韋氏靜電感應(yīng)起電機故障分析及處理

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1、圖 1abcd圖 2第 7 卷第 6 期2005 年 12 月黃 山 學(xué) 院 學(xué) 報J ourna l of Hua ngs ha n Unive rs ityVol.7, NO.6Dec.2005韋氏靜電感應(yīng)起電機故障分析及處理闞林生( 黃山學(xué)院 電子信息工程系, 安徽黃山 2 4 5 0 2 1 )摘 要: 韋氏靜電感應(yīng)起電機是高校及中學(xué)物理靜電實驗中的常用儀器, 實驗中常受諸多因素影響不能起電。本文闡明韋氏靜電感應(yīng)起電機的原理, 分析故障原因并給出處理方法。 關(guān)鍵詞: 韋氏靜電感應(yīng)起電機; 原理; 故障原因; 處理方法中圖分類號: O441.1文獻標識碼: A文章編號: 1672- 44

2、7X( 2005) 06- 0029- 03引言韋氏靜電感應(yīng)起電機是目前高校及中學(xué)物理靜電實 驗中的常用儀器, 應(yīng)用十分廣泛。在實驗教學(xué)中, 學(xué)生對 這種起電機的原理知之甚少, 對常見的故障束手無策; 不 少中學(xué)物理教師對此也頗感困惑, 許多儀器過早報廢, 造 成了浪費, 增高了實驗成本。本文根據(jù)多年實驗教學(xué)及維 修的經(jīng)驗, 從闡明韋氏靜電感應(yīng)起電機的原理出發(fā), 對使 用中常見的故障進行分析, 并給出處理方法。逆時針方向轉(zhuǎn)動起電盤簡稱為外起電盤, 用大圓表示, 各標以箭頭。起電盤上的導(dǎo)電箔被簡化為十二塊, 兩個與水 平方向成 45角, 且相互垂直的桿表示內(nèi)、外起電盤的中 和電刷桿。假定在外盤上

3、的導(dǎo)電箔 A 上帶有少量的正電荷 ( 空 氣中常有帶電的離子附著在箔片上) , 當它旋轉(zhuǎn)至圖 2( a) 所示位置時, 內(nèi)盤上由導(dǎo)電箔 B1、B2 組成的導(dǎo)體系統(tǒng)( 箔1片 B1、B2 與中和電刷及中和電刷桿相連,形成一個導(dǎo)電2韋氏靜電感應(yīng)起電機的原理韋氏靜電感應(yīng)起電機是利用自激感應(yīng)作用來起電的體) 即在 A 的電場中, 靜電感應(yīng)的結(jié)果是箔片 B1 帶負電荷, 箔片 B2 帶正電荷。一旦 B1、B2 與中間的中和電刷桿脫一種儀器,各種型號的韋氏靜電感應(yīng)起電機在結(jié)構(gòu)形式上雖有不同, 但工作原理都是相同的。J2310 型韋氏靜電感應(yīng)起電機是使用較為廣泛的一種。其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。為了便于說明其工

4、作原理, 將起電機的主體起電盤簡化成兩個大小不同的同心圓( 如圖 2 所示) 。把順 時針方向轉(zhuǎn)動的起電盤簡稱為內(nèi)起電盤, 用小圓表示, 把收稿日期: 2005- 09- 17作者簡介: 闞林生( 1955- ) , 安徽肥東人, 黃山學(xué)院電子信息工程系實驗師。圖 3方便, 先假設(shè)外盤不轉(zhuǎn)動, 而內(nèi)盤按順時針方向轉(zhuǎn)動, 則經(jīng)過中和電刷 N1 的導(dǎo)電箔都將帶上負電荷, 經(jīng)過中和電 刷 N2 的導(dǎo)電箔都將帶正電荷, 當內(nèi)盤順時針方向轉(zhuǎn)動半減弱, 空氣中的帶電粒子濃度減少, 滯留在起電機導(dǎo)上的帶電粒子也大大減少, 即起電機施感電荷減少, 能正常起電。其二、陰雨天氣, 空氣濕度大, 大量水氣 著在起電

