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1、图 1abcd图 2第 7 卷第 6 期2005 年 12 月黄 山 学 院 学 报J ourna l of Hua ngs ha n Unive rs ityVol.7, NO.6Dec.2005韦氏静电感应起电机故障分析及处理阚林生( 黄山学院 电子信息工程系, 安徽黄山 2 4 5 0 2 1 )摘 要: 韦氏静电感应起电机是高校及中学物理静电实验中的常用仪器, 实验中常受诸多因素影响不能起电。本文阐明韦氏静电感应起电机的原理, 分析故障原因并给出处理方法。 关键词: 韦氏静电感应起电机; 原理; 故障原因; 处理方法中图分类号: O441.1文献标识码: A文章编号: 1672- 44
2、7X( 2005) 06- 0029- 03引言韦氏静电感应起电机是目前高校及中学物理静电实 验中的常用仪器, 应用十分广泛。在实验教学中, 学生对 这种起电机的原理知之甚少, 对常见的故障束手无策; 不 少中学物理教师对此也颇感困惑, 许多仪器过早报废, 造 成了浪费, 增高了实验成本。本文根据多年实验教学及维 修的经验, 从阐明韦氏静电感应起电机的原理出发, 对使 用中常见的故障进行分析, 并给出处理方法。逆时针方向转动起电盘简称为外起电盘, 用大圆表示, 各标以箭头。起电盘上的导电箔被简化为十二块, 两个与水 平方向成 45角, 且相互垂直的杆表示内、外起电盘的中 和电刷杆。假定在外盘上
3、的导电箔 A 上带有少量的正电荷 ( 空 气中常有带电的离子附着在箔片上) , 当它旋转至图 2( a) 所示位置时, 内盘上由导电箔 B1、B2 组成的导体系统( 箔1片 B1、B2 与中和电刷及中和电刷杆相连,形成一个导电2韦氏静电感应起电机的原理韦氏静电感应起电机是利用自激感应作用来起电的体) 即在 A 的电场中, 静电感应的结果是箔片 B1 带负电荷, 箔片 B2 带正电荷。一旦 B1、B2 与中间的中和电刷杆脱一种仪器,各种型号的韦氏静电感应起电机在结构形式上虽有不同, 但工作原理都是相同的。J2310 型韦氏静电感应起电机是使用较为广泛的一种。其结构如图 1 所示。为了便于说明其工
4、作原理, 将起电机的主体起电盘简化成两个大小不同的同心圆( 如图 2 所示) 。把顺 时针方向转动的起电盘简称为内起电盘, 用小圆表示, 把收稿日期: 2005- 09- 17作者简介: 阚林生( 1955- ) , 安徽肥东人, 黄山学院电子信息工程系实验师。图 3方便, 先假设外盘不转动, 而内盘按顺时针方向转动, 则经过中和电刷 N1 的导电箔都将带上负电荷, 经过中和电 刷 N2 的导电箔都将带正电荷, 当内盘顺时针方向转动半减弱, 空气中的带电粒子浓度减少, 滞留在起电机导上的带电粒子也大大减少, 即起电机施感电荷减少, 能正常起电。其二、阴雨天气, 空气湿度大, 大量水气 着在起电
5、机金属表面, 使仪器绝缘性能大大降低, 造周后,在中和电 N1N2 的右上半部导电箔均带负电荷, 在中和电刷 N1N2 的左下半部导电箔均带正电荷, 如图 2( b)所示。值得注意的是, 当内盘顺时针方向转动 90时, 内盘 上的导电箔 B1、B2 正好经过外盘上的中和电刷 N3、N4, 由 于静电感应, 使外盘上的与中和电刷 N3 接触的导电箔带 上正电荷, 与中和电刷 N4 接触的导电箔带上负电荷, 且 与中和电刷 N3、N4 接触的导电箔上的带电量是 B1、B2 的 两倍, 如图 2( b) 所示。此时如果外盘按逆时针方向转动,外盘上便带上了两倍于内盘导电箔的电荷, 并且在外盘转过半周后
6、, 中和电刷 N3、N4 的左上半部导电箔均带正 电荷, 右下半部导电箔均带负电荷, 即中和电刷 N3、N4 的 两侧带有等量异号电荷, 如图 2( c) 所示。同理, 外盘上带 有电荷的导电箔在旋转经过内盘上的中和电刷时, 又使 内盘上一对导电箔感应出异种电荷, 且电量是外盘上电 荷电量的两倍, 见图 2( d) 。如此反复使内、外起电盘上的 电荷成几何级数增加( 公比为 2) 。内、外盘上两个与水平方向成 45角, 且相互垂直的 两 个 中 和 电 刷 及 其 连 杆 将 起 电 盘 分 成 4 个 区 域 ( ) 、 ( ) 、( ) 、( ) 。在区域( ) 、( ) 内起电盘上的导电
