范德格拉夫起电机

说明

一个简单的范德格拉夫起电机由丝绸腰带组成，或类似的有弹性的介质材料，包围在两个金属滚轮上，其中之一是中空的，2个电极（2）及（7），尖锐的金属以梳状行的形式，分别被放置在靠近底部的下滑轮和球体内，滑轮。电刷（2）连接到球上，同时电刷（7）接地。
当皮带运行过在前面的低电刷，在周围的电场下，它将携带负电荷。当皮带触摸上滚轮（3），移出一些电子，使得滚轮带负电荷（如果末端是绝缘的），负电荷的电场添加使空气电离。然后从电子从皮带上离开转移到上电刷上，使皮带带正电的，因为它的电荷下降，而末端的带负电荷。球体外壳与上滚轮发生电磁感应，在它的外表面积累产生的正电荷，上滚轮的放电及皮带极性发生变化使其恢复电中性。由于皮带继续运行，通过皮带传递，球继续积累正电荷，直到充满。它越是远离地面，最终的电量就越多。静电发生器或静电机器是一种机电发生器，可产生静电或高电压和低连续电流的电。 静电的知识可以追溯到最早的文明，但几千年来，它仍然只是一个有趣而神秘的现象，没有理论来解释其行为，并且常常与磁力混淆。 到17世纪末，研究人员已经开发出了通过摩擦来发电的实用方法，但是直到18世纪，静电机器才真正开始发展，当时静电机器已成为研究新的电力科学的基础工具。 静电发生器通过使用手动（或其他）动力将机械功转换为电能来运行。 静电发生器仅使用电力即可产生呈现给两个导体的相反符号的静电荷，并通过使用移动板，鼓或皮带将电荷携带到高电势电极上进行工作。 电荷是通过两种方法之一产生的：摩擦电效应（摩擦）或静电感应。
说明编辑
静电机器通常在科学教室中使用，以安全地显示出电力和高压现象。 所获得的升高的电势差也已用于多种实际应用，例如操作X射线管，医疗应用，食品灭菌和核物理实验。 静电发生器（例如Van de Graaff发生器）以及Pelletron的变体也在物理研究中得到使用。
根据电荷的产生方式，静电发生器可以分为两类：
摩擦机利用摩擦电效应（通过接触或摩擦产生的电）
影响机器使用静电感应
摩擦机
历史记录
典型的使用玻璃球的摩擦机，常见于18世纪
泰勒斯博物馆（Martinus van Marum）泰勒斯博物馆（Teylers Museum）的静电发生器
由于产生过程中的摩擦力，第一台静电发生器被称为摩擦机。  Otto von Guericke于1663年左右发明了一种原始形式的摩擦机，它使用可以旋转和用手摩擦的硫磺球。 它在使用过程中可能实际上并没有旋转，并且不打算产生电力（而是宇宙的美德），[1]却启发了许多后来使用旋转地球仪的机器。 艾萨克·牛顿（Isaac Newton）建议使用玻璃地球仪代替硫磺地球仪。[2] 大约1706年，弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee）改进了其基本设计，[3]他的摩擦电机使玻璃球在羊毛布上快速旋转。[4]
大约在1730年，维滕贝格（Wittenberg）的格奥尔格·马蒂亚斯·博斯（Georg Matthias Bose）教授添加了一根集电导体（一根支撑在丝线上的绝缘管或圆柱体），从而使发电机进一步发展。 玻色（Bose）是第一个在这种机器上使用“主要导体”的设备，它由一个铁棒握在一个人的手中，他的身体通过站在一块树脂上而绝缘。
1746年，威廉·沃森（William Watson）的机器有一个大轮子，可以转动几个玻璃地球仪，剑和长枪枪管悬在丝线上，作为主要导体。 莱比锡物理学教授约翰·海因里希·温克勒（Johann Heinrich Winckler）用皮革垫子代替了手。  1746年，简·英根豪斯（Jan Ingenhousz）发明了平板玻璃制成的电机。[5] 莱顿罐的发现在很大程度上帮助了电机的实验。 这种早期形式的电容器在玻璃的两面都具有导电涂层，当与电动势源连接时，会积累电荷。
苏格兰人兼爱尔福特教授安德鲁（安德里亚斯）戈登（Andrew（Andreas）Gordon）很快对电机进行了进一步改进，他用玻璃缸代替了玻璃地球仪。 莱比锡的吉辛（Giessing）加入了由毛料制成的靠垫组成的“橡胶”。 本杰明·威尔逊在1746年左右将收集器（包括一系列金属点）添加到机器中，在1762年，英格兰的约翰·坎顿（也是第一台髓核球镜的发明者）通过洒水提高了电机的效率 橡胶表面上的锡汞合金。[6]  1768年，杰西·拉姆斯登（Jesse Ramsden）建造了一种广泛使用的平板发电机。[需要澄清]
