静電発電機
静電発電機は科学(理科)の教材として静電気力と高電圧現象を演示するために使われることが多い。また大きな電位差が得られることから、実用上でもX線管の電源、医療、食品の殺菌、核物理学研究など様々な用途に用いられてきた。現在、実用的な高電圧電源としては静電発電機よりも半導体回路によるものが主流だが、ヴァンデグラフ起電機やその発展型であるペレトロンなどは今なお物理学の研究に用いられている。また近年では、環境に存在する微小な振動のエネルギーを利用するナノ発電において、古くて新しい方法である静電発電が急浮上してきている。
静電発電機は電荷を生成する方式によって2種類に分けられる。
摩擦起電機(friction machine)は摩擦帯電(異なる物質どうしの接触や摩擦によって発生する静電気)を利用する。
誘導起電機(influence machine)は静電誘導を利用する。かつては感応起電機と呼ばれていた。
回転式誘導起電機の例として、アメリカ静電気学会の創立者A・D・ムーアが20世紀半ばに設計したディロッド起電機の原理を説明する。右図を参照のこと。
円板Dは絶縁体で作られ、矢印の向きに回転する。円板には6本の金属ロッドR1~R6が垂直に立てられており、両側から金属のコレクター板C1、C2に挟まれている。
動作を開始するには、はじめにコレクターC1とC2の間に電荷の不均衡が存在しなければならない。しかし、人間の手が装置の絶縁部品に触れると静電気が生じるため、コレクターには自然にわずかな電荷が誘起されているのが常である。ここではC1が負に、C2が正に帯電していたとする。
コレクターが帯電しているため、導体でつながれている誘導子I1、I2もそれぞれ電荷を持ち、近づいてきた金属ロッドR1とR4に静電誘導を及ぼす。すなわち、R1とR4は固定導体N(ニュートラライザー)を介して電荷をやり取りすることで、互いに逆の電荷を持つようになる。Nの両端にはロッドと導通を取るためのブラシがついている。
円板Dが回転していくと、電荷を持ったロッドはR3(R6)の位置でブラシによってコレクターと接続される。電荷には電気容量が大きい物体に移る性質があるため、ロッドが持っていた電荷はコレクターに集められる。この過程が繰り返されることにより、それぞれのコレクターが持つ正負の電荷はますます増えていく。
正の電荷を帯びたロッドを正のコレクターに近づけるには、静電反発力に抗して仕事をしなければならない。この力学的な仕事が帯電の静電エネルギーに変換されることになる。
物体の表面にある電荷(英語版)のつり合いが崩れると、他の物体に対して引力もしくは斥力を及ぼす。それが高じると静電気として感じることができるまでになる。二つの異なる表面を触れさせてから離すと、接触帯電(英語版)ないし摩擦帯電現象によって一方から他方へ電荷が移動し、電荷の不つり合いが生じる。
大きな静電気を生み出すには絶縁性の物体二つをこすり合わせるとよい。ただし、摩擦は本質的な役割を果たしているわけではなく、単に絶縁性の表面を触れ合わせるだけでも帯電は起きる。しかし、多くの場合物体の表面は粗いため、物体どうしを単にあてがうだけでは十分な接触面積が得られず、帯電に長い時間がかかる。物体をこすり合せれば凝着性の接触面が広がることで帯電が促進される。
絶縁体、すなわち電気を通さない物体は表面電荷を発生させて溜めておくのに適している。よく用いられる絶縁体にはゴム、プラスチック、ガラス、髄がある。導電性の物体も接触帯電を起こすが、外界に対して絶縁されていない限り、電荷を保持しておくことはできない。
接触帯電によって一方の物体からもう一方へと移動した電荷はその表面にとどまる。物体を電流が流れていても、静電気力やスパーク(英語版)の発生、コロナ放電などの現象を損なうことはなく、同じ系で両立することができる。