7、箔 均带同号电荷, 在区域( ) 、( ) 内起电盘上的导电箔均 带异号电荷, 如图 2( d) 。因而放置在( ) 、( ) 区域的集电梳便可收集到等量异号电荷。由于集电梳 E1、E2 是由若干个金属制作的尖端导体, 在区域( ) 当导电箔转过 E1 时, 因静电感应使 E1 的尖端 带正电荷, 使莱顿瓶和放电球 T1 积聚了负电荷, 同理在 区域( ) 当导电箔转过 E2 时, 因静电感应使 E2 的尖端带 负电荷, 使莱顿瓶和放电球 T2 积聚了正电荷。同时, 由于 尖端放电作用, 使经过集电梳 E1、E2 的导电箔便不再带有 电荷( 恢复到电中性) , 见图 3。而区域( ) 、( )
8、 的导电 箔仍然带电。这些电荷又将成为新的感应电荷源, 使恢复 中性的导电箔再经过中和电刷 N3、N4 时又 重新 带 电 , 且 电量倍增。随电量的增加, 两放电球间电势差加大, 直到 空气被击穿出现火花放电现象。重的漏电现象, 起电机导电箔上剩余电荷因漏电而消施感电荷减少, 起电机不能正常起电。若前节课室内使用过酒精灯或瓦斯灯, 致使室 大量的二氧化碳存在, 同样会使仪器绝缘性能下降, 严重漏电现象, 起电机也不能正常起电。解决起电机因施感电荷过少, 而不能正常起电 法有: 一 、保 持 仪 器 表 面 的清 洁 、干 燥 , 使 其 有 良 好 缘。仪器受潮后, 应用日晒或用干绸布擦拭。
9、搬动时 用手接触其金属部分, 以免造成漏电。不用时, 应用 罩罩好。二、用他激的方法使起电机迅速起电。即人给起电机输入施感电荷, 具体做法是: ( 1) 用摩擦过 木棒或玻璃棒与起电机导电箔接触( 可反复多次) ,导电箔带足量的施感电荷; ( 2) 在实验室中选择一台电的起电机,使其放电球向外指向不能起电的起电放电球, 然后同时摇动这两台起电机, 使起电机上的箔带电, 起电机即可起电。( 3) 将感应圈的输出端与 机的放电球连接, 打开感应圈并同时旋转起电机, 放 便迅速放电, 断开感应圈, 起电机便能正常起电。( 4) 压静电起电机拖动静电起电机, 方法同( 3) 。3.2 使用不当, 影响
10、起电。起电机在使用过程中因使用不当也可能造成起不起电。例如: ( 1) 起电机使用完毕后, 应将两个放电 触, 以使正负电荷中和。但值得注意的是, 两个放电 触后, 就不能再转动手柄了。否则起电机两起电盘上导电箔上的正负电荷便完全中和,导电箔上便没有余电荷, 这时要使起电机再次起电, 又得用“他激”的让它重新带电。故障分析及处理韦氏静电感应起电机的故障主要表现在: 一是不起 电; 二是可以起电但电量很小。原因可从以下几个方面分 析:3环境因素造成施感电荷过少, 影响起电因韦氏静电感应起电机是一种自激式静电感应起电 机, 起电前必须具有一定量的施感电荷, 而这种施感电荷的有无和多少, 对起电机能
11、否正常起电十分关键。施感电荷的来源, 一是空气中的微量带电粒子, 二是起电机导电 箔上残存的剩余电荷。阴雨天气, 空气比较潮湿时 ( 相 对 湿 度85% ) 起 电 机起电就比较困难, 有时甚至根本不起电。究其原因有以303.1( 2) 旋转方向错误, 使用静电起电机只能按顺时向摇动手柄, 否则不能起电。这是因为在电刷方位不 情况下, 如果按逆时针方向转动手柄, 如图 3 所示,上的导电箔 A 上的电荷能使内盘上的导电箔 B1、B2带电, 但继续逆转下去时, 带电的导电箔都将首先经平集电梳位置, 把导电箔上的电荷放掉。当转到与对图 4刷杆相对的位置时( N3、N4 的位置) , B1、B2
