有趣問題–范德格拉夫起電機
文﹕石海燕

范德格拉夫起電機如何運作?

范德格拉夫起電機的原理
圖一  范德格拉夫起電機的原理。
 
一個不帶電的金屬小球被起電機的球形罩吸引
圖二  一個不帶電的金屬小球被起電機的球形罩吸引,你知道原因嗎?
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范德格拉夫起電機是由美國科學家范德格拉夫 (1901- 1967) 於1931年發明的。起電機以摩擦生電的原理,不斷產生大量電荷。圖為學校普遍使用的一種模型,內埵酗@條橡皮帶,由膠轆帶動運轉。當點電極藉摩擦或高電壓產生靜電,運轉的橡皮帶便會將電荷不斷地傳到球形金屬罩的內表面。因為電荷之間互相排斥,所以電荷便移動到球形罩的外表面,形成大量電荷積聚在球形罩上。

起電機有甚麼應用?

范德格拉夫起電機球形罩上的電荷能產生超過一千萬伏特的電壓。在核物理實驗中,如此高的電壓可用來加速各種帶電粒子,如質子、電子等。此外,這種起電機也可用來演示很多有趣的靜電現象,如使頭髮豎立起來、吸引發泡膠球、產生電火花、用電風使「風車」旋轉等。透過這些現象,我們可以更了解靜電的特質。

使頭髮豎立

我們可以站在絕緣的椅子上,用手按著起電機的球形金屬罩。由於人的身體也可導電,所以當起電機啟動時,電荷便傳到我們的身體上。而因為頭髮上的電荷互相排斥,頭髮便豎立起來。

吸引發泡膠球

當發泡膠球移近起電機的球形罩時,發泡膠球中分子內的電荷分佈將發生變化。在分子內,正負兩極的電荷被輕微地分離,產生所謂極化的現象。此時球形罩上的電荷與分子內相反的電荷產生微小的吸力,從而吸引整個發泡膠球。

產生電火花

把接地的金屬小球移近起電機的球形罩時,強大的電場使電荷由球形罩躍向金屬小球,在空氣中產生大量離子和電子。因為離子的能態比不帶電的空氣分子高,所以它們便自發地釋放能量,產生火花。這是在空氣中的放電現象,例如閃電就是電荷從一片雲躍向另一片雲或地面的放電現象。

產生電風

帶電導體的尖端區域具有較高的表面電荷密度,而電荷密度越高,所產生的電場越強。而強大的電場使尖端周圍的空氣分子電離,空氣中與導體電荷相反的離子或電子被尖端吸引,而那些與導體電荷相同的離子或電子則被尖端排斥到遠處,這現象稱為尖端效應。離子運動時拖動空氣分子,產生電風,可使扇葉轉動。

日常生活中的靜電

在日常生活中有很多靜電的應用,像影印機、靜電除塵器、靜電噴漆。此外,認識靜電使我們避免它可帶來的危險,例如在運載易燃物品的車輛尾端繫上接地鐵鏈,把電荷傳到地面,以免電火花引致火災。同一道理,醫院的手術室堙A因為時常應用氧氣和易燃的麻醉藥物,所以地板通常是抗靜電的,而所有機器亦需接地,以免火花引發爆炸。