高压静电现象研究
一．实验目的：
了解静电产生的机理和静电发电机的工作原理，掌握静电高压的测量方法 二．注意事项：
高压电有危险，不要用手随意触摸金属电极，即使没有通电也可能被点击，如果需要触摸某金属电机，先用接地导线放电。 三．实验仪器：
静电感应起电机（手摇式），范德格拉夫起电机（电动，电机带动皮带致使上端金属球壳带高压静电），高频交流高压发生器（利用高频变压器产生高频高压），万用表（测量时仅用20V或者200V档，接错有危险），高压探棒（1：1000分压，测量时万用表显示乘以1000即为真实测到电压） 四．实验原理
两种物质发生摩擦时可以使它们都带上电，称为静电。为什么物体摩擦后带有电荷？这些电荷是从哪里来的？这涉及到物质的内部结构。一切宏观物体（固体、液体和气体）都是由分子组成的。分子由更小的原子构成。原子内部有一个带正电的原子核，周围是一些带负电的电子围绕着原子核运动。通常，原子核所带的电量和它周围的电子所带的电量总是相等的，原子作为一个整体呈电中性，由电子组成的物体当然也显示出不带电的性质。但是当两个物体相互摩擦或者接触时，其中一个物体失去一些电子，另一个物体则获得一些电子。例如用丝绸摩擦玻璃棒时，在一般情况下，玻璃棒就失去一些电子，丝绸则获得一些电子。这样就破坏了原来两个物体的电中性。当两个物体分开后，失去电子的物体，其体内的正电荷总数多于负电荷，表现为带正电；而获得电子的物体正相反，体内的负电荷总数多于正电荷，表现为带负电。所以从物质的电结构来看，无论用摩擦起电，还是用其他方法来使物体带电的过程，斗不过是使物体中原有的正负电荷分离和转移的过程而已。但是由于物质的种类不同，它们带电的极性和带电量的大小是不同的，而且又和温度、湿度、有无杂质、摩擦力大小、物质的电阻率、泄露电阻等一系列条件有关。总之静电现象较为复杂，想要考虑的因素很多，必须视具体情况作具体分析。最简单的静电发电机相当于一只起电盘(见图)。
静电发电机
这种起电盘由一个带有绝缘柄H的金属片D和硬橡皮板R组成。在用皮毛摩擦橡皮板使之带负电荷之后,将金属片D放在橡皮板R上。由于橡皮板的表面不可能加工得绝对平整，金属片与橡皮板的接触面之间始终存在着一定的空隙。这时金属片的下表面将感应出正电荷，而上表面则感应出等量的负电荷。用金属导体将金属片接地，释放掉金属片上的电子，然后去除接地线，同时用绝缘柄将金属片抬离橡皮板，此时金属片上只有正电荷，这些正电荷可以用收集器加以收集。如果重复上述充电过程，就可以在收集器上获得大量正电荷，产生相当高的电压。
实际的静电发电机，其工作原理有的与上述起电盘完全相同。在结构上，为了保证能连续重复感应充电过程，原起电盘中带有绝缘手柄的金属片用安装在绝缘轮轮缘上相互绝缘的一组金属片代替。金属片与橡皮板的相对位置和起电盘中相同。当某一金属片随绝缘轮的转动而靠近橡皮板时，金属片的下表面和上表面将分别感应出正电荷和负电荷。用地线移去负电荷，而当该金属片离开橡皮板时断开接地线，则金属片上只带有一定量的正电荷。这些正电荷可用导线沿同向送到电荷收集器中。当轮子转动时，轮缘上的每个金属片依次靠近橡皮板，感应充电过程不断重复，电荷连续地被传送到收集器中。下面介绍两种常见的静电发动机：
1、感应起电机
如图1所示，感应起电机旋转盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组成，中有空隙，每块向外的表面上都贴有铝片，
铝片以圆心为中心对称分布。由于两盘分别与两个受动轮固定，并依靠皮带与驱动轮相连，由于两根皮带中有一根中间有交叉，因此转动驱动轮时两盘转向相反。如图所示，盘转向为：正面顺时针，反面逆时针。两盘上各有一过圆心的固定电刷，两电刷呈９０度夹角，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，这样在盘旋转时铜丝铝片可以摩擦起电。在图2所示位置有悬空电刷E，悬空电刷与电刷成45°夹角，每个刷的两脚跨过两盘，但并不与两盘接触，脚上装有许多尖细铜丝，铜丝尖端指向圆盘上的铝片。悬空电刷由金属杆与莱顿瓶相连。
莱顿瓶其实是个电容，用来储电。如图3所示为莱顿瓶结构，由两层筒状锡箔组成，中间是电介质，上有瓶盖。悬空电刷上的金属杆插入瓶盖一半，末端由一根较粗铜丝与莱顿瓶内层锡箔筒底相连，这样悬空电刷上所集电荷可以储存在莱顿瓶中。图3所示放电小球也通过一金属杆与莱顿瓶盖相接，此杆插入瓶盖一半且不与集电叉相触，也不与莱顿瓶中锡箔筒相连，但这样可使其受莱顿瓶内筒电荷感应而带电，可推导出放电小球会被感应出和与其相连的莱顿瓶内筒同电性的电荷。由于感应起电机在左右各有一莱顿瓶，若两莱顿瓶集聚不同
种电荷，则两放电小球上就会被感应出不同种电荷，当两小球靠近时就会因放电而产生电火花。需要说明的是，此莱顿瓶仅是储电设备，与小球是否放电无关，因为既使将其拆除，转动圆盘时两小球照常放电，只不过电火花很弱，但其频率更高。这是因为没有莱顿瓶后其电容减小了，可由公式U=Q/C解释：要产生电火花，两
小球间电压约为几万伏，当C减小时，悬空电刷仅需要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求，故与原来相比，放电频率会加大。但是由于小球上每次放电所放出的电量减少了，相应电流也会减小，因而电火花很小。
当顺时针摇动转轮上的摇柄时，分开的两个小球之间会有电火花产生，同时会听到噼里啪啦的放电声。这就是感应起电机的放电现象。这样的现象是如何产生的呢？下面我们就介绍一下它的原理。
由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。如图：假设刚摩擦时金属铝片S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2,Q1与Q2有大小之分。如图：