佳機器相比,Pidgeon機器更容易使自己興奮。 此外,Pidgeon還研究了具有封閉扇區的更高電流的“三重”截面機器(或“帶有單個中央磁盤的雙重機器”)(並獲得了此類機器的英國專利22517(1899年)專利)。

大約在20世紀初,多盤機器和“三重”靜電機器(帶有三個磁盤的發電機)也得到了廣泛的發展。  1900年,塔德斯伯里(F. Tudsbury)發現,將發生器封閉在裝有壓縮空氣或更佳的二氧化碳的金屬室中,由於壓縮氣體的擊穿電壓增加,因此壓縮氣體的絕緣性能可大大提高其效果。 氣體,並減少跨板和絕緣支架的洩漏。  1903年,阿爾弗雷德·威森(Alfred Wehrsen)申請了一種硬質合金旋轉磁盤專利,該磁盤具有嵌入的扇區,在磁盤表面具有按鈕觸點。  1907年,海因里希·沃默斯多夫(Heinrich Wommelsdorf)報告了使用該磁盤和嵌在賽璐oid板中的電感器製成的霍爾茨電機的一種變型(DE154175;“維森電機”)。 沃默斯多夫還開發了幾種高性能靜電發生器,其中最著名的就是他的“冷凝器機器”(1920)。 這些是單磁盤計算機,使用的磁盤具有在邊緣訪問的嵌入式扇區。

現代靜電發生器

從19世紀末開始,靜電發生器在物質結構研究中起著重要作用。 到1920年代,很明顯,需要能夠產生更高電壓的機器。

范德格拉夫

Van de Graaff發生器是美國物理學家Robert J. Van de Graaff於1929年在麻省理工學院發明的,它是一種粒子加速器。[12] 第一個模型在1929年10月進行了演示。在Van de Graaff機器中,絕緣帶將電荷傳輸到絕緣的中空金屬高壓端子的內部,然後通過金屬點的“梳”將電荷轉移到端子上。 該設計的優點在於,由於端子內部沒有電場,因此無論端子上的電壓有多高,皮帶上的電荷都可以繼續釋放到端子上。 因此,對機器上電壓的唯一限制是端子附近的空氣電離。 當端子處的電場超過空氣的介電強度(每厘米約30 kV)時,就會發生這種情況。 由於在尖銳的尖端和邊緣會產生最高的電場,因此端子應製成光滑的空心球體形式。 直徑越大,獲得的電壓越高。 第一台機器使用在一家五角錢商店購買的緞帶作為電荷輸送帶。 在1931年的專利公開中描述了一種能夠產生1,000,000伏特的電壓。

范德格拉夫(Van de Graaff)發電機是成功的粒子加速器,產生最高能量,直到1930年代末迴旋加速器取代它為止。 由於空氣擊穿,露天Van de Graaff機器上的電壓被限制在幾百萬伏。 通過將發生器封閉在加壓絕緣氣體罐內,可達到約25兆伏的較高電壓。 這種類型的Van de Graaff粒子促進劑仍在醫學和研究中使用。 還為物理研究發明了其他變體,例如Pelletron,它使用帶有交替絕緣和導電鏈的鏈進行電荷傳輸。

小型Van de Graaff發電機通常在科學博物館和科學教育中用於演示靜電原理。 一種流行的演示是讓人們站在絕緣的支撐物上觸摸高壓端子。 高壓會給人的頭髮充電,使髮束從頭部突出。

EWICON編輯

代爾夫特理工大學電氣工程,數學和計算機科學學院已開發出一種靜電風能轉換器EWICON。 它靠近建築公司Mecanoo。 主要開發人員是Johan Smit和Dhiradj Djairam。 除風外,它沒有運動部件。 它由風驅動,帶走帶電粒子離開其收集器。[13] 設計效率低下。[14]

荷蘭風車

為EWICON開發的技術已在荷蘭風車中重複使用。[15] [16]

邊緣科學與設備

這些生成器有時(在某些情況下不適當且存在爭議)用於支持各種邊緣科學調查。  1911年,喬治·塞繆爾·皮格特(George Samuel Piggott)獲得了一項緊湊型雙機的專利,該機被封裝在受壓箱中,用於他的有關無線電報和“反重力”的實驗。 後來(在1960年代),德國工程師Paul Suisse Bauman製造了一台名為“ Testatika”的機器,並由瑞士社區Methernithans推廣。  Testatika是基於1898年Pidgeon靜電機器的電磁發電機,據說可以產生直接從環境中獲得的“自由能”。