1783年，荷兰科学家哈勒姆（Haarlem）的马丁·范·马鲁姆（Martin van Marum）为他的实验设计了一个高质量的大型静电机，其玻璃盘直径为1.65米。 能够产生任何极性的电压，第二年它在阿姆斯特丹的约翰·库斯伯特森（John Cuthbertson）的监督下建造。 该发电机目前在哈勒姆的泰勒斯博物馆中展出。
1785年，鲁兰（N. Rouland）建造了一台丝绸织带机，用磨擦了两根覆盖着野兔皮毛的接地管。 爱德华·奈恩（Edward Nairne）于1787年研发出了一种用于医疗目的的静电发生器，该发生器具有产生正电或负电的能力，其中第一种是从带有集尘点的主导体中收集的，第二种是从带有摩擦垫的另一根主导体中收集的。 温特机[需要澄清]比以前的摩擦机具有更高的效率。
在1830年代，Georg Ohm拥有一台类似于Van Marum机器的机器进行研究（现在在德国慕尼黑的德意志博物馆中使用）。  1840年，伍德沃德机器是通过改进1768拉姆斯登机器而开发的，将原导体放置在磁盘上方。 同样在1840年，阿姆斯特朗（Armstrong）水力发电机得到了发展，它使用蒸汽作为电荷载体。
摩擦操作
表面电荷不平衡的存在意味着物体将表现出吸引力或排斥力。 通过摩擦两个不同的表面，然后由于摩擦电效应的现象将它们分开，可以产生导致静电的表面电荷不平衡。 摩擦两个非导电物体会产生大量静电。 这不是摩擦的结果； 只需将两个非导电表面中的一个放置在另一个表面上，即可对其充电。 由于大多数表面都具有粗糙的纹理，因此通过接触获得充电要比通过摩擦花费更多的时间。 一起摩擦物体会增加两个表面之间的粘合剂接触量。 通常，绝缘体，例如不导电的物质，既能产生表面电荷，又能保持表面电荷。 这些物质的一些示例是橡胶，塑料，玻璃和髓。 接触的导电物体也会产生电荷不平衡，但仅在绝缘时才保留电荷。 接触带电过程中转移的电荷存储在每个对象的表面上。 请注意，电流的存在不会降低静电力，也不会降低火花，电晕放电或其他现象。 两种现象可以在同一系统中同时存在。
影响机器
历史记录
随着时间的流逝，摩擦机器逐渐被上述第二类工具，即影响机器所取代。 它们通过静电感应进行操作，并借助少量的初始电荷将机械功转换为静电能，该电荷不断地被补充和增强。 影响机器的第一个建议似乎源自伏打（Volta）电泳的发明。 电泳是单板电容器，用于通过静电感应过程产生不平衡的电荷。
下一步是金箔电镜的发明者亚伯拉罕·贝内特（Abraham Bennet）将“电的倍增器”（Phil。Trans。，1787年）描述为类似于电泳的设备，但可以通过以下方式放大少量电荷： 重复使用三个绝缘板进行手动操作，以使其在验电器中可观察到。  Erasmus Darwin，W.Wilson，G.C.Bohnenberger和（后来，1841年）J.C.E.Péclet开发了Bennet设备的各种改进。 弗朗西斯·罗纳兹（Francis Ronalds）在1816年实现了发电过程的自动化，方法是将摆锤作为锺盘之一，由发条装置或蒸汽机驱动–他创造了为电报机供电的装置。[7] [8]  1788年，威廉·尼科尔森（William Nicholson）提出了他的旋转倍增器，可以将其视为第一台旋转影响机。 他的仪器被描述为“一种通过旋转绞车产生两种状态的电而不会与地面摩擦或通讯的仪器”。  （Phil。Trans。，1788，p。403）Nicholson随后描述了一种“旋转冷凝器”设备，作为一种更好的测量仪器。
其他人，包括T. Cavallo（在1795年开发了使用简单加法的电荷乘积器“ Cavallo乘法器”），John Read，Charles Bernard Desormes和Jean Nicolas Pierre Hachette进一步开发了多种形式的旋转倍增器。  1798年，德国科学家兼传教士Gottlieb Christoph Bohnenberger在书中描述了Bohnenberger机器以及Bennet和Nicholson类型的其他几种倍增器。 其中最有趣的是《物理年鉴》（Annalen der Physik）（1801年）中的描述。 朱塞佩·贝利（Giuseppe Belli）在1831年开发了一种简单的对称倍增器，该倍增器由两个弯曲的金属板组成，在两个金属板之间使一对绝缘柄上的板旋转。 这是第一台对称的冲击机，两个端子的结构相同。 该仪器由C. F. Varley进行了多次发明，该专利在1860年获得了高功率版本的专利，在1868年由Lord Kelvin（“补给者”）和A. D. Moore（“ dirod”）获得了专利。 开尔文勋爵（Lord Kelvin）还设计了一种组合式影响机和电磁机（通常称为鼠标磨机），用于与虹吸记录器相连的墨水带电；以及水滴静电发生器（1867年），他称其为“水滴冷凝器”。  。
