什么是范德格拉夫发电机(Van De Graaff Generator)？

范德格拉夫（Van de Graaff）发电机利用摩擦电学（通过两种不同的材料摩擦产生电荷，通常称为静电）来产生巨大的电位差，从而产生高压放电。这台机器是由罗伯特·范德格拉夫（Robert J.Van de Graaff）博士在20世纪30年代初开发的，尽...

范德格拉夫（Van de Graaff）发电机利用摩擦电学（通过两种不同的材料摩擦产生电荷，通常称为静电）来产生巨大的电位差，从而产生高压放电。这台机器是由罗伯特·范德格拉夫（Robert J.Van de Graaff）博士在20世纪30年代初开发的，尽管在这之前，有许多装置的原理类似，但范德格拉夫发电机的"发动机"使用两个不同材料制成的滚轴，通常是金属和塑料，由橡胶或其他绝缘材料制成的皮带连接，皮带垂直悬挂在两个辊之间，由电机驱动。金属梳，接地，其齿朝向下滚筒。在发电机顶部，另一个金属梳齿的位置类似，齿靠近顶部滚筒，并连接到金属圆顶。科学家带烧杯，如果上部滚筒为金属，下部滚筒为塑料，皮带与塑料辊的摩擦会导致电子从塑料辊上剥离到皮带上，从而在皮带上形成负电荷，而滚筒上只剩下一个正电荷。来自下梳的电子被带正电荷的滚筒吸引，一些电子会跳到带正电荷的滚筒上，但是被绝缘带阻止了，绝缘带获得了更大的负电荷。在设备的顶部，梳状物中的电子从带负电的带上移动到金属圆顶上，被传送带上的电子所代替。因此，电子从下滚轴持续转移-通过皮带和上部梳齿，得到一个很大的负电荷。如果辊的位置颠倒，穹顶获得一个正电荷范德格拉夫发生器顶部的圆顶形状是实现均匀电荷分布和最大化电势的理想选择，点或不规则会导致电荷泄漏到空气中。这就是为什么要使用金属梳齿-齿允许电子很容易地往返于梳齿之间，从而在穹顶上形成大量电荷。原型发电机使用锡罐代替穹顶，但这很快得到改进。范德格拉夫发电机在学校和大学的物理实验室里很常见：它们能产生超过10万伏特的电位差，一个流行的演示是让学生志愿者在接触穹顶时头发竖立起来；这些毛发获得相同的电荷并互相排斥。这种类型的发生器也能在电子跃迁到附近物体时产生相当大的火花。用手指靠近穹顶，可以在穹顶和手指之间产生长达数英寸的火花，从而产生轻微的电击。虽然这些装置可以产生大电压，电流太小，不会造成任何风险。可以建造产生更大电压的发电机。大型范德格拉夫发电机可以产生数百万伏特的电位差。有史以来建造的最大示范发电机高40英尺（12.19米），可以产生500万伏特的电位差此外，产生几英尺长的类似闪电的火花。范德格拉夫发电机也有很重要的应用。它们有时被用来产生粒子加速器所需的巨大电压，而粒子加速器是用来研究自然界基本力的。其中一个范德格拉夫发电机由澳大利亚国家电力公司运行为此，大学产生了1500万伏特的电位差。

发表于 2020-09-18 04:07
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分类：科学教育

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