感應(yīng)起電機(jī)工作原理

1、感應(yīng)起電機(jī)工作原理及應(yīng)用概述學(xué) 院： 信息工程學(xué)院班 級(jí)： 計(jì)01. 2班 組 長(zhǎng)： 馮明浩 0154038小組成員： 賈 錚 0154042 閆瑋蓉 0154054 張 星 0154056日 期： 2002年12月20日課題研究介紹名 稱：感應(yīng)起電機(jī)工作原理及應(yīng)用概述內(nèi) 容： 一、感應(yīng)起電機(jī)基本結(jié)構(gòu)。二、感應(yīng)起電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作原理。三、拓展試驗(yàn)。資料收集：馮明浩 賈錚 閆瑋蓉 張星資料整理：賈錚論文撰寫：馮明浩 賈錚 閆瑋蓉 張星主 講：閆瑋蓉試驗(yàn)操作：馮明浩參考書目：大學(xué)物理·電磁學(xué)清華大學(xué)出版社 張三慧主編 靜電防護(hù)技術(shù)手冊(cè)電子工業(yè)出版社 張寶銘主編 大不列顛百科全書

2、第五卷參考網(wǎng)站：:8080/resource/xx/xxzr/zrbl/xxjxqszr/5418_sr.htm008zw_0051.htm一個(gè)月前的一次演示實(shí)驗(yàn)課上，我們對(duì)感應(yīng)起電機(jī)產(chǎn)生了濃厚興趣。接下的一個(gè)月里，我們對(duì)感應(yīng)起電機(jī)正轉(zhuǎn)放電的原理及反轉(zhuǎn)不能放電的原因進(jìn)行了研究，并且對(duì)與其相關(guān)的許多知識(shí)展開了探討，以下是我們通過(guò)觀察討論所得出的一些結(jié)論。一、感應(yīng)起電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，感應(yīng)起電機(jī)旋轉(zhuǎn)盤由兩塊圓形有機(jī)玻璃疊在一起組成，中有空隙，每塊向外的表面上都貼有鋁片，鋁片以圓心為中心對(duì)稱分布。由于兩盤分別與兩個(gè)受動(dòng)輪固定，并依靠皮帶與驅(qū)動(dòng)輪相連，由于兩根皮帶中有一根中間有交叉，因此轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪時(shí)兩

3、盤轉(zhuǎn)向相反。如圖所示，盤轉(zhuǎn)向?yàn)椋赫骓槙r(shí)針，反面逆時(shí)針。兩盤上各有一過(guò)圓心的固定電刷，兩電刷呈度夾角，電刷兩端的銅絲與鋁片密切接觸，這樣在盤旋轉(zhuǎn)時(shí)銅絲鋁片可以摩擦起電。在圖2所示位置有懸空電刷E，懸空電刷與電刷成45°夾角，每個(gè)刷的兩腳跨過(guò)兩盤，但并不與兩盤接觸，腳上裝有許多尖細(xì)銅絲，銅絲尖端指向圓盤上的鋁片。懸空電刷由金屬桿與萊頓瓶相連。萊頓瓶其實(shí)是個(gè)電容，用來(lái)儲(chǔ)電。如圖3所示為萊頓瓶結(jié)構(gòu)，由兩層筒狀錫箔組成，中間是電介質(zhì)，上有瓶蓋。懸空電刷上的金屬桿插入瓶蓋一半，末端由一根較粗銅絲與萊頓瓶?jī)?nèi)層錫箔筒底相連，這樣懸空電刷上所集電荷可以儲(chǔ)存在萊頓瓶中。圖3所示放電小球也通過(guò)一金屬桿與

4、萊頓瓶蓋相接，此桿插入瓶蓋一半且不與集電叉相觸，也不與萊頓瓶中錫箔筒相連，但這樣可使其受萊頓瓶?jī)?nèi)筒電荷感應(yīng)而帶電，可推導(dǎo)出放電小球會(huì)被感應(yīng)出和與其相連的萊頓瓶?jī)?nèi)筒同電性的電荷。由于感應(yīng)起電機(jī)在左右各有一萊頓瓶，若兩萊頓瓶集聚不同種電荷，則兩放電小球上就會(huì)被感應(yīng)出不同種電荷，當(dāng)兩小球靠近時(shí)就會(huì)因放電而產(chǎn)生電火花。需要說(shuō)明的是，此萊頓瓶?jī)H是儲(chǔ)電設(shè)備，與小球是否放電無(wú)關(guān)，因?yàn)榧仁箤⑵洳鸪?，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤時(shí)兩小球照常放電，只不過(guò)電火花很弱，但其頻率更高。這是因?yàn)闆](méi)有萊頓瓶后其電容減小了，可由公式U=Q/C解釋：要產(chǎn)生電火花，兩小球間電壓約為幾萬(wàn)伏，當(dāng)C減小時(shí)，懸空電刷僅需要集聚很少電荷就可使電壓升高到放電要

