起电机，又名感应起电机，旋转盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组成，中有空隙，每块向外的表面上都贴有铝片，铝片以圆心为中心对称分布。

简介

历史、原理和操作方法

范德格拉夫起电机

静电起电机

滴水起电机

维氏起电机

静电感应起电机(一、结构 二、正转、反转状态下的工作原理 三 、拓展实验)

简介

由于两盘分别与两个受动轮固定，并依靠皮带与驱动轮相连，由于两根皮带中有一根中间有交叉，因此转动驱动轮时两盘转向相反。如图所示，盘转向为：正面顺时针，反面逆时针。两盘上各有一过圆心的固定电刷，两电刷呈９０度夹角，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，这样在盘旋转时铜丝铝片可以摩擦起电。在图2所示位置有悬空电刷E，悬空电刷与电刷成45°夹角，每个刷的两脚跨过两盘，但并不与两盘接触，脚上装有许多尖细铜丝，铜丝尖端指向圆盘上的铝片。悬空电刷由金属杆与莱顿瓶相连。

莱顿瓶其实是个电容，用来储电。如图3所示为莱顿瓶结构，由两层筒状锡箔组成，中间是电介质，上有瓶盖。悬空电刷上的金属杆插入瓶盖一半，末端由一根较粗铜丝与莱顿瓶内层锡箔筒底相连，这样悬空电刷上所集电荷可以储存在莱顿瓶中。图3所示放电小球也通过一金属杆与莱顿瓶盖相接，此杆插入瓶盖一半且不与集电叉相触，也不与莱顿瓶中锡箔筒相连，但这样可使其受莱顿瓶内筒电荷感应而带电，可推导出放电小球会被感应出和与其相连的莱顿瓶内筒同电性的电荷。由于感应起电机在左右各有一莱顿瓶，若两莱顿瓶集聚不同种电荷，则两放电小球上就会被感应出不同种电荷，当两小球靠近时就会因放电而产生电火花。需要说明的是，此莱顿瓶仅是储电设备，与小球是否放电无关，因为即使将其拆除，转动圆盘时两小球照常放电，只不过电火花很弱，但其频率更高。这是因为没有莱顿瓶后其电容减小了，可由公式U=Q/C解释：要产生电火花，两小球间电压约为几万伏，当C减小时，悬空电刷仅需要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求，故与原来相比，放电频率会加大。但是由于小球上每次放电所放出的电量减少了，相应电流也会减小，因而电火花很小。

历史、原理和操作方法

1882年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，其中两同轴玻璃圆板可反向高速转动，摩擦起电的效率很高，并能产生高电压。这种起电机一直沿用至今，在各中学的物理课堂上作电学演示实验时，就经常用到它。摩擦起电机的出现，这种由人工产生的新奇电现象，引起了社会广泛的关注，不仅一些王公贵族观看和欣赏电的表演，连一般老百姓也受到吸引。整个社会都对电现象感兴趣，普遍渴望获得电的知识。电学讲座成为广泛的要求，演示电的实验吸引了大量的观众，甚至大学上课时的电学演示实验，公众都挤过去看，以至达到把大学生都挤出座位的地步。摩擦起电机的出现，也为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要的作用。

感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。感应起电机所产生的电压较高，与其他仪器配合后，可进行静电感应、雷电模拟实验、演示尖端放电等有关静电现象的实验。