霍尔茨机
霍尔茨的影响力机器
在1864年和1880年之间，W。T. B. Holtz建造并描述了许多影响机器，这些机器被认为是当时最先进的技术。 在一种形式中，霍尔茨机器由安装在水平轴上的玻璃盘组成，该玻璃盘可以通过倍增齿轮与安装在靠近它的固定盘中的感应板相互作用而以相当大的速度旋转。  1865年，August J. I. Toepler开发了一种影响机，它由两个固定在同一轴上并沿相同方向旋转的圆盘组成。  1868年，Schwedoff机器采用了一种奇怪的结构来增加输出电流。 同样在1868年，开发了几种混合摩擦影响机器，包括Kundt机器和Carré机器。  1866年，开发了Piche机器（或Bertsch机器）。  1869年，H。朱利叶斯·史密斯（H. Julius Smith）获得了设计用于点燃粉末的便携式气密装置的美国专利。 同样在1869年，德国Poggendorff对无扇区机器进行了调查。
F. Rossetti，A。Righi和Friedrich Kohlrausch进一步研究了影响机器的作用和效率。  E. E. N. Mascart，A。Roiti和E. Bouchotte还检查了影响机器的效率和当前生产能力。  1871年，Musaeus对无扇区机器进行了研究。  1872年，Righi的静电计被开发出来，是Van de Graaff发生器的最早的先驱之一。  1873年，Leyser开发了Leyser机器，这是Holtz机器的变体。  1880年，罗伯特·沃斯（Robert Voss，柏林乐器制造商）设计了一种机器形式，他声称将托普勒和霍尔兹的原理结合在一起。 相同的结构也称为Toepler-Holtz机。
温斯赫斯特机
小型Wimshurst机
1878年，英国发明家詹姆斯·威姆斯赫斯特（James Wimshurst）开始研究静电发生器，以具有多个磁盘的强大版本改进了霍尔茨机。 经典的Wimshurst机器成为影响机器的最流行形式，在1883年之前已向科学界报告，尽管Holtz和Musaeus先前曾描述过结构非常相似的机器。  1885年，有史以来最大的Wimshurst机器之一在英格兰建造（现在在芝加哥科学与工业博物馆）。  Wimshurst机器是相当简单的机器。 它与所有影响机器一样，都具有静电电荷感应功能，这意味着它甚至使用最少量的现有电荷来产生和累积更多电荷，并且只要机器处于运行状态，便会重复此过程。  Wimshurst机器由以下部分组成：两个绝缘盘，分别连接到反向旋转的皮带轮上，这些盘的朝外侧面具有较小的导电（通常为金属）板； 两个用作电荷稳定器的双头电刷，它们也是发生感应的地方，从而产生了要收集的新电荷； 两对收集梳子，顾名思义，是机器产生的电荷的收集器； 两个莱顿罐，分别是机器的电容器； 一对电极，用于在电荷充分积累后进行电荷转移。  Wimshurst机器的简单结构和组件使其成为自制静电实验或演示的常用选择，如前所述，这些特征是促成其普及的因素。[9]
1887年，Weinhold对Leyser机器进行了改进，使用了垂直金属棒电感器系统，木制圆柱体靠近圆盘，从而避免了极性反转。  M. L. Lebiez描述了Lebiez机器，该机器本质上是简化的Voss机器（L'Électricien，1895年4月，第225-227页）。  1893年，博内蒂（Bonetti）申请了一种具有Wimshurst机器结构的机器的专利，该机器的磁盘中没有金属扇区。[10] [11] 该机器比扇形版本强大得多，但是通常必须从外部施加电荷才能启动。
皮江机器