5、求，故與原來(lái)相比，放電頻率會(huì)加大。但是由于小球上每次放電所放出的電量減少了，相應(yīng)電流也會(huì)減小，因而電火花很小。二、感應(yīng)起電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工作原理 當(dāng)順時(shí)針搖動(dòng)轉(zhuǎn)輪上的搖柄時(shí)，分開的兩個(gè)小球之間會(huì)有電火花產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)聽到噼里啪啦的放電聲。這就是感應(yīng)起電機(jī)的放電現(xiàn)象。這樣的現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的呢？下面我們就介紹一下它的原理。由于在靜電序列中鋁排在銅之前，所以在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋁片與電刷上的銅絲摩擦而帶上正電荷，銅絲帶負(fù)電荷。如圖：假設(shè)剛摩擦?xí)r金屬鋁片S1帶電量為Q1，與其在同一直徑上的鋁片S2帶電量為Q2,Q1與Q2有大小之分。如圖：S1(s1) 轉(zhuǎn)過(guò)90° S1(s2) 轉(zhuǎn)過(guò)45°

6、; (s2) => => S2 S1 (s1) (s1) S2(s2) S2 (s1) （1） （2） （3）轉(zhuǎn)過(guò)45°S2(s2) 轉(zhuǎn)過(guò)45° S2=> => (s2) (s1)S1 S1(s1) （4） （5） 轉(zhuǎn)過(guò)45° S2 (s1) 轉(zhuǎn)過(guò)45° (s1) => => S1 S2 S2 (s2)S1(s2) （6） （7） 當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，S1與反面電刷B相對(duì)，此時(shí)S2、S1分別與S1、S2相對(duì)。假設(shè)Q1Q2，由于S1與S2之間有電刷連接，會(huì)引起自由電子移動(dòng)，使得S1帶正電荷，S2帶負(fù)電荷。當(dāng)圓盤

7、再轉(zhuǎn)過(guò)45°時(shí)，S1、S2分別順時(shí)針轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E2、E1處，并在該處放電使E1、E2帶正電荷，這些正電荷又被積聚在萊頓瓶C1、C2中。 當(dāng)圓盤再轉(zhuǎn)過(guò)45°即S1轉(zhuǎn)到與正面電刷B相對(duì)應(yīng)時(shí)， S1與S1相對(duì)，S2與S2相對(duì)，剛經(jīng)過(guò)放電的S1與S2恰好不再帶有電荷。S2帶負(fù)電使得S2感應(yīng)帶正電，又由于與金屬刷上銅絲摩擦也使它帶正電，在二者共同作用下S2帶上了正電荷；對(duì)于S1來(lái)說(shuō),S1上的正電荷使其感應(yīng)帶負(fù)電荷，由于金屬刷的連接作用，S2所帶的正電荷會(huì)導(dǎo)致電子移動(dòng)（如圖4）使S1帶負(fù)電，這樣，雖然有摩擦產(chǎn)生的正電荷也會(huì)被以上兩種作用所產(chǎn)生的負(fù)電荷抵消，因此S1還是帶負(fù)

8、電荷。 圓盤再轉(zhuǎn)過(guò)45°時(shí)，S1與S2恰好分別轉(zhuǎn)到懸空電刷E2與E1處。帶正電的S1在E2處放電后不再帶電，E2上的負(fù)電荷被中和使E2帶正電，這些正電荷被萊頓瓶C2積聚到放電叉T2的放電小球上；帶負(fù)電的S2在E1處放電后也不再帶電，且E1上的正電荷被中和使E1帶負(fù)電，這些負(fù)電荷被萊頓瓶C1積聚到放電叉T1的放電小球上。如果圓盤又轉(zhuǎn)過(guò)45°， S1又與S2相遇，S2與S1相遇，且此時(shí)S1S2與反面電刷B相對(duì)，S1S2分別在E2、E1處放電后不再帶電。此時(shí)的電荷變化與過(guò)程（）相似, 因此與S1相對(duì)的S2帶正電荷, 與S2相對(duì)的S1帶負(fù)電荷。當(dāng)圓盤再轉(zhuǎn)過(guò)45°，此時(shí)S1

9、S2恰好分別轉(zhuǎn)到懸空電刷E1E2處。S1在E1處放電使得負(fù)電荷被積聚到放電叉T1的放電小球上，S2在，E2處放電使得正電荷被積聚到放電叉T2的放電小球上。之后轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，電荷的變化情況將重復(fù)過(guò)程（3）（7），由于兩盤的逆向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E2、E2處的金屬片將全部帶正電，轉(zhuǎn)至與電極相接的懸空電刷E1、E1處的金屬片將全部帶負(fù)電。萊頓瓶C2感應(yīng)到放電小球T2上的正電荷會(huì)越來(lái)越多，而被萊頓瓶C1感應(yīng)到放電小球T1上的負(fù)電荷也會(huì)越來(lái)越多，當(dāng)小球聚集一定電荷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。在萊頓瓶蓋內(nèi)放電叉與懸空電刷之間的空氣也會(huì)被電離，使放電叉與懸空電刷在短時(shí)間內(nèi)相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體,將事先聚集在萊頓瓶