感应起电机如图12-10所示，使用感应起电机前，必须先进行目测各部件是否完好，紧固件是否松动，如发现故障要待排除后才能使用。对起电机目测时要注意以下几点：

（l）两电刷应互成90度夹角，各与横梁成45度。

（2）集电杆的电梳的尖针不能触及起电圆盘。

（3）电刷与金属箔片的接触要可靠。

（4）两传动皮带的其中一根在传动轮间交叉安装，以使两起电圆盘工作时反向旋转。

使用感应起电机时要保持室内空气干燥无尘污，如空气潮湿或低温季节，圆盘表面会形成一层水雾，该水雾与圆盘表面的尘埃等杂质形成导电层，从而影响实验的效果。

为了克服上述原因造成的起电机不起电的现象，可事先把起电机放在阳光下照射片刻，也可用红外线灯或自制的烘箱进行烘烤，烘烤的温度在圆盘处不得超过40℃。

操作起电机时，动作要缓和，由慢到快，但速度不能太快，以防起电机发生共振而损坏机件。

起电机带电后（包括刚停止摇动时），集电杆等处会集结电荷，这时人体各部分如不慎触及，就会产生电击的强烈刺激。但是，起电机所带的电虽电压很高（约几万伏），但其电流却极小，一般仅几个微安，对人体无多大危害。

起电机使用完毕应罩上防尘的塑料袋，并存放在干燥的橱内。

感应起电机正转、反转状态下的工作原理

由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。如图：假设刚摩擦时金属铝片S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2,Q1与Q2有大小之分。

当圆盘转过90°时，S1与反面电刷Bˊ相对，此时S2ˊ、S1ˊ分别与S1、S2相对。假设Q1＞Q2，由于S1ˊ与S2ˊ之间有电刷连接，会引起自由电子移动，使得S1ˊ带正电荷，S2ˊ带负电荷。

当圆盘再转过45°时，S1、S2分别顺时针转至与电极相接的悬空电刷E2、E1处，并在该处放电使E1、E2带正电荷，这些正电荷又被积聚在莱顿瓶C1、C2中。

当圆盘再转过45°即S1转到与正面电刷B相对应时， S1与S1ˊ相对，S2与S2ˊ相对，刚经过放电的S1与S2恰好不再带有电荷。S2ˊ带负电使得S2感应带正电，又由于与金属刷上铜丝摩擦也使它带正电，在二者共同作用下S2带上了正电荷；对于S1来说,S1ˊ上的正电荷使其感应带负电荷，由于金属刷的连接作用，S2所带的正电荷会导致电子移动（如图4）使S1带负电，这样，虽然有摩擦产生的正电荷也会被以上两种作用所产生的负电荷抵消，因此S1还是带负电荷。

圆盘再转过45°时，S1ˊ与S2ˊ恰好分别转到悬空电刷E2ˊ与E1ˊ处。带正电的S1ˊ在E2ˊ处放电后不再带电，E2ˊ上的负电荷被中和使E2ˊ带正电，这些正电荷被莱顿瓶C2积聚到放电叉T2的放电小球上；带负电的S2ˊ在E1ˊ处放电后也不再带电，且E1ˊ上的正电荷被中和使E1ˊ带负电，这些负电荷被莱顿瓶C1积聚到放电叉T1的放电小球上。

如果圆盘又转过45°， S1又与S2ˊ相遇，S2与S1ˊ相遇，且此时S1﹑S2与反面电刷Bˊ相对，S1ˊ﹑S2ˊ分别在E2、E1处放电后不再带电。此时的电荷变化与过程（４）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷。

当圆盘再转过45°，此时S1﹑S2恰好分别转到悬空电刷E1﹑E2处。S1在E1处放电使得负电荷被积聚到放电叉T1的放电小球上，S2在，E2处放电使得正电荷被积聚到放电叉T2的放电小球上。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（3）~（7），由于两盘的逆向旋转，转至与电极相接的悬空电刷E2、E2ˊ处的金属片将全部带正电，转至与电极相接的悬空电刷E1、E1ˊ处的金属片将全部带负电。莱顿瓶C2感应到放电小球T2上的正电荷会越来越多，而被莱顿瓶C1感应到放电小球T1上的负电荷也会越来越多，当小球聚集一定电荷时，就会产生放电现象。在莱顿瓶盖内放电叉与悬空电刷之间的空气也会被电离，使放电叉与悬空电刷在短时间内相当于一个导体,将事先聚集在莱顿瓶中的电荷大部分中和之后，再一次重复上述过程。

