基于微電流傳感器的靜電感應(yīng)起電機實驗

慕曉艷，楊曉梅

(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

基礎(chǔ)教育

基于微電流傳感器的靜電感應(yīng)起電機實驗

慕曉艷，楊曉梅

(寧夏大學 物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

基于靜電感應(yīng)起電機的工作原理，分析了兩電刷桿垂直時產(chǎn)生最大電量的原因，并給予了合理的解釋. 同時利用微電流傳感器對靜電感應(yīng)起電機產(chǎn)生的電量進行了定性和定量的研究.

靜電感應(yīng)；起電機；微電流傳感器；電量

靜電感應(yīng)起電機(維氏起電機)是普通物理——電磁學部分重要的學習內(nèi)容，也是高中物理靜電學中常用的實驗儀器. 由于靜電感應(yīng)起電機自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，教學中師生做實驗時，對其產(chǎn)生的電量多少理解不夠透徹，無法進行定量分析. 文獻資料中也沒有對靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿垂直時能產(chǎn)生最大電量給出合理解釋. 為此本文探究了靜電感應(yīng)起電機工作原理，解釋了靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿垂直時產(chǎn)生最大電量的原因，并提出利用微電流傳感器和數(shù)字化儀通用軟件探究靜電感應(yīng)起電機在不同條件下所產(chǎn)生的電流大小并進行量化展示分析.

1 靜電感應(yīng)起電機起電原理

J2310型靜電感應(yīng)起電機是利用感應(yīng)作用起電的一種儀器，如圖1所示. 當轉(zhuǎn)動手搖柄時，2個起電盤同時逆向旋轉(zhuǎn)，使帶電系統(tǒng)特別是裝有手柄的放電球，分別積聚起大量的正負電荷. 以2個集電桿所在的水平面為參考平面，以搖柄所在的一側(cè)為研究對象，順時針撥動靜電感應(yīng)起電機電刷桿，由于受皮帶和支架的限制，電刷桿被撥動到最大位置是與集電桿成45°角；再逆時針撥動電刷桿，最大可以撥到與集電桿平行，角度為0°. 同理，以萊頓瓶所在一側(cè)的電刷桿為研究對象，電刷桿旋轉(zhuǎn)角度范圍也是0°～45°. 所以，靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿之間的夾角變化范圍為0°～90°. 本文將靜電感應(yīng)起電機起電原理分為2步討論:一是靜電感應(yīng)起電機工作原理；二是靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿垂直時起電量最大工作原理.

圖1 靜電感應(yīng)起電機結(jié)構(gòu)圖

1.1 靜電感應(yīng)起電機工作原理

圖2是靜電感應(yīng)起電機起電原理示意圖[1]. 大圓盤甲盤和小圓盤乙盤分別代表2個絕緣盤，把甲盤稱為外起電盤，乙盤稱為內(nèi)起電盤，A,B分別代表絕緣盤兩側(cè)的電刷桿，1,2和3,4分別代表電刷桿兩端的4個中和電刷. 由于大氣中存在各種射線以及其他引起空氣電離的因素，空氣中經(jīng)常存在微量電荷. 如果甲絕緣盤的導(dǎo)電層a偶然得到正電荷[如圖2(a)]，當它旋轉(zhuǎn)并經(jīng)過與電刷1相接觸的內(nèi)起電盤乙導(dǎo)電層b時，因感應(yīng)作用使b帶負電荷. 同時電刷B的另一端2所接觸的b′帶正電荷，外起電盤上的a′被感應(yīng)帶負電荷. b轉(zhuǎn)到電刷4時，與電刷4接觸的外起電盤上的導(dǎo)電層被感應(yīng)而帶正電荷. 同時與3接觸的外起電盤上的導(dǎo)電層帶負電荷. 此后當帶負電荷的導(dǎo)電層b轉(zhuǎn)到集電刷C(有一排尖針)時[如圖2(b)]，因感應(yīng)作用使D的尖端帶正電荷，使F側(cè)萊頓瓶和放電球F積聚了負電荷. 當帶正電荷的b′轉(zhuǎn)到集電刷N時，也因感應(yīng)作用使N的尖端帶負電荷，使E側(cè)萊頓瓶和放電球E積聚了正電荷. 由于尖端放電的作用，C上的正電荷和N的負電荷很容易跟b上的負電荷和b′上的正電荷中和. 所以當b和b′剛離開C和N以后，該兩導(dǎo)電層即不帶電. 當b和b′再分別轉(zhuǎn)到1和2時，它們又因感應(yīng)作用而各帶不同電性的電荷. 外起電盤的帶電情形也是如此. 因甲盤和乙盤的轉(zhuǎn)動方向相反，故內(nèi)外起電盤上導(dǎo)電層所帶的負電荷都因感應(yīng)作用積聚在放電球F上，其所帶的正電荷都積聚于E上，E和F所積聚的電荷達到相當多時，其電荷就由放電球放出，形成火花放電，這時萊頓瓶所積聚的電荷逐漸減少.