10、中的電荷大部分中和之后，再一次重復(fù)上述過(guò)程。但是，起電機(jī)并不是從一開始就可以放電的，因?yàn)榭諝獗粨舸┬枰欢ǖ碾妷海@就需要積聚一定的電荷，而放電叉T1、T2上電荷的積累需要一定時(shí)間，所以當(dāng)起電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不用后要搖動(dòng)搖柄一定時(shí)間后T1、T2間的電壓才能達(dá)到擊穿電壓而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。那么，反向轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿時(shí)是否也會(huì)達(dá)到相同的效果呢？回答是否定的，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)時(shí)雖然起電機(jī)原理和正轉(zhuǎn)一樣，但由于正反兩面的鋁片在摩擦起電后都沒(méi)有再經(jīng)過(guò)另一側(cè)電刷，而是直接在懸空電刷處放電，使兩個(gè)萊頓瓶帶有同種電荷，因此不會(huì)放電。 在這次課題的研究過(guò)程中，我們還進(jìn)行了一些輔助性的實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助我們理解。 一、驗(yàn)證理論分析中各金屬片所帶電荷

11、的異同性。 （1）搖動(dòng)搖柄，使鋁片與電刷摩擦。將導(dǎo)線一端接在驗(yàn)電器上，用另一端接觸鋁片S1，驗(yàn)電器的指針張開。這時(shí)用導(dǎo)線接觸與S1在同一直徑上的鋁片S2，驗(yàn)電器的指針閉合，說(shuō)明S1與S2帶的是異種電荷。 （2）用導(dǎo)線接觸鋁片S1,驗(yàn)電器的指針張開。然后接觸與S1相對(duì)的鋁片S1，驗(yàn)電器鋁片的指針閉合，說(shuō)明S1與S1帶的也是異種電荷。 （3）用導(dǎo)線接觸鋁片S1，驗(yàn)電器的指針張開。然后，接觸與S2相對(duì)的鋁片S2，驗(yàn)電器的指針張開的角度更大，說(shuō)明S1與S2帶的是同種電荷。二、驗(yàn)證反轉(zhuǎn)時(shí)兩萊頓瓶聚集電荷的電性先用導(dǎo)線將其中一個(gè)放電小球接到驗(yàn)電器上，驗(yàn)電器指針張開。再將另一小球也接到驗(yàn)電器上，驗(yàn)電器指針張

12、開的角度不減小。 三、確定萊頓瓶和放電小球的作用 （1）將萊頓瓶拆除，轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，觀察到兩小球照常放電，但頻率很高，電火花比較微弱（這種電火花只能在黑暗條件下觀察到）。 （2）安回萊頓瓶，將放電小球拆除，轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄。觀察到小球也照常放電，但頻率較高，電火花微弱，但與（1）相比頻率較低，電火花較強(qiáng)，以上兩步實(shí)驗(yàn)說(shuō)明萊頓瓶與放電小球只是儲(chǔ)電設(shè)備，與小球是否放電無(wú)關(guān)。從理論上可以分析，拆除萊頓瓶或放電小球后，其電容減小，由公式U=Q/C知：當(dāng)C減小時(shí)，只要聚集少量的電荷Q2就可使電壓達(dá)到放電要求，所以放電頻率升高。但小球上的電量減少，所以電火花微弱。這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合。 （3）確定兩萊頓瓶間電鍵的作用閉合

13、電鍵，即把兩萊頓瓶連接，可以發(fā)現(xiàn)放電小球間的點(diǎn)火花增強(qiáng)，放電聲更大，而頻率減小。三 、拓展實(shí)驗(yàn)【器材】 感應(yīng)起電機(jī)、銅絲等。 【步驟】 將起電機(jī)的兩個(gè)金屬球分開約 10 毫米。搖動(dòng)起電機(jī)，可以看到金屬球之間出現(xiàn)電火花，同時(shí)發(fā)出輕微的“滴滴”聲。這時(shí)繼續(xù)搖動(dòng)起電機(jī)，同時(shí)逐漸拉大兩個(gè)金屬球之間的距離至 20 30 毫米左右。這時(shí)可以看到兩個(gè)金屬球之間出現(xiàn)明亮的電閃光，同時(shí)可聽到清脆的“噼噼”聲。這種現(xiàn)象叫做放電現(xiàn)象。雷電即是自然界中發(fā)生的大規(guī)模放電現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中的閃光就好比閃電，噼噼聲就好比雷聲。 停止搖動(dòng)起電機(jī)，再將兩個(gè)金屬球相接觸，使正負(fù)電中和。然后在一個(gè)金屬球上繞上一根銅絲，使銅絲一頭指向另一金屬球，并與之保持 10 毫米距離。搖動(dòng)起電機(jī)，這時(shí)金屬球之間便不再出現(xiàn)電火花。拉大金屬球之間的距離，也看不到電閃光出現(xiàn)了。為什么在金屬球上加了根銅絲便不出現(xiàn)放電現(xiàn)象了呢？原