但是，起电机并不是从一开始就可以放电的，因为空气被击穿需要一定的电压，这就需要积聚一定的电荷，而放电叉T1、T2上电荷的积累需要一定时间，所以当起电机长时间不用后要摇动摇柄一定时间后T1、T2间的电压才能达到击穿电压而产生放电现象。

反向转动摇杆时是否也会达到相同的效果呢？回答是否定的，因为反转时虽然起电机原理和正转一样，但由于正反两面的铝片在摩擦起电后都没有再经过另一侧电刷，而是直接在悬空电刷处放电，使两个莱顿瓶带有同种电荷，因此不会放电。

范德格拉夫起电机

将机械能直接转换为电能的直流高电压发生器。又称带式静电发生器。1931年由荷兰学者范德格拉夫发明。其工作原理如图所示。图中下部电晕电极（电压约数十千伏的直流高压电源）的尖端通过电晕放电所产生的正电荷喷射到移动着的绝缘皮带上，通过皮带向上传送。一部分正电荷经集电极和电阻进入球形高压电极；另一部分则聚集到对地绝缘而和集电极相联的上部皮带轮上。此带电的皮带轮可使上部电晕电极尖端发生电晕放电。所产生的负电荷喷射到绝缘皮带上，由皮带向下传送到下部电晕电极附近而被中和掉。高压电极一方面收集到正电荷，同时又放掉负电荷，故其上电位将越来越高，直至足以推斥皮带上传送来的正电荷不能进入高压电极时为止。此外，它的电位还受电极电晕电压的限制,半径越大,电晕电压越高，故电极所能达到的电位还与其半径有关，例如半径1米的球最多能维持电压1.5MV。将整个装置放在密闭的金属外壳内，并充以压缩空气或者负电性气体（例如SF6等）,可以提高输出电压。发生器输出电压一般为数MV。80年代最高电压为25MV（美国，建成于1981年）。

发生器的主要特点是易于获得和调节输出的直流高压，输出电压脉动很小，配上相应的稳压装置后稳定度可达10-5。但其输出电流较小。一般为数百 μA。它通常应用于核物理实验,其负载常为离子管或X光管。为提高输出电流，N.J.费利奇于50年代又研究了转子式静电发生器，电流可达数mA。它不仅可用于物理方面，且可用于静电喷漆和除尘以及部分高电压试验，但电压不超过750kV。此外，还有可变电容型静电发生器,输出电压为兆伏级，而电流可高达安培级。也有人在研究将这类发生器用于空间发动机。

产生静电高压的装置。又称范德格拉夫加速器，是美国物理学家R.J.范德格拉夫在1931年发明的。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。

静电起电机

一种借助人力或其他动力克服静电力以获得静电的机械，简称起电机。跟一般的发电机不同，起电机只能产生较高的电压，而由此放电产生的短暂脉冲电流，平均值很小，一般不超过几毫安。

最早的静电起电机出现在17世纪,O.von盖利克利用摇柄使一个硫磺球（后改用玻璃球）迅速旋转，用人手（或皮革）与之摩擦起电。到19世纪，这种摩擦起电机为感应起电机所取代。1775年，A.伏打创造了一种起电盘，它由一块绝缘物质(石蜡、硬橡胶、树脂等)制成的平板和一块带有绝缘柄的导电平板组成。通过摩擦使绝缘板带上正电（或负电），见图1a，然后将导电板放到绝缘板上面。因为导电板和绝缘板表面不是十分平坦的，它们之间真正互相接触的只有少数几个点，因此只有极少的正电转移到导电平板上。相反地，由于静电感应，导电板上靠近绝缘板的一测出现负电，另一侧出现正电，见图1b。将导电板接地，地中的负电就会跟导电板上的正电中和，结果使导电板带上负电，见图1c。断开导电板跟地的连接，手握绝缘柄，将带负电的导电板从绝缘板表面移开,导电板上获得负电荷,见图1d。这时绝缘板上的电荷并没有改变，将导电板上的负电荷移去之后再放回到绝缘板上，可重新感应起电。重复上述过程，就可以不断得到负电荷。每次将带负电的导电板同带正电的绝缘板分开时都需要作一定的机械功。

