韋氏靜電感應起電機故障分析及處理

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1、 圖 1 a b c d 圖 2 第 7 卷第 6 期 2005 年 12 月 黃 山 學 院 學 報 J ourna l of Hua ngs ha n Unive rs ity Vol.7, NO.6 Dec.2005 韋氏靜電感應起電機故障分析及處理 闞林生 ( 黃山學院 電子信息工程系, 安徽 黃山 2 4 5 0 2 1 ) 摘 要: 韋氏靜電感應起電機是高校及中學物理靜電實驗中的常用儀器,

2、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起電機的原理, 分析故障原因并給出處理方法。 關鍵詞: 韋氏靜電感應起電機; 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- 447X( 2005) 06- 0029- 03 引言 韋氏靜電感應起電機是目前高校及中學物理靜電實 驗中的常用儀器, 應用十分廣泛。在實驗教學中, 學生對 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。本文根據多年實驗教學及維 修的經驗, 從闡明韋氏靜電感應起電機

3、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、外起電盤的中 和電刷桿。 假定在外盤上的導電箔 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) , 當它旋轉至圖 2( a) 所示位置時, 內盤上由導電箔 B1、B2 組成的導體系統(tǒng)( 箔 1 片 B1、B2 與中和電刷及中和電刷桿相連, 形成一個導電 2 韋氏靜電感應起電機的原理 韋氏靜電感應起電機是利用自激感應作用來起電的 體) 即在 A

4、的電場中, 靜電感應的結果是箔片 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起電機在結構形式 上雖有不同, 但工作原理都是相同的。J2310 型韋氏靜電 感應起電機是使用較為廣泛的一種。其結構如圖 1 所示。 為了便于說明其工作原理, 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 時針方向轉動的起電盤簡稱為內起電盤, 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, 黃山學院電子信息工程系實驗師。

5、 圖 3 方便, 先假設外盤不轉動, 而內盤按順時針方向轉動, 則 經過中和電刷 N1 的導電箔都將帶上負電荷, 經過中和電 刷 N2 的導電箔都將帶正電荷, 當內盤順時針方向轉動半 減弱, 空氣中的帶電粒子濃度減少, 滯留在起電機導 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 的右上半部導電箔均帶負電荷, 在 中和電刷 N1N2 的左下半部導電箔均帶正電荷, 如圖 2( b)

6、 所示。值得注意的是, 當內盤順時針方向轉動 90時, 內盤 上的導電箔 B1、B2 正好經過外盤上的中和電刷 N3、N4, 由 于靜電感應, 使外盤上的與中和電刷 N3 接觸的導電箔帶 上正電荷, 與中和電刷 N4 接觸的導電箔帶上負電荷, 且 與中和電刷 N3、N4 接觸的導電箔上的帶電量是 B1、B2 的 兩倍, 如圖 2( b) 所示。此時如果外盤按逆時針方向轉動, 外盤上便帶上了兩倍于內盤導電箔的電荷, 并且在外盤 轉過半周后, 中和電刷 N3、N4 的左上半部導電箔均帶正 電荷, 右下半部導電箔均帶負電荷, 即中和電刷 N3、N4 的 兩側帶有等量異號電荷, 如圖 2

7、( c) 所示。同理, 外盤上帶 有電荷的導電箔在旋轉經過內盤上的中和電刷時, 又使 內盤上一對導電箔感應出異種電荷, 且電量是外盤上電 荷電量的兩倍, 見圖 2( d) 。如此反復使內、外起電盤上的 電荷成幾何級數增加( 公比為 2) 。 內、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 ( Ⅰ) 、 ( Ⅱ) 、( Ⅲ) 、( Ⅳ) 。在區(qū)域( Ⅱ) 、( Ⅳ) 內起電盤上的導電箔 均帶同號電荷, 在區(qū)域( Ⅰ) 、( Ⅲ) 內起電盤上的導電箔均 帶異號電荷, 如圖 2( d) 。因而放置在( Ⅱ) 、(

8、Ⅳ) 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體, 在區(qū)域( Ⅱ) 當導電箔轉過 E1 時, 因靜電感應使 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( Ⅳ) 當導電箔轉過 E2 時, 因靜電感應使 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, 使經過集電梳 E1、E2 的導電箔便不再帶有 電荷( 恢復到電中性) , 見圖 3。而區(qū)域( Ⅰ) 、( Ⅲ) 的導電 箔仍然帶電。這些電荷又將成為新的感應電荷源, 使恢復 中性的導電箔再經過中和電刷 N3、N4 時

9、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, 應用日曬或用干綢布擦拭。搬動時 用手接觸其金屬部分, 以免造成漏電。不用時, 應用 罩罩好。二、用他激的方法使起電

