基于微电流传感器的静电感应起电机实验

慕晓艳，杨晓梅

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

基础教育

基于微电流传感器的静电感应起电机实验

慕晓艳，杨晓梅

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

基于静电感应起电机的工作原理，分析了两电刷杆垂直时产生最大电量的原因，并给予了合理的解释. 同时利用微电流传感器对静电感应起电机产生的电量进行了定性和定量的研究.

静电感应；起电机；微电流传感器；电量

静电感应起电机(维氏起电机)是普通物理——电磁学部分重要的学习内容，也是高中物理静电学中常用的实验仪器. 由于静电感应起电机自身结构较为复杂，教学中师生做实验时，对其产生的电量多少理解不够透彻，无法进行定量分析. 文献资料中也没有对静电感应起电机两电刷杆垂直时能产生最大电量给出合理解释. 为此本文探究了静电感应起电机工作原理，解释了静电感应起电机两电刷杆垂直时产生最大电量的原因，并提出利用微电流传感器和数字化仪通用软件探究静电感应起电机在不同条件下所产生的电流大小并进行量化展示分析.

1 静电感应起电机起电原理

J2310型静电感应起电机是利用感应作用起电的一种仪器，如图1所示. 当转动手摇柄时，2个起电盘同时逆向旋转，使带电系统特别是装有手柄的放电球，分别积聚起大量的正负电荷. 以2个集电杆所在的水平面为参考平面，以摇柄所在的一侧为研究对象，顺时针拨动静电感应起电机电刷杆，由于受皮带和支架的限制，电刷杆被拨动到最大位置是与集电杆成45°角；再逆时针拨动电刷杆，最大可以拨到与集电杆平行，角度为0°. 同理，以莱顿瓶所在一侧的电刷杆为研究对象，电刷杆旋转角度范围也是0°～45°. 所以，静电感应起电机两电刷杆之间的夹角变化范围为0°～90°. 本文将静电感应起电机起电原理分为2步讨论:一是静电感应起电机工作原理；二是静电感应起电机两电刷杆垂直时起电量最大工作原理.

图1 静电感应起电机结构图

1.1 静电感应起电机工作原理

图2是静电感应起电机起电原理示意图[1]. 大圆盘甲盘和小圆盘乙盘分别代表2个绝缘盘，把甲盘称为外起电盘，乙盘称为内起电盘，A,B分别代表绝缘盘两侧的电刷杆，1,2和3,4分别代表电刷杆两端的4个中和电刷. 由于大气中存在各种射线以及其他引起空气电离的因素，空气中经常存在微量电荷. 如果甲绝缘盘的导电层a偶然得到正电荷[如图2(a)]，当它旋转并经过与电刷1相接触的内起电盘乙导电层b时，因感应作用使b带负电荷. 同时电刷B的另一端2所接触的b′带正电荷，外起电盘上的a′被感应带负电荷. b转到电刷4时，与电刷4接触的外起电盘上的导电层被感应而带正电荷. 同时与3接触的外起电盘上的导电层带负电荷. 此后当带负电荷的导电层b转到集电刷C(有一排尖针)时[如图2(b)]，因感应作用使D的尖端带正电荷，使F侧莱顿瓶和放电球F积聚了负电荷. 当带正电荷的b′转到集电刷N时，也因感应作用使N的尖端带负电荷，使E侧莱顿瓶和放电球E积聚了正电荷. 由于尖端放电的作用，C上的正电荷和N的负电荷很容易跟b上的负电荷和b′上的正电荷中和. 所以当b和b′刚离开C和N以后，该两导电层即不带电. 当b和b′再分别转到1和2时，它们又因感应作用而各带不同电性的电荷. 外起电盘的带电情形也是如此. 因甲盘和乙盘的转动方向相反，故内外起电盘上导电层所带的负电荷都因感应作用积聚在放电球F上，其所带的正电荷都积聚于E上，E和F所积聚的电荷达到相当多时，其电荷就由放电球放出，形成火花放电，这时莱顿瓶所积聚的电荷逐渐减少.

(a)

(b)图2 静电感应起电机工作原理

在实验中发现，两电刷杆角度一定时，摇柄转速越快，产生的电闪光越明亮，即感应起电机产生的电量越多. 当匀速旋转摇柄时，两电刷杆之间角度越大，两放电球之间产生的电闪光也越明亮；当夹角达到90°时，两放电球间产生的电闪光最明亮，产生电量最多.

1.2 静电感应起电机两电刷杆垂直时起电量最大工作原理

由上论述可知：两电刷杆夹角范围为：0°～90°. 图3为两电刷杆垂直时起电量最大工作原理的示意图. 2条互相垂直且过绝缘盘圆心的红色虚线与互相垂直的两电刷杆将绝缘盘平均分成8份. 改变两电刷杆之间的夹角，由于皮带和支架的限制，电刷1只能在③内转动，电刷2只能在⑦内转动. 同理，电刷3只能在④内转动，电刷4只能在⑧内转动. 两电刷杆垂直时，设①②为第一象限，③④为第二象限，⑤⑥为第三象限，⑦⑧为第四象限，二、四象限可称为集电象限. 所以，将垂直的电刷杆任意拨动为不垂直时，2个集电象限区域总会变小.