1865年A.推普勒和W.霍耳茨分别制成感应起电机。后由H.维姆胡斯对已有的静电起电机作了改进。维姆胡斯起电机如图2a所示，由一对可以用相同的转速朝相反的方向旋转的平行玻璃圆盘构成。每一块玻璃盘的外围均匀分贴着数十张互相绝缘的金属箔。为了便于说明其工作原理，在图2b中将圆盘的直径绘成略有差别。假设一块圆盘沿反时针方向旋转，另一块圆盘沿顺时针方向旋转。互相垂直的金属臂A1和A2位于圆盘的两侧，臂的两端各有一金属刷跟圆盘上的金属箔保持接触。c1和c2各是一对用导线联在一起的金属梳，分别连到连有莱顿瓶的球形电极（图2a）。梳的尖端指向旋转的玻璃圆盘上的金属箔。

由于大气中经常存在微量电荷，假设某金属箔a1上带有微弱的正电，与它相对的另一玻璃圆盘上的金属箔a2因感应而带负电，通过A1使圆盘另一端的金属箔b2则带正电。当a2转至β2的位置时,b2转至β2的位置。由于感应作用,经过金属臂A2连接的位于β1和β1位置的两块金属箔将分别带上正电和负电。玻璃盘继续旋转90°后，位于β1的金属箔所带的负电荷到达图中b1的位置，位于β1的金属箔所带的正电荷到达图中β1的位置，于是上述过程就可以重复进行。当a1和b2先后经过c1时,它们带的正电荷通过尖端放电传递给起电机的一极；b1和a2先后经过c2时，它们带的负电荷通过尖端放电传递给起电机的另一极。在继续旋转的过程中，每一块圆盘上以通过c1和c2的直径为界,一半金属箔(如a1和β1,b2和β2)带正电,另一半金属箔(如a2和β2，b1和 β1)带负电。它们不断将正负电荷分别送到起电机的两极上并贮存在莱顿瓶中，可以达到相当高的电压。

在历史上，维姆胡斯起电机曾经是产生高电压的重要工具，现在则主要用于课堂演示静电现象及空气中的放电现象。一对约60厘米直径的玻璃盘以100转／分的速度旋转,大约可以产生50000伏的电压。大型的维姆胡斯起电机可以在空气中产生十多厘米长的电弧，同时发出强烈的噼啪声。

为了分离出更多的电荷，产生更高的电压，可以采用范德格喇夫起电机。它是R.J.范德格喇夫于1931年发明的。范德格喇夫起电机的主要部分是一个装在直立的绝缘管上的巨大空心金属球和一个装在管内上下两个滑轮上的绝缘传送带,如图3所示。下滑轮PL用电机带动旋转，使传送带左上右下地运动。在下滑轮旁放置一台高压电源，电源一端的尖端导体c1产生的电晕放电将电荷喷射到传送带上。在上滑轮PU旁放置有另一与金属球相连的尖端导体c2。由于静电感应和电晕放电作用，传送带上的电荷转移到金属球上。当橡皮带不断运动时，电荷就被不断传送到金属球的表面，球的电位随之不断升高。范德格喇夫起电机能产生的最高电压视金属球半径的大小而异。 半径为1米的金属球约可产生 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，可以将整个装置放在充有10～20个大气压的氮气的钢罐中。