5、機金屬表面, 使儀器絕緣性能大大降低, 造周后,在中和電 N1N2 的右上半部導(dǎo)電箔均帶負電荷, 在中和電刷 N1N2 的左下半部導(dǎo)電箔均帶正電荷, 如圖 2( b)所示。值得注意的是, 當內(nèi)盤順時針方向轉(zhuǎn)動 90時, 內(nèi)盤 上的導(dǎo)電箔 B1、B2 正好經(jīng)過外盤上的中和電刷 N3、N4, 由 于靜電感應(yīng), 使外盤上的與中和電刷 N3 接觸的導(dǎo)電箔帶 上正電荷, 與中和電刷 N4 接觸的導(dǎo)電箔帶上負電荷, 且 與中和電刷 N3、N4 接觸的導(dǎo)電箔上的帶電量是 B1、B2 的 兩倍, 如圖 2( b) 所示。此時如果外盤按逆時針方向轉(zhuǎn)動,外盤上便帶上了兩倍于內(nèi)盤導(dǎo)電箔的電荷, 并且在外盤轉(zhuǎn)過半周后

6、, 中和電刷 N3、N4 的左上半部導(dǎo)電箔均帶正 電荷, 右下半部導(dǎo)電箔均帶負電荷, 即中和電刷 N3、N4 的 兩側(cè)帶有等量異號電荷, 如圖 2( c) 所示。同理, 外盤上帶 有電荷的導(dǎo)電箔在旋轉(zhuǎn)經(jīng)過內(nèi)盤上的中和電刷時, 又使 內(nèi)盤上一對導(dǎo)電箔感應(yīng)出異種電荷, 且電量是外盤上電 荷電量的兩倍, 見圖 2( d) 。如此反復(fù)使內(nèi)、外起電盤上的 電荷成幾何級數(shù)增加( 公比為 2) 。內(nèi)、外盤上兩個與水平方向成 45角, 且相互垂直的 兩 個 中 和 電 刷 及 其 連 桿 將 起 電 盤 分 成 4 個 區(qū) 域 ( ) 、 ( ) 、( ) 、( ) 。在區(qū)域( ) 、( ) 內(nèi)起電盤上的導(dǎo)電

7、箔 均帶同號電荷, 在區(qū)域( ) 、( ) 內(nèi)起電盤上的導(dǎo)電箔均 帶異號電荷, 如圖 2( d) 。因而放置在( ) 、( ) 區(qū)域的集電梳便可收集到等量異號電荷。由于集電梳 E1、E2 是由若干個金屬制作的尖端導(dǎo)體, 在區(qū)域( ) 當導(dǎo)電箔轉(zhuǎn)過 E1 時, 因靜電感應(yīng)使 E1 的尖端 帶正電荷, 使萊頓瓶和放電球 T1 積聚了負電荷, 同理在 區(qū)域( ) 當導(dǎo)電箔轉(zhuǎn)過 E2 時, 因靜電感應(yīng)使 E2 的尖端帶 負電荷, 使萊頓瓶和放電球 T2 積聚了正電荷。同時, 由于 尖端放電作用, 使經(jīng)過集電梳 E1、E2 的導(dǎo)電箔便不再帶有 電荷( 恢復(fù)到電中性) , 見圖 3。而區(qū)域( ) 、( )

8、 的導(dǎo)電 箔仍然帶電。這些電荷又將成為新的感應(yīng)電荷源, 使恢復(fù) 中性的導(dǎo)電箔再經(jīng)過中和電刷 N3、N4 時又 重新 帶 電 , 且 電量倍增。隨電量的增加, 兩放電球間電勢差加大, 直到 空氣被擊穿出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象。重的漏電現(xiàn)象, 起電機導(dǎo)電箔上剩余電荷因漏電而消施感電荷減少, 起電機不能正常起電。若前節(jié)課室內(nèi)使用過酒精燈或瓦斯燈, 致使室 大量的二氧化碳存在, 同樣會使儀器絕緣性能下降, 嚴重漏電現(xiàn)象, 起電機也不能正常起電。解決起電機因施感電荷過少, 而不能正常起電 法有: 一 、保 持 儀 器 表 面 的清 潔 、干 燥 , 使 其 有 良 好 緣。儀器受潮后, 應(yīng)用日曬或用干綢布擦拭。

9、搬動時 用手接觸其金屬部分, 以免造成漏電。不用時, 應(yīng)用 罩罩好。二、用他激的方法使起電機迅速起電。即人給起電機輸入施感電荷, 具體做法是: ( 1) 用摩擦過 木棒或玻璃棒與起電機導(dǎo)電箔接觸( 可反復(fù)多次) ,導(dǎo)電箔帶足量的施感電荷; ( 2) 在實驗室中選擇一臺電的起電機,使其放電球向外指向不能起電的起電放電球, 然后同時搖動這兩臺起電機, 使起電機上的箔帶電, 起電機即可起電。( 3) 將感應(yīng)圈的輸出端與 機的放電球連接, 打開感應(yīng)圈并同時旋轉(zhuǎn)起電機, 放 便迅速放電, 斷開感應(yīng)圈, 起電機便能正常起電。( 4) 壓靜電起電機拖動靜電起電機, 方法同( 3) 。3.2 使用不當, 影響

