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範德格拉夫靜電加速器的升壓原理之我見

放大字體  縮小字體 發布日期:2018-08-14 作者:朱國平

作者姓名:朱國平

(1.作者單位:北京日月星雲科技發展有限公司

(2.所在城市:北京是石景山區老山西裡小區首鋼機電大樓512号

(3.郵政編碼:100049

 

摘  要:範德格拉夫靜電加速器簡稱(範氏起電機)由美國科學家範德格拉夫于1931年發明至今已經80餘年了。他當時的目的是做一個極高電壓的靜電加速器用來加速靜電加速器中的帶電粒子,去轟擊原子、質子等以解開原子核内部的秘密。在關于其升壓原理的經典解釋是傳送帶把帶有低電壓的電荷帶入電極罩中,根據法拉第圓筒原理,進入圓筒内部的電荷會通過放電針的尖端放電,全部轉移到電極罩的外表面,使得電極罩表面的電荷不斷積累,電壓也就不斷升高;最後達到一個動态平衡時,電壓就不再升高了。這種解釋看似合理,無懈可擊。可深究起來,它确是錯誤的。這是因為任何能量的改變都離不開外力的作用,正是由于傳送帶的外力把它所攜帶的電荷推進電極罩中,才使得電極罩上的電壓不斷升高。而電極罩隻是一個能夠儲存電荷的電容器,它怎麼會具有升壓功能呢?作者通過實驗證明,去掉電極罩的範氏起電機照樣升壓。這個方法簡便易行,做到百萬伏高壓靜電輕而易舉。這就便于人們對高壓靜電的研究與應用。

 

關鍵詞:

1、範德格拉夫靜電加速器的升壓原理的書本解釋是錯誤的。

2、電極罩隻是一個電容,不具有升壓功能。

3、隻有傳送帶的外力做功才是升壓的關鍵。

4、升壓原理應是減容增壓。

5、去掉電極罩照樣升壓。

6、提升靜電電壓的最簡單方法就是增加傳送帶的高度(長度)。

  正文

範德格拉夫靜電加速器簡稱(範氏起電機)由美國科學家範德格拉夫于1931年發明至今已經80餘年了。他當時的目的是做一個極高電壓的靜電加速器用來加速靜電加速器中的帶電粒子,去轟擊原子、質子等以解開原子核内部的秘密。

這其中對其升壓的原理性解釋,在大學普通物理學的電磁分冊中是這樣叙述的(p112頁):範德格拉夫靜電加速器是利用靜電原理嘗試高電壓來加速帶電粒子的裝置,圖1.1是這種加速器的原理示意圖。A是一個近乎封閉的中空金屬罩,作為高壓電極,它被支在絕緣柱上,兩個轉軸C,D之間裝上一條由絕緣材料制成的傳送帶,傳送帶由電動機帶動。在傳送帶下端附近裝有一排針尖E,這些針尖與直流電源(電壓約幾萬伏)的正極相連,電源負極和轉軸都接地。這樣在針尖E與轉軸D之間就有幾萬伏的電勢差。由于尖端放電,正電荷被噴射到傳送帶上并被傳送帶帶着向上運動。在金屬罩的内測也裝有一排與A相連的金屬針尖(或電刷)F,當傳送帶上的正電荷與其靠近時,針尖上就被感應生成等量的異号電荷。其中負電荷也由于尖端放電,和傳送帶上的正電荷中和,使傳送帶失去電荷而針尖帶上了正電荷。由于導體帶電時,電荷隻能存在于外表面。這樣,由于傳送帶的運送,正電荷就不斷從下面的直流電源傳到金屬罩的外表面上使之帶電越來越多,從而能在金屬罩與地之間産生高電壓。

電極A的電壓也不能無限制的提高。因為電壓高到一定數值時,電極就會通過周圍空氣發生電暈放電(在電極周圍的強電場中空氣電離引起的一種緩慢放電現象)、局部尖端放電以及沿絕緣支架漏電等現象。使一部分電荷不斷漏掉進入地中。如果在相同時間内由于這些原因漏掉的電荷和傳送帶送上來的電荷相等,電極上的電荷就不能再增加,因而它的電壓也就不能再升高了。

提高電極電壓的一個方法是制造更大的球形電極,用直徑1m的球形電極可以得到0.6*106V的高壓,直徑增大到2m時,可得到1.3*106V的高壓。在增大直徑并不能有效地提高電壓,例如有人建造直徑為10m的電極,隻得到4*106V的電壓。所以通過增加球形電極的直徑來提高電壓是很有限的。

後來人們發現在高氣壓條件下,氣體的擊穿強度(即使氣體變成良導電體的電壓)要比正常情況下高得多。于是就試着把靜電加速器放在高壓氣體中來解決電擊穿問題。試驗結果是成功的。原來在正常大氣壓下隻能得到0.6*106V的靜電加速器,放到充有幾個大氣壓的鋼筒中後電壓就可以提高到4.5*106V。現在大部分運行的靜電加速器就是這種高氣壓靜電加速器。