产生正极性的范德格喇夫起电机在科学研究中用作正离子的加速电源。产生负极性的范德格喇夫起电机应用在高穿透性X 射线发生器中。有时也称范德格喇夫加速器。

滴水起电机

滴水起电机英国科学家开尔文曾设计了一架非常有趣的发电机——滴水起电机 最上边是两根滴水管，管口大小使得流出的水刚好形成水滴而间隙又不 过长。水滴从水管流出来，穿过金属薄壁管后滴入下方的金属水箱。薄壁管 与水箱用导线交叉地连接起来。 水滴滴了一会之后，一个水箱带了正电，而另一个带了负电。该起电机 的两边是完全对称的，为什么两只水箱带了不同的电荷呢？ 滴水发电机是根据感应起电的原理设计的。 在周围的无线电波，宇宙射线的作用下，两个金属水箱都带了负电，但 是它们所带的电量一般不等。带负电荷较多的水箱接着另一边上角的金属薄 壁。由于静电感应，带负电的金属薄壁管把水中的正离子召唤过来，该边的 滴水管口（最上方）便出现了正电荷。因此当水滴下落时，就会把正电荷带 到该边带负电荷较少的金属水箱中。如此这般积少成多，循环进行，电荷分 离速度逐步加快。一会儿便能在两根金属箱之间建立起一万五千伏以上的高电压。

维氏起电机

感应起电机是一种能连续取得并可积累较多正、负电荷的实验装置。莱顿瓶是个电容，用来储电。感应起电机在左右各有一莱顿瓶，两莱顿瓶集聚不同种电荷，作为电源的正负极。

当顺时针摇动转轮上的摇柄时，由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。如图：假设刚摩擦时金属铝片S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2，Q1与Q2有大小之分。图37-2所示。

当圆盘转过90°时，S1与反面电刷Bˊ相对，此时S2ˊ、S1ˊ分别与S1、S2相对。假设Q1＞Q2，由于S1ˊ与S2ˊ之间有电刷连接，会引起自由电子移动，使得S1ˊ带正电荷，S2ˊ带负电荷，图37-2（b）。

当圆盘再转过45°时，S1、S2分别顺时针转至与电极相接的悬空电刷E2、E1处，并在该处放电使E1、E2带正电荷，这些正电荷又被积聚在莱顿瓶C1、C2中，图37-2（c）。

当圆盘再转过45°即S1转到与正面电刷B相对应时， S1与S1ˊ相对，S2与S2ˊ相对，刚经过放电的S1与S2恰好不再带有电荷。S2ˊ带负电使得S2感应带正电，又由于与金属刷上铜丝摩擦也使它带正电，在二者共同作用下S2带上了正电荷；对于S1来说，S1ˊ上的正电荷使其感应带负电荷，由于金属刷的连接作用，S2所带的正电荷会导致电子移动（如图37-3）使S1带负电，这样，虽然有摩擦产生的正电荷也会被以上两种作用所产生的负电荷抵消，因此S1还是带负电荷，图37-2（d）。

圆盘再转过45°时，S1ˊ与S2ˊ恰好分别转到悬空电刷E2ˊ与E1ˊ处。带正电的S1ˊ在E2ˊ处放电后不再带电，E2ˊ上的负电荷被中和使E2ˊ带正电，这些正电荷被莱顿瓶C2积聚到放电叉T2的放电小球上；带负电的S2ˊ在E1ˊ处放电后也不再带电，且E1ˊ上的正电荷被中和使E1ˊ带负电，这些负电荷被莱顿瓶C1积聚到放电叉T1的放电小球上，图37-2（e）。

如果圆盘又转过45°，S1又与S2ˊ相遇，S2与S1ˊ相遇，且此时S1﹑S2与反面电刷Bˊ相对，S1ˊ﹑S2ˊ分别在E2、E1处放电后不再带电。此时的电荷变化与过程（d）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷，图37-2（f）。