10、起電。起電機在使用過程中因使用不當也可能造成起不起電。例如: ( 1) 起電機使用完畢后, 應(yīng)將兩個放電 觸, 以使正負電荷中和。但值得注意的是, 兩個放電 觸后, 就不能再轉(zhuǎn)動手柄了。否則起電機兩起電盤上導(dǎo)電箔上的正負電荷便完全中和,導(dǎo)電箔上便沒有余電荷, 這時要使起電機再次起電, 又得用“他激”的讓它重新帶電。故障分析及處理韋氏靜電感應(yīng)起電機的故障主要表現(xiàn)在: 一是不起 電; 二是可以起電但電量很小。原因可從以下幾個方面分 析:3環(huán)境因素造成施感電荷過少, 影響起電因韋氏靜電感應(yīng)起電機是一種自激式靜電感應(yīng)起電 機, 起電前必須具有一定量的施感電荷, 而這種施感電荷的有無和多少, 對起電機能

11、否正常起電十分關(guān)鍵。施感電荷的來源, 一是空氣中的微量帶電粒子, 二是起電機導(dǎo)電 箔上殘存的剩余電荷。陰雨天氣, 空氣比較潮濕時 ( 相 對 濕 度85% ) 起 電 機起電就比較困難, 有時甚至根本不起電。究其原因有以303.1( 2) 旋轉(zhuǎn)方向錯誤, 使用靜電起電機只能按順時向搖動手柄, 否則不能起電。這是因為在電刷方位不 情況下, 如果按逆時針方向轉(zhuǎn)動手柄, 如圖 3 所示,上的導(dǎo)電箔 A 上的電荷能使內(nèi)盤上的導(dǎo)電箔 B1、B2帶電, 但繼續(xù)逆轉(zhuǎn)下去時, 帶電的導(dǎo)電箔都將首先經(jīng)平集電梳位置, 把導(dǎo)電箔上的電荷放掉。當轉(zhuǎn)到與對圖 4刷桿相對的位置時( N3、N4 的位置) , B1、B2

12、已不能再施感當起電機前面各項檢查均正常,但實驗時放電效3.3.3應(yīng)作用, 起電機也就不能起電。( 3) 起電機使用時搖轉(zhuǎn)應(yīng)由慢到快, 并且不宜過快, 過快了會影響中和電刷與導(dǎo)電箔接觸, 因此有時很快搖 轉(zhuǎn)時起電機反而不能起電。使用時應(yīng)順時針搖動手柄, 先 緩慢轉(zhuǎn)動一、二圈, 無異?，F(xiàn)象后逐步加快至正常轉(zhuǎn)速 ( 約 1S- 1, 即每秒 1 轉(zhuǎn)) 。( 4) 起電機使用一段時間后便應(yīng)對起電盤進行清洗,長期使用后不清洗起電盤的起電機的起電性能將大大下降, 有的甚至不能起電。這是因為導(dǎo)電箔和中和電刷摩擦 出現(xiàn)的金屬粉未, 散落在起電盤上, 影響了導(dǎo)電箔與導(dǎo)電 箔之間的絕緣。J2310 型韋氏靜電感應(yīng)

13、起電機的導(dǎo)電箔是 用噴涂的導(dǎo)電物質(zhì)粉未制成, 摩擦后極易脫落, 每使用一 次都應(yīng)清洗, 清洗起電盤可以大大改善起電機的起電性 能。3.3 部件磨損松動, 降低起電性能。果仍不明顯, 表現(xiàn)為放電火花短、細、暗。這時應(yīng)檢查萊頓瓶內(nèi)的導(dǎo)電箔與金屬桿接觸是否良好, 導(dǎo)電連桿是否接 通。起電機的萊頓瓶實質(zhì)上是兩只電容器, 瓶內(nèi)放有一些 散碎的金屬箔, 金屬箔作為內(nèi)部電極通過金屬桿與左右電梳相連, 外壁電極通過底板上的導(dǎo)電連桿彼此相通。( 萊頓瓶和放電球構(gòu)成的放電回路如圖 4 所示) 。當導(dǎo)電 連桿把萊頓瓶的外壁電極接通時( K 閉合) , 得到的放電 火花較明亮, 且兩次放電間隔的時間加長, 這是萊頓瓶