图3 起电机两电刷杆垂直时起电量最大工作原理示意图

设绝缘电盘周长为x且匀速旋转1周. 当两电刷杆垂直时，两集电梳从电盘上二、四象限集电，每个集电梳集电路程为x/4，则集电总路程为x/2. 当两电刷杆不垂直时，两集电梳从电盘上集电象限集电，每个集电梳集电路程总小于x/4，则集电总路程总小于x/2.

综合分析静电感应起电机原理得出：当2个电刷杆垂直时，匀速旋转绝缘电盘，集电梳所集的电量最多.

2 用微电流传感器实证静电感应起电机两电刷杆垂直时起电量最大

静电感应起电机起电量的大小不仅与摇柄转速有关，也与两电刷杆所成角度的大小有关. 当两电刷杆角度固定时，摇柄转速越快，两放电球间电闪光越明亮，即产生的电量越多. 当摇柄摇速恒定时，改变两电刷杆间角度，探究产生的电量的变化规律.

2.1 实验装置

实验中所用器材有静电感应起电机、微电流传感器、传感器数据采集器和计算机(安装数字化仪通用软件). 计算机和传感器数据采集器由USB数据连接线连接，采集器和微电流传感器由导线连接，微电流传感器和静电感应起电机由2根导线连接. 利用传感器及相应软件，对数字化实验教学的数据采集和图形处理，绘制实验波形图，保存实验数据.

2.2 实验原理

微电流传感器能精确地检测量电流，并能按一定规律变换成为实验所需形式的信息输出. 当转动静电感应起电机手摇柄时，传感器可以检测到所产生的微电流I(μA)，通过数据采集器实时数据采集、处理，用数字化实验仪通用软件在数据表格窗口记录数据. 数据采集完毕后，选择求平均值的计算方法算出产生电流的平均值. 最后，基于所采集的实验数据在组合图形窗口绘制实验波形图.

2.3 实验现象

在数字化实验仪通用软件中设置采样频率为20 Hz，并以恒定的速度转动摇柄，改变静电感应起电机两电刷杆之间的角度为0°，45°，90°，有如下实验现象：

1)当静电感应起电机的两电刷杆之间夹角为0°，匀速转动摇柄，用数字化仪通用软件采集到实验波形图如图4所示，图中横坐标为采集点数n，纵坐标为电流I(μA). 此时，利用相应软件计算出产生的电流平均值为-0.036 μA.

图4 起电机两电刷杆成0°角时起电电流与采集点数的实验图形

2)当静电感应起电机的两电刷杆之间夹角为45°，以同样的速度旋转摇柄，同理用数字化仪通用软件绘制出相应波形，计算出此条件下产生的电流平均值为1.23 μA.

3)当静电感应起电机的两电刷杆之间夹角为90°，以同样的速度旋转摇柄，用数字化实验仪通用软件绘制出相应波形，计算出此条件下产生的电流平均值为3.07 μA.

4)将微电流传感器的两根导线与静电感应起电机的两根集电杆接通，匀速转动摇柄，同时用绝缘棒匀速拨动电刷杆，使两电刷杆之间夹角由0°→90°→0°，如此多次重复实验. 软件采集到的实验波形图如图5所示，可观察到电流随电刷杆的转动大概呈周期性波形，且有其夹角从0°到90°时电流呈增大趋势；从90°到0°电流呈减小趋势；波峰处为两电刷杆夹角为90°左右；波谷处为两电刷杆夹角为0°左右.

由以上实验现象可知：当摇柄转速一定时，静电感应起电机两电刷杆所成角度越大产生的电量越多. 当两电刷杆之间角度为0°时，产生电量较小(见图5波谷)；两电刷杆之间角度为90°时，产生电量最大(见图5波峰)，即静电感应起电机两电刷杆互相垂直时起电量最大.

图5 静电感应起电机起电电流与采集点数的实验图形

3 结束语

综上所述，基于微电流传感器的静电感应起电机实验拓展研究，当摇柄转速一定时，静电感应起电机所产生的电量随着两电刷杆角度的增大而增大，夹角为0°时产生电量达到最小值，夹角为90°时产生电量达到最大值. 对静电感应起电机两电刷杆垂直时，起电量最大进行理论解析，并且利用传感器实验进行实证分析. 基于传感器拓展实验不仅使物理知识呈现的维度得到了增加，化抽象、概括为形象、具体，而且促进了物理思维的可视化，使师生可以直观、形象地理解静电感应起电机的相关原理.

[1] 梁灿彬,秦光戎,梁竹建. 电磁学[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社,2006:68-70.

[责任编辑：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

宁夏大学2016年研究生创新项目(No.GIP201602) ；宁夏大学创新项目(No.NGY2016077)

慕晓艳(1989-)，女，陕西榆林人，宁夏大学物理与电子电气工程学院2015级研究生.

指导教师：杨晓梅(1963-)，女，宁夏银川人，宁夏大学物理与电子电气工程学院教授，硕士，从事物理教学研究工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)03-0056-04