以上所述的就是從理論上對(範氏起電機)升壓原理的經典解釋。這個理論到目前為止一直作為制作範氏靜電加速器的理論依據。這個理論正确與否呢?我們可以從下面幾個方面來加以論證:

傳送帶從直流電源上所帶電荷的電壓隻有幾萬伏,但是當傳送帶帶着這些電荷進入到電極罩中時。由于法拉第圓筒理論——内部沒有電荷,電場為零。這樣傳送帶上所攜帶的幾萬伏高壓的電荷就會通過金屬針放電,從而把電荷最終轉移到球形電極罩的外表面上。當傳送帶上的電荷源源不斷地通過金屬針轉移到電極罩的外表面時,電極罩上的電壓就會不斷升高。最後到達一個動态平衡點。這個理論看似正确、無懈可擊,但是經不住推敲。

1.金屬罩電極充其量隻是一個可以盛裝電荷的電容器。它本身是不會升壓的。要使金屬罩電極上的電荷積累并升高電壓,單靠低電壓的電荷進入電極罩内,電極罩上的電壓就會自動升高;這是根本不可能的。根據能量守恒定律,電極罩上電壓的升高必須要有外力的作用,來提升電極罩上的電壓。如果沒有外力作用,電極罩上的電壓怎麼可能自動升高呢?所以這種升壓原理的解釋是完全錯誤的。

2.如何正确解釋電極罩電壓的升高呢?

既然升壓就需要提供能量,那這能量是從哪裡來的呢?這就應該是傳送帶的作用,當它攜帶上電荷在向電極罩中爬升的過程中,實際上它上面所攜帶電荷的電勢已經随着傳送帶的不斷升高而升高。隻有電荷的電勢高于電極罩上的電勢時,電荷才能順利進入金屬罩内,進而轉移至電極罩外表面。當電極罩上電勢與傳送帶上電荷的電勢相等時,電極罩上的電壓就不再升高,而維持一個動态平衡狀态。

那麼傳送帶上的電荷的電壓為什麼會升高?有無物理學原理作為理論依據呢?我們說這就是電磁學中所說的減容增壓原理。也就是給一個電容器的兩極闆充電,然後将兩塊極闆拉開,極闆間的電容減小而電壓升高(本質上是外力做功,使傳送帶上的電勢能增加)。把這條原理應用到範氏起電機上,就再貼切不過了。我們可以把傳送帶上的帶電金屬橫梁(或皮帶)看做是一塊一塊的電容極闆,在它們随着傳送帶的向上運動,距離下面的電極就越來越遠,随之電容減小,電勢增高。皮帶傳動的也是這個道理,就不再重複論述了。

通過以上升壓原理的分析,我們是否可以得出範氏起電機的升壓與電極罩的大小沒有太大關系呢?我們說答案是肯定的。電極罩的大小不能決定電壓的高低,隻能決定所帶電量的多少。這就像同樣深度的大盆裝水多,小盆裝水少一樣。電極罩隻是起到了電容的作用。它自身是不會具有升壓作用的。

  

 
   

如果去掉電極罩會怎樣呢?這裡有本人的兩張實驗照片,可以說明沒有電極罩電壓照樣升高。 

 

有了以上共識,要想提高範氏起電機的電壓,除了增加傳送帶周圍氣體的幹燥性和氣壓(增加氣體的絕緣性)外,最主要的方法應該是增加傳送帶的高(長)度。越高離地電極越遠,這時傳送帶頂端的電壓就會升的越高。這裡必須注意的一個問題是:當傳送帶達到電極罩内的與金屬針放電的最高點時,傳送帶頂端上的電荷基本放完,這時在上升段與下降段的傳送帶之間會存在着極高的電壓,從而會引起彼此之間(如果内部空氣的絕緣不夠)通過空氣的放電;這時又會把相當一部分電荷損失掉,使得電壓難以進一步升高。

怎樣進一步提高電壓呢?我想可以把下降段的傳送帶遠離上升段。這樣它們之間的放電就會減到最小。這樣就有助于電極罩電壓的提升。

這個方法簡便易行,做到百萬伏高壓靜電輕而易舉,所投入的成本也很低,本人研制的範氏起電機的放電距離已達500mm以上,并且比電子升壓的要牢靠得多。這就便于人們對高壓靜電的研究與應用。

                      

撰稿人:朱國平  2017.12.10

電話:13701137841

郵箱:zhuguopingmail@163.com

地址:北京市石景山區老山西裡首鋼機電大樓512号

郵編:100049

                                           投稿日期:2018.08.08

參考文獻:張三慧主編.大學物理學  第三冊,電磁學.2版(112-119).北京:清華大學出版社,1999:12

ISBN 7-302-03819-8

該文已被收錄于中國物理學會第22屆全國靜電學術年會會議論文集         時間20180808

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