12、已不能再施感当起电机前面各项检查均正常,但实验时放电效3.3.3应作用, 起电机也就不能起电。( 3) 起电机使用时摇转应由慢到快, 并且不宜过快, 过快了会影响中和电刷与导电箔接触, 因此有时很快摇 转时起电机反而不能起电。使用时应顺时针摇动手柄, 先 缓慢转动一、二圈, 无异常现象后逐步加快至正常转速 ( 约 1S- 1, 即每秒 1 转) 。( 4) 起电机使用一段时间后便应对起电盘进行清洗,长期使用后不清洗起电盘的起电机的起电性能将大大下降, 有的甚至不能起电。这是因为导电箔和中和电刷摩擦 出现的金属粉未, 散落在起电盘上, 影响了导电箔与导电 箔之间的绝缘。J2310 型韦氏静电感应
13、起电机的导电箔是 用喷涂的导电物质粉未制成, 摩擦后极易脱落, 每使用一 次都应清洗, 清洗起电盘可以大大改善起电机的起电性 能。3.3 部件磨损松动, 降低起电性能。果仍不明显, 表现为放电火花短、细、暗。这时应检查莱顿瓶内的导电箔与金属杆接触是否良好, 导电连杆是否接 通。起电机的莱顿瓶实质上是两只电容器, 瓶内放有一些 散碎的金属箔, 金属箔作为内部电极通过金属杆与左右电梳相连, 外壁电极通过底板上的导电连杆彼此相通。( 莱顿瓶和放电球构成的放电回路如图 4 所示) 。当导电 连杆把莱顿瓶的外壁电极接通时( K 闭合) , 得到的放电 火花较明亮, 且两次放电间隔的时间加长, 这是莱顿瓶
14、总 电容量增加所至。如果导电连杆向外拉开( K 断开) , 得到 的放电火花就较小, 且两次放电间隔的时间缩短。这是因 为当导电连杆断开时, 相当于在 C1、C2 间串联了一个空气 介质的电容器, 其电容量很小, 与两个莱顿瓶组成了三个 电容器串联的电路, 整个系统的总电容量比导杆接通时要 小, 根据公式 Q=CU 可知, 达到一定的空气击穿电压所需 的电荷量要小, 因此放电的周期缩短, 放电的强度减弱。仪器在使用或搬动过程中,使某些部位或零件发生磨损或松动也可能造成起电机不起电或可以起电但电量过小。中和电刷和导电箔接触不好是导致起电机不能起3.3.1电的重要原因之一。从前面分析可知,随着起电
15、盘的旋转, 中和电刷将感应在导电箔上的异种电荷分离出来, 使导电箔上的电荷成为净电荷。一旦中和电刷与导电箔接 触不好, 导电箔上的感应电荷便无法分离, 这时导电箔上 的总电量虽不为零, 但无净电荷存在, 当导电箔经过集电 梳时, 集电梳便无法收集到电荷, 起电机自然也就不能起 电。因此使用起电机前应首先检查中和电刷接触是否良好, 造成接触不好的原因有: ( 1) 中和电刷与起电盘之间 距离过大, 调整间距使之接触良好即可; ( 2) 中和电刷磨损, 更换中和电刷, 使中和电刷与起电盘保持良好的弹性接触( 可用 =0.25 漆包线替代, 使用时必须用零号 沙 纸将漆包线的绝缘层打磨掉) 。3.3
16、.2 当中和电刷位置装反时, 起电机也不能起电。内外 盘上的中和电刷位置应斜于左上方和右下方和垂直线约成 45角, 电刷杆互成直角。如前所述, 相互垂直的两个中 和电刷将起电盘分成 4 个区域, 在区域( ) 、( ) 内起电 盘上的导电箔带同号电荷, 在区域( ) 、( ) 内起电盘上 的导电箔带异号电荷( 如图 3) , 如果中 和 电 刷 位 置 装反 ( 置于( ) 、( ) 区域内) , 集电梳 E1、E2 不能收集到等量异号电荷, 起电机也就不能起电。3.3.4起电机导电箔是静电感应起电机的关键部件, 其材料的好坏直接影响起电机的性能, 目前, 市场上销售的起电机的导电箔大致分为两
17、类:一类是用铝箔粘接在起电盘上( 如 J10031 型) , 另一类是用导电物质涂敷在起电盘上( 如 J2310 型) , 前者耐摩擦, 使用寿命长; 后者, 耐湿 性较好, 但不耐摩擦, 使用寿命短, 且大量散落的导电物 质粉未易污染起电盘。静电感应起电机导电箔损坏时, 可用以下几种方法更换: ( 1) 用导电纸( 香烟盒内锡箔纸) 替 代铝箔, 也可用铝箔和导电纸间隔粘接。( 2) 直接涂以银 粉漆( 对 J2310 型方便适用) 。参考文献: 1 刘炳昇. 初中物理教师实验技能训练 M . 北京: 高 等 教育出版社, 1989. 2 张宝铭. 静电防护技术手册 M . 北京: 电子工业
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