第3章　起電機的誕生與發展

漫長的中世紀后，1600年，英國著名醫生、物理學家、電磁學之父吉爾伯特出版了《論磁》。這是電磁學的開山之作。這位從醫學到物理學的偉大人物第一次區分了靜電吸引和磁現象的不同。

半個世紀之后，德國物理學家奧托·馮·格里克制造了世界上第一臺摩擦起電機。又過了半個多世紀，1706年，英國科學家豪克斯比制造了玻璃球摩擦起電機。這種摩擦起電機經過不斷改進，在后來的靜電實驗中起到了巨大作用。直到19世紀感應起電機發明后，它才被送進博物館。

世界上第一臺摩擦起電機

從泰勒斯發現摩擦琥珀可以起電后的2000多年的時間里，摩擦起電幾乎成為人們獲得電的唯一方法。隨著時間的推移，歐洲人對自然界的興趣越來越濃。格里克覺得用毛皮或絲綢摩擦起電比較費事，于是，他發明了一種摩擦起電機。

1660年的某一天晚上，格里克在他的房間做摩擦起電的實驗，當他用手指拈住一塊剛摩擦過的琥珀時，好像聽到了一點很微弱的噼啪聲。他覺得很奇怪，又連續做了幾次，這時天色已經全黑了，當他再次用手拈住琥珀時，又看到每一次噼啪聲伴有很微弱的閃光。格里克認為，這噼啪聲和閃光可能是一部分電釋放出來了。但是由于這聲音太輕，閃光也太弱，無法得到證實。如果將實驗進行下去，必須要有一塊很大的琥珀，讓它充上更多的電，然而大塊的琥珀價格非常昂貴，格里克不得不轉向考慮用別的物質來代替琥珀。他做了許多實驗，最后用硫黃代替琥珀做成了摩擦起電機。

格里克拿來一個有足球那樣大的球狀玻璃燒瓶，里面裝滿了黃色的硫黃碎塊，用火加熱到硫黃全部熔化，同時不斷向瓶里加進硫黃，直到燒瓶里充滿硫黃熔液為止。然后向燒瓶正中插入一根圓木柄，待硫黃冷卻以后，就把外面的玻璃燒瓶敲掉，這時就得到了一個帶有一根木柄的黃色硫黃球。格里克把硫黃球放在一個木制的托架上，使它可以自由轉動，他用一只手握住木柄，使硫黃球繞軸旋轉，另一只手按在球體上，隨著球的不停轉動，硫黃球表面就會因摩擦而生電，充滿大量的電荷。通過實驗發現：起電的硫黃球不僅能吸引紙屑，有時也會排斥它們。在夜里或在暗室里摩擦硫黃球，能看到閃爍的電火花。這就是世界上第一臺摩擦起電機。

不斷改進的起電機

17世紀的歐洲科學家紛紛致力于制造起電機。

1705年，英國科學家弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee，1666—1713）根據格里克起電機的原理，制成了當時非常吸引人的玻璃球起電機。他用一個帶柄的中空的玻璃球代替格里克用的實心硫黃球，并在球的下方裝上了一個帶手柄的圓盤，搖動手柄，圓盤會帶動球轉動。用手摩擦球的外面，球的里面會產生電火花。電火花透過透明的玻璃球壁時，發出一道朦朧的藍光。這在當時被認為是一個凡人模仿上帝的神跡，幾乎是不可思議的。豪克斯比居然可以利用它在暗室里讀書、寫字。這是人類歷史上電氣照明的前奏，豪克斯比的起電機還真可以說是世界上第一盞“電燈”呢。

1742年，英國科學家戈登又改進了摩擦起電機，他用圓玻璃柱代替玻璃球，并提高轉速，使其達到每分鐘680圈，因此能產生強烈的火花，甚至可以電死小鳥。1745年，蘇格蘭人溫克勒又把玻璃管安裝在用腳踏板踩動的軸上，這樣可用腳踏代替手搖，并用安裝在彈簧上的皮革墊子代替干手掌摩擦玻璃柱。他用改進后的起電機在很多人的集會上表演，用產生的火花來點燃酒精燈，并表演從人的手指上產生火花。

1768年，英國人冉斯登（1735—1800）用平的玻璃板代替玻璃球或玻璃柱制成了平板摩擦起電機。

1779年，荷蘭人印根豪茨（1733—1799）在圓玻璃板上、下方安裝了4個軟墊，用軟墊和玻璃摩擦，而不再使用手摩擦起電。

1785年，荷蘭人馬魯姆（1750—1837）制成了帶有兩塊玻璃板的摩擦起電機。兩塊板平行放置，安在一個公共軸上，每塊玻璃板都有四個墊子與它摩擦，并用帶有尖端的導體從板上收集電。

維姆胡斯特起電機

1882年，英國人詹姆斯·維姆胡斯特（James Wimshurst，1832—1903）發明了我們今天看到的圓盤式靜電感應起電機。這種摩擦起電機的效率很高，并能產生高電壓，因此一直沿用至今。在教學上做摩擦起電演示實驗時，使用的就是這種起電機，在科技館里也能看到這種摩擦起電機。