当圆盘再转过45°，此时S1﹑S2恰好分别转到悬空电刷E1﹑E2处。S1在E1处放电使得负电荷被积聚到放电叉T1的放电小球上，S2在E2处放电使得正电荷被积聚到放电叉T2的放电小球上，图37-2（g）。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（c）~（g），由于两盘的逆向旋转，转至与电极相接的悬空电刷E2、E2ˊ处的金属片将全部带正电，转至与电极相接的悬空电刷E1、E1ˊ处的金属片将全部带负电。莱顿瓶C2感应到放电小球T2上的正电荷会越来越多，而被莱顿瓶C1感应到放电小球T1上的负电荷也会越来越多，当小球聚集一定电荷时，就会产生放电现象。在莱顿瓶盖内放电叉与悬空电刷之间的空气也会被电离，使放电叉与悬空电刷在短时间内相当于一个导体，将事先聚集在莱顿瓶中的电荷大部分中和之后，再一次重复上述过程。

但是，起电机并不是从一开始就可以放电的，因为空气被击穿需要一定的电压，这就需要积聚一定的电荷，而放电叉T1、T2上电荷的积累需要一定时间，所以当起电机长时间不用后要摇动摇柄一定时间后T1、T2间的电压才能达到空气的击穿电压而产生放电现象。

那么，反向转动摇杆时是否也会达到相同的效果呢？回答是否定的，因为反转时虽然起电机原理和正转一样，但由于正反两面的铝片在摩擦起电后都没有再经过另一侧电刷，而是直接在悬空电刷处放电，使两个莱顿瓶带有同种电荷，因此不会放电。

静电感应起电机

一、结构

如图1所示，感应起电机旋转盘由两块圆形有机玻璃叠在一起组成，中有空隙，每块向外的表面上都贴有铝片，铝片以圆心为中心对称分布。由于两盘分别与两个受动轮固定，并依靠皮带与驱动轮相连，由于两根皮带中有一根中间有交叉，因此转动驱动轮时两盘转向相反。如图所示，盘转向为：正面顺时针，反面逆时针。两盘上各有一过圆心的固定电刷，两电刷呈９０度夹角，电刷两端的铜丝与铝片密切接触，这样在盘旋转时铜丝铝片可以摩擦起电。在图2所示位置有悬空电刷E，悬空电刷与电刷成45°夹角，每个刷的两脚跨过两盘，但并不与两盘接触，脚上装有许多尖细铜丝，铜丝尖端指向圆盘上的铝片。悬空电刷由金属杆与莱顿瓶相连。

莱顿瓶其实是个电容，用来储电。如图3所示为莱顿瓶结构，由两层筒状锡箔组成，中间是电介质，上有瓶盖。悬空电刷上的金属杆插入瓶盖一半，末端由一根较粗铜丝与莱顿瓶内层锡箔筒底相连，这样悬空电刷上所集电荷可以储存在莱顿瓶中。图3所示放电小球也通过一金属杆与莱顿瓶盖相接，此杆插入瓶盖一半且不与集电叉相触，也不与莱顿瓶中锡箔筒相连，但这样可使其受莱顿瓶内筒电荷感应而带电，可推导出放电小球会被感应出和与其相连的莱顿瓶内筒同电性的电荷。由于感应起电机在左右各有一莱顿瓶，若两莱顿瓶集聚不同种电荷，则两放电小球上就会被感应出不同种电荷，当两小球靠近时就会因放电而产生电火花。需要说明的是，此莱顿瓶仅是储电设备，与小球是否放电无关，因为即使将其拆除，转动圆盘时两小球照常放电，只不过电火花很弱，但其频率更高。这是因为没有莱顿瓶后其电容减小了，可由公式U=Q/C解释：要产生电火花，两小球间电压约为几万伏，当C减小时，悬空电刷仅需要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求，故与原来相比，放电频率会加大。但是由于小球上每次放电所放出的电量减少了，相应电流也会减小，因而电火花很小。