(a)

(b)圖2 靜電感應(yīng)起電機工作原理

在實驗中發(fā)現(xiàn)，兩電刷桿角度一定時，搖柄轉(zhuǎn)速越快，產(chǎn)生的電閃光越明亮，即感應(yīng)起電機產(chǎn)生的電量越多. 當勻速旋轉(zhuǎn)搖柄時，兩電刷桿之間角度越大，兩放電球之間產(chǎn)生的電閃光也越明亮；當夾角達到90°時，兩放電球間產(chǎn)生的電閃光最明亮，產(chǎn)生電量最多.

1.2 靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿垂直時起電量最大工作原理

由上論述可知：兩電刷桿夾角范圍為：0°～90°. 圖3為兩電刷桿垂直時起電量最大工作原理的示意圖. 2條互相垂直且過絕緣盤圓心的紅色虛線與互相垂直的兩電刷桿將絕緣盤平均分成8份. 改變兩電刷桿之間的夾角，由于皮帶和支架的限制，電刷1只能在③內(nèi)轉(zhuǎn)動，電刷2只能在⑦內(nèi)轉(zhuǎn)動. 同理，電刷3只能在④內(nèi)轉(zhuǎn)動，電刷4只能在⑧內(nèi)轉(zhuǎn)動. 兩電刷桿垂直時，設(shè)①②為第一象限，③④為第二象限，⑤⑥為第三象限，⑦⑧為第四象限，二、四象限可稱為集電象限. 所以，將垂直的電刷桿任意撥動為不垂直時，2個集電象限區(qū)域總會變小.

圖3 起電機兩電刷桿垂直時起電量最大工作原理示意圖

設(shè)絕緣電盤周長為x且勻速旋轉(zhuǎn)1周. 當兩電刷桿垂直時，兩集電梳從電盤上二、四象限集電，每個集電梳集電路程為x/4，則集電總路程為x/2. 當兩電刷桿不垂直時，兩集電梳從電盤上集電象限集電，每個集電梳集電路程總小于x/4，則集電總路程總小于x/2.

綜合分析靜電感應(yīng)起電機原理得出：當2個電刷桿垂直時，勻速旋轉(zhuǎn)絕緣電盤，集電梳所集的電量最多.

2 用微電流傳感器實證靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿垂直時起電量最大

靜電感應(yīng)起電機起電量的大小不僅與搖柄轉(zhuǎn)速有關(guān)，也與兩電刷桿所成角度的大小有關(guān). 當兩電刷桿角度固定時，搖柄轉(zhuǎn)速越快，兩放電球間電閃光越明亮，即產(chǎn)生的電量越多. 當搖柄搖速恒定時，改變兩電刷桿間角度，探究產(chǎn)生的電量的變化規(guī)律.

2.1 實驗裝置

實驗中所用器材有靜電感應(yīng)起電機、微電流傳感器、傳感器數(shù)據(jù)采集器和計算機(安裝數(shù)字化儀通用軟件). 計算機和傳感器數(shù)據(jù)采集器由USB數(shù)據(jù)連接線連接，采集器和微電流傳感器由導(dǎo)線連接，微電流傳感器和靜電感應(yīng)起電機由2根導(dǎo)線連接. 利用傳感器及相應(yīng)軟件，對數(shù)字化實驗教學的數(shù)據(jù)采集和圖形處理，繪制實驗波形圖，保存實驗數(shù)據(jù).

2.2 實驗原理

微電流傳感器能精確地檢測量電流，并能按一定規(guī)律變換成為實驗所需形式的信息輸出. 當轉(zhuǎn)動靜電感應(yīng)起電機手搖柄時，傳感器可以檢測到所產(chǎn)生的微電流I(μA)，通過數(shù)據(jù)采集器實時數(shù)據(jù)采集、處理，用數(shù)字化實驗儀通用軟件在數(shù)據(jù)表格窗口記錄數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)采集完畢后，選擇求平均值的計算方法算出產(chǎn)生電流的平均值. 最后，基于所采集的實驗數(shù)據(jù)在組合圖形窗口繪制實驗波形圖.