10、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電箔接觸( 可反復多次) , 導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) 將感應圈的輸出端與 機的放電球連接, 打開感應圈并同時旋轉起電機, 放 便迅速放電, 斷開感應圈, 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, 影響起電。 起電機在使用過程中因使用不當也可能造成起 不

11、起電。例如: ( 1) 起電機使用完畢后, 應將兩個放電 觸, 以使正負電荷中和。但值得注意的是, 兩個放電 觸后, 就不能再轉動手柄了。否則起電機兩起電盤上 導電箔上的正負電荷便完全中和, 導電箔上便沒有 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 因韋氏靜電感應起電機是一種自激式靜電感應起電 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, 對起電機能否正常起

12、電十分關鍵。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 30 3.1 ( 2) 旋轉方向錯誤, 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動手柄, 如圖 3 所示, 上的導電箔 A 上的電荷能使內盤上的導電箔 B1、B2 帶電, 但繼續(xù)逆轉下去時, 帶電的導電箔都將首先經 平集電梳位置, 把導電箔上的電荷放掉。當轉到與對

13、 圖 4 刷桿相對的位置時 ( N3、N4 的位置) , B1、B2 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 應作用, 起電機也就不能起電。 ( 3) 起電機使用時搖轉應由慢到快, 并且不宜過快, 過快了會影響中和電刷與導電箔接觸, 因此有時很快搖 轉時起電機反而不能起電。使用時應順時針搖動手柄, 先 緩慢轉動一、二圈, 無異?，F(xiàn)象后逐步加快至正常轉速 ( 約 1S- 1, 即每秒 1 轉) 。 ( 4) 起電機使用一段時間后便應對起電盤進行清洗, 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

14、不能起電。這是因為導電箔和中和電刷摩擦 出現(xiàn)的金屬粉未, 散落在起電盤上, 影響了導電箔與導電 箔之間的絕緣。J2310 型韋氏靜電感應起電機的導電箔是 用噴涂的導電物質粉未制成, 摩擦后極易脫落, 每使用一 次都應清洗, 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。這時應檢查萊頓 瓶內的導電箔與金屬桿接觸是否良好, 導電連桿是否接 通。起電機的萊頓瓶實質上是兩只電容器, 瓶內放有一些 散碎的金屬箔, 金屬箔作為內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電連桿彼此相通。 (

15、萊頓瓶和放電球構成的放電回路如圖 4 所示) 。當導電 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, 這是萊頓瓶總 電容量增加所至。如果導電連桿向外拉開( 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 為當導電連桿斷開時, 相當于在 C1、C2 間串聯(lián)了一個空氣 介質的電容器, 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)的總電容量比導桿接通時要 小, 根據公式 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

16、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。 中和電刷和導電箔接觸不好是導致起電機不能起 3.3.1 電的重要原因之一。從前面分析可知, 隨著起電盤的旋 轉, 中和電刷將感應在導電箔上的異種電荷分離出來, 使 導電箔上的電荷成為凈電荷。一旦中和電刷與導電箔接 觸不好, 導電箔上的感應電荷便無法分離, 這時導電箔上 的總電量雖不為零, 但無凈電荷存在, 當導電箔經過集電 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

17、距離過大, 調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 Φ=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) 。 3.3.2 當中和電刷位置裝反時, 起電機也不能起電。內外 盤上的中和電刷位置應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( Ⅱ) 、( Ⅳ) 內起電 盤上的導電箔帶同號電荷, 在區(qū)域( Ⅰ) 、( Ⅲ) 內起電盤上 的導電箔帶異號電荷( 如圖 3) , 如果中 和 電 刷 位 置

18、 裝反 ( 置于( Ⅰ) 、( Ⅲ) 區(qū)域內) , 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 起電機導電箔是靜電感應起電機的關鍵部件, 其 材料的好壞直接影響起電機的性能, 目前, 市場上銷售的 起電機的導電箔大致分為兩類: 一類是用鋁箔粘接在起 電盤上( 如 J10031 型) , 另一類是用導電物質涂敷在起電 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, 且大量散落的導電物 質粉未易污染起電盤。靜電感應起電機導電箔損壞時, 可 用以下幾種方法更換: ( 1) 用導電紙

19、( 香煙盒內錫箔紙) 替 代鋁箔, 也可用鋁箔和導電紙間隔粘接。( 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練[ M] . 北京: 高 等 教育出版社, 1989. [ 2] 張寶銘. 靜電防護技術手冊[ M] . 北京: 電子工業(yè)出 版 社, 2005. The tr ouble causes analyzing and dealing of Wimshur st electr ical machine Kan lingsheng Abstr act : Wimshurst electrical machi

20、ne 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