二、正转、反转状态下的工作原理

当顺时针摇动转轮上的摇柄时，分开的两个小球之间会有电火花产生，同时会听到噼里啪啦的放电声。这就是感应起电机的放电现象。这样的现象是如何产生的呢？下面我们就介绍一下它的原理。

由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。如图：假设刚摩擦时金属铝片S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2,Q1与Q2有大小之分。如图：

S1(s1’) 转过90° S1(s2’) 转过45° (s2’)

===> ===> S2 S1

S2(s2’) S2 (s1’)

（1） （2） （3）

转过45°S2(s2’) 转过45° S2

===> ===> (s2’) (s1’)

S1(s1’)

（4） （5）

转过45° S2 (s1’) 转过45° (s1’)

===> ===> S1 S2 S2

S1(s2’)

（6） （7）

当圆盘转过90°时，S1与反面电刷Bˊ相对，此时S2ˊ、S1ˊ分别与S1、S2相对。假设Q1＞Q2，由于S1ˊ与S2ˊ之间有电刷连接，会引起自由电子移动，使得S1ˊ带正电荷，S2ˊ带负电荷。

当圆盘再转过45°时，S1、S2分别顺时针转至与电极相接的悬空电刷E2、E1处，并在该处放电使E1、E2带正电荷，这些正电荷又被积聚在莱顿瓶C1、C2中。

当圆盘再转过45°即S1转到与正面电刷B相对应时， S1与S1ˊ相对，S2与S2ˊ相对，刚经过放电的S1与S2恰好不再带有电荷。S2ˊ带负电使得S2感应带正电，又由于与金属刷上铜丝摩擦也使它带正电，在二者共同作用下S2带上了正电荷；对于S1来说,S1ˊ上的正电荷使其感应带负电荷，由于金属刷的连接作用，S2所带的正电荷会导致电子移动（如图 4）使S1带负电，这样，虽然有摩擦产生的正电荷也会被以上两种作用所产生的负电荷抵消，因此S1还是带负电荷。

圆盘再转过45°时，S1ˊ与S2ˊ恰好分别转到悬空电刷E2ˊ与E1ˊ处。带正电的S1ˊ在E2ˊ处放电后不再带电，E2ˊ上的负电荷被中和使E2ˊ带正电，这些正电荷被莱顿瓶C2积聚到放电叉T2的放电小球上；带负电的S2ˊ在E1ˊ处放电后也不再带电，且E1ˊ上的正电荷被中和使E1ˊ带负电，这些负电荷被莱顿瓶C1积聚到放电叉T1的放电小球上。

如果圆盘又转过45°， S1又与S2ˊ相遇，S2与S1ˊ相遇，且此时S1﹑S2与反面电刷Bˊ相对，S1ˊ﹑S2ˊ分别在E2、E1处放电后不再带电。此时的电荷变化与过程（４）相似, 因此与S1相对的S2ˊ带正电荷, 与S2相对的S1ˊ带负电荷。

当圆盘再转过45°，此时S1﹑S2恰好分别转到悬空电刷E1﹑E2处。S1在E1处放电使得负电荷被积聚到放电叉T1的放电小球上，S2在，E2处放电使得正电荷被积聚到放电叉T2的放电小球上。之后转动摇柄，电荷的变化情况将重复过程（3）~（7），由于两盘的逆向旋转，转至与电极相接的悬空电刷 E2、E2ˊ处的金属片将全部带正电，转至与电极相接的悬空电刷E1、E1ˊ处的金属片将全部带负电。莱顿瓶C2感应到放电小球T2上的正电荷会越来越多，而被莱顿瓶C1感应到放电小球T1上的负电荷也会越来越多，当小球聚集一定电荷时，就会产生放电现象。在莱顿瓶盖内放电叉与悬空电刷之间的空气也会被电离，使放电叉与悬空电刷在短时间内相当于一个导体,将事先聚集在莱顿瓶中的电荷大部分中和之后，再一次重复上述过程。