14、總 電容量增加所至。如果導(dǎo)電連桿向外拉開( K 斷開) , 得到 的放電火花就較小, 且兩次放電間隔的時間縮短。這是因 為當導(dǎo)電連桿斷開時, 相當于在 C1、C2 間串聯(lián)了一個空氣 介質(zhì)的電容器, 其電容量很小, 與兩個萊頓瓶組成了三個 電容器串聯(lián)的電路, 整個系統(tǒng)的總電容量比導(dǎo)桿接通時要 小, 根據(jù)公式 Q=CU 可知, 達到一定的空氣擊穿電壓所需 的電荷量要小, 因此放電的周期縮短, 放電的強度減弱。儀器在使用或搬動過程中,使某些部位或零件發(fā)生磨損或松動也可能造成起電機不起電或可以起電但電量過小。中和電刷和導(dǎo)電箔接觸不好是導(dǎo)致起電機不能起3.3.1電的重要原因之一。從前面分析可知,隨著起電

15、盤的旋轉(zhuǎn), 中和電刷將感應(yīng)在導(dǎo)電箔上的異種電荷分離出來, 使導(dǎo)電箔上的電荷成為凈電荷。一旦中和電刷與導(dǎo)電箔接 觸不好, 導(dǎo)電箔上的感應(yīng)電荷便無法分離, 這時導(dǎo)電箔上 的總電量雖不為零, 但無凈電荷存在, 當導(dǎo)電箔經(jīng)過集電 梳時, 集電梳便無法收集到電荷, 起電機自然也就不能起 電。因此使用起電機前應(yīng)首先檢查中和電刷接觸是否良好, 造成接觸不好的原因有: ( 1) 中和電刷與起電盤之間 距離過大, 調(diào)整間距使之接觸良好即可; ( 2) 中和電刷磨損, 更換中和電刷, 使中和電刷與起電盤保持良好的彈性接觸( 可用 =0.25 漆包線替代, 使用時必須用零號 沙 紙將漆包線的絕緣層打磨掉) 。3.3

16、.2 當中和電刷位置裝反時, 起電機也不能起電。內(nèi)外 盤上的中和電刷位置應(yīng)斜于左上方和右下方和垂直線約成 45角, 電刷桿互成直角。如前所述, 相互垂直的兩個中 和電刷將起電盤分成 4 個區(qū)域, 在區(qū)域( ) 、( ) 內(nèi)起電 盤上的導(dǎo)電箔帶同號電荷, 在區(qū)域( ) 、( ) 內(nèi)起電盤上 的導(dǎo)電箔帶異號電荷( 如圖 3) , 如果中 和 電 刷 位 置 裝反 ( 置于( ) 、( ) 區(qū)域內(nèi)) , 集電梳 E1、E2 不能收集到等量異號電荷, 起電機也就不能起電。3.3.4起電機導(dǎo)電箔是靜電感應(yīng)起電機的關(guān)鍵部件, 其材料的好壞直接影響起電機的性能, 目前, 市場上銷售的起電機的導(dǎo)電箔大致分為兩

17、類:一類是用鋁箔粘接在起電盤上( 如 J10031 型) , 另一類是用導(dǎo)電物質(zhì)涂敷在起電盤上( 如 J2310 型) , 前者耐摩擦, 使用壽命長; 后者, 耐濕 性較好, 但不耐摩擦, 使用壽命短, 且大量散落的導(dǎo)電物 質(zhì)粉未易污染起電盤。靜電感應(yīng)起電機導(dǎo)電箔損壞時, 可用以下幾種方法更換: ( 1) 用導(dǎo)電紙( 香煙盒內(nèi)錫箔紙) 替 代鋁箔, 也可用鋁箔和導(dǎo)電紙間隔粘接。( 2) 直接涂以銀 粉漆( 對 J2310 型方便適用) 。參考文獻: 1 劉炳昇. 初中物理教師實驗技能訓(xùn)練 M . 北京: 高 等 教育出版社, 1989. 2 張寶銘. 靜電防護技術(shù)手冊 M . 北京: 電子工業(yè)

18、出 版 社, 2005.The tr ouble causes analyzing and dealing of Wimshur st electr ical machineKan lingshengAbstr act : Wimshurst electrical machine is a commonly equipment in electrostatic induction experiment on physics among college and middle school. It can t generate electric power due to many factors. It s working principle will be illustrated here. And analyses of trouble causes and solving methods will be introduced at the same time.Key wor ds: Wimshurst electrical machine, principle, trouble cause, solving method