2.3 實驗現(xiàn)象

在數(shù)字化實驗儀通用軟件中設(shè)置采樣頻率為20 Hz，并以恒定的速度轉(zhuǎn)動搖柄，改變靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿之間的角度為0°，45°，90°，有如下實驗現(xiàn)象：

1)當靜電感應(yīng)起電機的兩電刷桿之間夾角為0°，勻速轉(zhuǎn)動搖柄，用數(shù)字化儀通用軟件采集到實驗波形圖如圖4所示，圖中橫坐標為采集點數(shù)n，縱坐標為電流I(μA). 此時，利用相應(yīng)軟件計算出產(chǎn)生的電流平均值為-0.036 μA.

圖4 起電機兩電刷桿成0°角時起電電流與采集點數(shù)的實驗圖形

2)當靜電感應(yīng)起電機的兩電刷桿之間夾角為45°，以同樣的速度旋轉(zhuǎn)搖柄，同理用數(shù)字化儀通用軟件繪制出相應(yīng)波形，計算出此條件下產(chǎn)生的電流平均值為1.23 μA.

3)當靜電感應(yīng)起電機的兩電刷桿之間夾角為90°，以同樣的速度旋轉(zhuǎn)搖柄，用數(shù)字化實驗儀通用軟件繪制出相應(yīng)波形，計算出此條件下產(chǎn)生的電流平均值為3.07 μA.

4)將微電流傳感器的兩根導(dǎo)線與靜電感應(yīng)起電機的兩根集電桿接通，勻速轉(zhuǎn)動搖柄，同時用絕緣棒勻速撥動電刷桿，使兩電刷桿之間夾角由0°→90°→0°，如此多次重復(fù)實驗. 軟件采集到的實驗波形圖如圖5所示，可觀察到電流隨電刷桿的轉(zhuǎn)動大概呈周期性波形，且有其夾角從0°到90°時電流呈增大趨勢；從90°到0°電流呈減小趨勢；波峰處為兩電刷桿夾角為90°左右；波谷處為兩電刷桿夾角為0°左右.

由以上實驗現(xiàn)象可知：當搖柄轉(zhuǎn)速一定時，靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿所成角度越大產(chǎn)生的電量越多. 當兩電刷桿之間角度為0°時，產(chǎn)生電量較小(見圖5波谷)；兩電刷桿之間角度為90°時，產(chǎn)生電量最大(見圖5波峰)，即靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿互相垂直時起電量最大.

圖5 靜電感應(yīng)起電機起電電流與采集點數(shù)的實驗圖形

3 結(jié)束語

綜上所述，基于微電流傳感器的靜電感應(yīng)起電機實驗拓展研究，當搖柄轉(zhuǎn)速一定時，靜電感應(yīng)起電機所產(chǎn)生的電量隨著兩電刷桿角度的增大而增大，夾角為0°時產(chǎn)生電量達到最小值，夾角為90°時產(chǎn)生電量達到最大值. 對靜電感應(yīng)起電機兩電刷桿垂直時，起電量最大進行理論解析，并且利用傳感器實驗進行實證分析. 基于傳感器拓展實驗不僅使物理知識呈現(xiàn)的維度得到了增加，化抽象、概括為形象、具體，而且促進了物理思維的可視化，使師生可以直觀、形象地理解靜電感應(yīng)起電機的相關(guān)原理.

[1] 梁燦彬,秦光戎,梁竹建. 電磁學[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社,2006:68-70.

[責任編輯：尹冬梅]

Research on the experimental development of electrostatic induction generator based on weak current sensor

MU Xiao-yan， YANG Xiao-mei

(School of Physics and Electronic-Electrical Engineering, Ningxia University,Yinchuan 750021, China)

Based on the working principle of electro static induction generator, the reason why the two electric brushes produced maximum electric quantity when they were mutually perpendicular was analyzed. And a reasonable explanation was given. Using weak current sensor, the electric quantity generated by the electro static induction generator was researched qualitatively and quantitatively.

electro static induction； generator; weak current sensor; electric quantity

2016-05-17

寧夏大學2016年研究生創(chuàng)新項目(No.GIP201602) ；寧夏大學創(chuàng)新項目(No.NGY2016077)

慕曉艷(1989-)，女，陜西榆林人，寧夏大學物理與電子電氣工程學院2015級研究生.

指導(dǎo)教師：楊曉梅(1963-)，女，寧夏銀川人，寧夏大學物理與電子電氣工程學院教授，碩士，從事物理教學研究工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)03-0056-04