但是，起电机并不是从一开始就可以放电的，因为空气被击穿需要一定的电压，这就需要积聚一定的电荷，而放电叉T1、T2上电荷的积累需要一定时间，所以当起电机长时间不用后要摇动摇柄一定时间后T1、T2间的电压才能达到击穿电压而产生放电现象。

那么，反向转动摇杆时是否也会达到相同的效果呢？回答是否定的，因为反转时虽然起电机原理和正转一样，但由于正反两面的铝片在摩擦起电后都没有再经过另一侧电刷，而是直接在悬空电刷处放电，使两个莱顿瓶带有同种电荷，因此不会放电。

在这次课题的研究过程中，我们还进行了一些辅助性的实验来帮助我们理解。

一、验证理论分析中各金属片所带电荷的异同性。

（1）摇动摇柄，使铝片与电刷摩擦。将导线一端接在验电器上，用另一端接触铝片S1，验电器的指针张开。这时用导线接触与S1在同一直径上的铝片S2，验电器的指针闭合，说明S1与S2带的是异种电荷。

（2）用导线接触铝片S1,验电器的指针张开。然后接触与S1相对的铝片S1ˊ，验电器铝片的指针闭合，说明S1与S1ˊ带的也是异种电荷。

（3）用导线接触铝片S1，验电器的指针张开。然后，接触与S2相对的铝片S2ˊ，验电器的指针张开的角度更大，说明S1与S2ˊ带的是同种电荷。

二、验证反转时两莱顿瓶聚集电荷的电性

先用导线将其中一个放电小球接到验电器上，验电器指针张开。再将另一小球也接到验电器上，验电器指针张开的角度不减小。

三、确定莱顿瓶和放电小球的作用

（1）将莱顿瓶拆除，转动摇柄，观察到两小球照常放电，但频率很高，电火花比较微弱（这种电火花只能在黑暗条件下观察到）。

（2）安回莱顿瓶，将放电小球拆除，转动摇柄。观察到小球也照常放电，但频率较高，电火花微弱，但与（1）相比频率较低，电火花较强，以上两步实验说明莱顿瓶与放电小球只是储电设备，与小球是否放电无关。从理论上可以分析，拆除莱顿瓶或放电小球后，其电容减小，由公式U=Q/C知：当C减小时，只要聚集少量的电荷Q2就可使电压达到放电要求，所以放电频率升高。但小球上的电量减少，所以电火花微弱。这与实验现象吻合。

（3）确定两莱顿瓶间电键的作用

闭合电键，即把两莱顿瓶连接，可以发现放电小球间的点火花增强，放电声更大，而频率减小。

三 、拓展实验

【器材】 感应起电机、铜丝等。

【步骤】 将起电机的两个金属球分开约 10 毫米。摇动起电机，可以看到金属球之间出现电火花，同时发出轻微的“滴滴”声。这时继续摇动起电机，同时逐渐拉大两个金属球之间的距离至 20 ～ 30 毫米左右。这时可以看到两个金属球之间出现明亮的电闪光，同时可听到清脆的“噼噼”声。这种现象叫做放电现象。雷电即是自然界中发生的大规模放电现象。实验中的闪光就好比闪电，噼噼声就好比雷声。

停止摇动起电机，再将两个金属球相接触，使正负电中和。然后在一个金属球上绕上一根铜丝，使铜丝一头指向另一金属球，并与之保持 10 毫米距离。摇动起电机，这时金属球之间便不再出现电火花。拉大金属球之间的距离，也看不到电闪光出现了。为什么在金属球上加了根铜丝便不出现放电现象了呢？原来物体所带的电很容易从物体的尖端部分逃逸。金属球上的电就逐渐从铜丝尖端放出，使金属球上积存不起大量的电，于是就不会产生剧烈的放电现象了（图 5）。避雷针就是利用这个原理制成的。

注：该仪器仅 能产生高压少量电荷，不能当电源使用