維姆胡斯特發明的圓盤式靜電感應起電機由兩個一樣大的玻璃圓盤組成，圓盤的外側貼一圈金屬片。兩根皮帶帶動圓盤旋轉，其中一根皮帶被旋轉180°，這樣當搖動手柄時就可以使兩個圓盤具有相同的旋轉角速度和不同的旋轉方向。金屬導桿在圓盤的兩側，金屬導桿的兩端通過金屬刷與圓盤上的金屬片接觸。感應起電機有兩個串聯的萊頓瓶。金屬刷把電荷收集存儲到萊頓瓶中。萊頓瓶連接兩個放電桿，放電桿的末端是兩個放電小球。

維姆胡斯特靜電起電機工作原理：每一個金屬部件都有兩個面，它們之間存在電荷不平衡，當一個充滿正電的金屬片接近一個沒有電荷的金屬時，電荷不平衡使電荷向不帶電的金屬流動。如果在把充上電荷的金屬片從感應場移開之前將沒有感應電的金屬遠端接地，這樣剩下部分就會帶滿負電荷。這種接地作用相當于機器上的中和極的功能。反向旋轉磁盤確保這個動作反復發生，增加各部分之間的相互充電。反向旋轉磁盤持續通過金屬片（鋁箔片），金屬片相鄰但是沒有挨在一起，金屬片之間的電荷會越來越多。把電荷傳送到萊頓瓶中存儲起來，當電壓差足夠大的時候，兩個電極之間就會放電，發出電火花。

范德格拉夫起電機

現在著名的范德格拉夫起電機是由美國物理學家羅伯特·杰米森·范德格拉夫（van de Graaf，1901—1967）于1931年[注]發明的。這種起電機能夠產生非常高的電壓。

范德格拉夫發明起電機的目的是為早期的粒子加速器提供所需的高能量。這些加速器被稱為原子粉碎機，因為它們能夠將亞原子顆粒加速至非常高的速度，然后將它們“撞擊”到目標原子中。碰撞能夠產生其他亞原子顆粒和高能量放射線（例如X射線）。產生這些高能量碰撞是粒子物理和核物理的基礎。

范德格拉夫起電機由電機、兩個滾軸、傳動皮帶、兩個電刷部件、輸出端子（通常為金屬球或鋁球）等部件組成。

其工作原理：在范德格拉夫起電機內，一條傳動皮帶套在起電機底部的一個塑膠滾軸上，當電機帶動滾軸轉動時，皮帶與滾軸發生摩擦并使滾軸帶有負電荷，當滾軸持續轉動時，其負電荷會一直累積，并在滾軸下方的尖銳金屬刷上感應出正電荷。滾軸和金屬刷間的電荷持續增加并使金屬刷附近的空氣分子電離。電離后的空氣正離子會受金屬刷的排斥而依附在皮帶的表面，這些正離子被皮帶帶到上方的空心圓頂（起電機的金屬罩）。在起電機的上方通過空氣電離及尖銳金屬刷，正電荷將會轉移到金屬罩上。這樣會使得大量的正電荷積存在金屬罩上，并使它的電位增加。

當我們把金屬棒靠近金屬罩時，若它們之間電位差達到約30000伏特每厘米，而空氣又較為干燥時，金屬棒及金屬罩之間就會產生電流并由金屬罩流向金屬棒，此時我們會看見火花的產生。

如果人們嘗試用手觸摸金屬罩，他們的頭發將會豎起，這是因為每根頭發由金屬罩得到相同的電荷，從而互相排斥。

摩擦起電機經過英國、德國幾代科學家改進，其效力和威力都有了很大提高，能夠產生強大的火花。特別是能從人身上生出火花來，引起世人的驚嘆，促使人們對電的本質、物質結構以及雷電現象等進行探索，從而促進了電學的發展。

什么是起電機

感應起電機是一種能連續取得并可積累較多正、負電荷的實驗裝置。感應起電機所產生的電壓較高，與其他儀器配合可進行靜電感應、雷電模擬、尖端放電等有關靜電現象的實驗。

靜電起電機是一種借助人力或其他動力克服靜電力以獲得靜電的機械，簡稱起電機。跟一般的發電機不同，起電機只能產生較高的電壓，而由此放電產生的短暫脈沖電流平均值很小，一般不超過幾毫安。

你知道嗎？

日常靜電的應用

在日常生活中有很多靜電的應用，如復印機、靜電除塵器、靜電噴漆。此外，認識靜電使我們避免它可能帶來的危險，例如在運載易燃物品的車輛尾端系上接地鐵鏈，把電荷傳到地面，以免電火花引致火災。同一道理，在醫院的手術室里，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。

靜電的危害

靜電是由不同物質的接觸、分離或相互摩擦而產生的，靜電的電位一般比較高，例如人在脫衣服時，有時可產生1萬多伏的電壓（不過其總的能量是較小的）。靜電的危害大體上分為使人體受電擊、影響產品質量和引起著火爆炸三個方面，其中以引起著火爆炸最為嚴重，可能導致人員傷亡和財產損失。靜電放電時產生火花將可燃物引燃，因此，在有汽油、苯、氫氣等易燃物質的場所，人們要特別注意防止危害。

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[注]　一說1929年。