范德格拉夫起电机

范德格拉夫起电机是一台利用滑动的皮带去累积非常高的静电电压到空心金属罩的机器。

罗拔范德格拉夫 (Robert Van de Graaff, 1901-1967) 是美国的物理学家和仪器制造者。约于1930年，他建造了第一台类似的起电机，当时其目的是用来加速原子等粒子，图1。

图1: 罗拔范德格拉夫和早期的范德格拉夫起电机

在范德格拉夫起电机内，一条滑动皮带套在起电机底部的一个塑胶滚轴上，图2。当马达带动滚轴转动时，皮带与滚轴发生摩擦并使滚轴带有负电荷。当滚轴持续转动时，其负电荷会一直累积，并在滚轴下方的尖锐金属刷上感应出正电荷。滚轴和金属刷间的电场持续增加并使金属刷附近的空气分子电离。电离后的空气正离子会受金属刷的排斥而依附在皮带的表面，这些正离子被皮带带到上方的空心圆顶 (起电机的金属罩)。同样地，在起电机的上方透过空气电离及尖锐金属刷，正电荷将会转移到金属罩上。这样会使得大量的正电荷积存在金属罩上，并使它的电位增加。

图2: 范德格拉夫起电机的基本结构

当我们把金属棒靠近金属罩，若它们之间电位差达到每公分约30000伏特，而空气又较为旱燥时，金属棒及金属罩之间就会产生电流并由金属罩流向金属棒，此时我们就会看见火花的产生，图3。

图3: 把金属棒靠近金属罩

如果人们尝试用手触摸金属罩，他们的头发将会竪起，图4，这是因为每根头发由金属罩得到相同的电荷，而互相排斥。

图4

范德格拉夫起电机通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面。范德格拉夫起电机非常易于获得非常高的电压，现代的范德格拉夫起电机电势可达500万伏特。

结构及原理

结构如图，空心金属圆球A放在绝缘圆柱 C 上，圆柱内B为由电动机带动上下运动的丝带（绝缘传送带），金属针尖 E 与数万伏的直流电源相接，电源另一端接地，由于针尖的放电作用，电荷将不断地被喷送到传送带B上。另一金属针尖F与导体球 A 的内表面相联。当带电的传送带转动到针尖 F 附近时，由于静电感应和电晕放电作用，传送带上的电荷转移到针尖 F 上，进而移至导体球A的外表面，使导体球A带电。随着传送带不断运转，A球上的电量越来越多，电势也不断增加。通常半径为1米的金属球可产生约 1 兆伏（对地）的高电压。为了减少大气中的漏电，提高电压，减小体积，可将整个装置放在充有10～20个大气压的氮气的钢罐之中。

产生正极性电的范德格拉夫起电机可用作正离子的加速电源，产生负极性电的则可用于高穿透性的 X 射线发生器中。

范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压。在核物理实验中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子，如质子、电子等。此外，这种起电机也可用来演示很多有趣的静电现象，如使头发竖立起来、吸引发泡胶球、产生电火花、用电风使风车旋转等。

结构展示：ac4575281 

祝各位玩得愉快！