1898年，W。R. Pidgeon通过独特的设置研发了Pidgeon机器。 那年的10月28日，Pidgeon在对影响力机器进行了数年的调查之后（从本世纪初开始），将这台机器介绍给了物理学会。 该设备后来在《哲学杂志》（1898年12月，第564页）和《电气评论》（第XLV卷，第748页）中进行了报导。  Pidgeon机器具有固定的电感器，其布置方式可以提高静电感应效果（并且其电输出至少是此类典型机器的两倍（除非过分加重））。  Pidgeon机器的基本特征是，其一，旋转支架和用于感应电荷的固定支架的组合，其二，改善了机器所有部件（但更特别是发电机托架）的绝缘性。  Pidgeon机器是Wimshurst机器和Voss机器的组合，具有适合减少电荷泄漏量的特殊功能。 与同类最佳机器相比，Pidgeon机器更容易使自己兴奋。 此外，Pidgeon还研究了具有封闭扇区的更高电流的“三重”截面机器（或“带有单个中央磁盘的双重机器”）（并获得了此类机器的英国专利22517（1899年）专利）。
大约在20世纪初，多盘机器和“三重”静电机器（带有三个磁盘的发电机）也得到了广泛的发展。  1900年，塔德斯伯里（F. Tudsbury）发现，将发生器封闭在装有压缩空气或更佳的二氧化碳的金属室中，由于压缩气体的击穿电压增加，因此压缩气体的绝缘性能可大大提高其效果。 气体，并减少跨板和绝缘支架的泄漏。  1903年，阿尔弗雷德·威森（Alfred Wehrsen）申请了一种硬质合金旋转磁盘专利，该磁盘具有嵌入的扇区，在磁盘表面具有按钮触点。  1907年，海因里希·沃默斯多夫（Heinrich Wommelsdorf）报告了使用该磁盘和嵌在赛璐oid板中的电感器制成的霍尔茨电机的一种变型（DE154175；“维森电机”）。 沃默斯多夫还开发了几种高性能静电发生器，其中最著名的就是他的“冷凝器机器”（1920）。 这些是单磁盘计算机，使用的磁盘具有在边缘访问的嵌入式扇区。
现代静电发生器
从19世纪末开始，静电发生器在物质结构研究中起着重要作用。 到1920年代，很明显，需要能够产生更高电压的机器。
范德格拉夫
Van de Graaff发生器是美国物理学家Robert J. Van de Graaff于1929年在麻省理工学院发明的，它是一种粒子加速器。[12] 第一个模型在1929年10月进行了演示。在Van de Graaff机器中，绝缘带将电荷传输到绝缘的中空金属高压端子的内部，然后通过金属点的“梳”将电荷转移到端子上。 该设计的优点在于，由于端子内部没有电场，因此无论端子上的电压有多高，皮带上的电荷都可以继续释放到端子上。 因此，对机器上电压的唯一限制是端子附近的空气电离。 当端子处的电场超过空气的介电强度（每厘米约30 kV）时，就会发生这种情况。 由于在尖锐的尖端和边缘会产生最高的电场，因此端子应制成光滑的空心球体形式。 直径越大，获得的电压越高。 第一台机器使用在一家五角钱商店购买的缎带作为电荷输送带。 在1931年的专利公开中描述了一种能够产生1,000,000伏特的电压。
范德格拉夫（Van de Graaff）发电机是成功的粒子加速器，产生最高能量，直到1930年代末回旋加速器取代它为止。 由于空气击穿，露天Van de Graaff机器上的电压被限制在几百万伏。 通过将发生器封闭在加压绝缘气体罐内，可达到约25兆伏的较高电压。 这种类型的Van de Graaff粒子促进剂仍在医学和研究中使用。 还为物理研究发明了其他变体，例如Pelletron，它使用带有交替绝缘和导电链的链进行电荷传输。
小型Van de Graaff发电机通常在科学博物馆和科学教育中用于演示静电原理。 一种流行的演示是让人们站在绝缘的支撑物上触摸高压端子。 高压会给人的头发充电，使发束从头部突出。
EWICON编辑
代尔夫特理工大学电气工程，数学和计算机科学学院已开发出一种静电风能转换器EWICON。 它靠近建筑公司Mecanoo。 主要开发人员是Johan Smit和Dhiradj Djairam。 除风外，它没有运动部件。 它由风驱动，带走带电粒子离开其收集器。[13] 设计效率低下。[14]
荷兰风车
为EWICON开发的技术已在荷兰风车中重复使用。[15] [16]
边缘科学与设备
这些生成器有时（在某些情况下不适当且存在争议）用于支持各种边缘科学调查。  1911年，乔治·塞缪尔·皮格特（George Samuel Piggott）获得了一项紧凑型双机的专利，该机被封装在受压箱中，用于他的有关无线电报和“反重力”的实验。 后来（在1960年代），德国工程师Paul Suisse Bauman制造了一台名为“ Testatika”的机器，并由瑞士社区Methernithans推广。  Testatika是基于1898年Pidgeon静电机器的电磁发电机，据说可以产生直接从环境中获得的“自由能”。