起电机与莱顿瓶

第二节　起电机与莱顿瓶

一、起电机和莱顿瓶的原理

起电机，又名圆盘式静电感应起电机，它有一个旋转盘结构，由两块圆形有机玻璃盘叠在一起组成，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。

两面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，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，这样一来，在盘旋转时，铜丝和铝片可以摩擦起电。另有悬空电刷，与电刷成45度夹角，该悬空电刷的两脚跨过两盘，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。

莱顿瓶其实是一个电容，用来储电。莱顿瓶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，一半留在莱顿瓶内，末端由一根较粗铜丝与莱顿瓶内层锡箔筒底相连，这样悬空电刷上所收集的电荷可以储存在莱顿瓶中。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（即悬空电刷的金属杆）相触，也不与莱顿瓶中锡箔筒相连，小球因为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，若两莱顿瓶集聚异种电荷，则两放电小球上就会被感应出异种电荷，当两小球靠近时就会因放电而产生电火花。需要说明的是，莱顿瓶仅是储电设备，与小球是否放电无关，即使将其拆除，转动圆盘时两小球仍会放电，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，由公式U=Q/C可知：要产生电火花，两小球间电压需要达到约几万伏，当电容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，故与原来有莱顿瓶时相比，放电频率会加大；但是由于小球上每次放电所放出的电荷量减少了，相应电流也会减小，因而产生的电火花很弱。

起电机

二、起电机的发明

1882年，英国维姆胡斯创造了圆盘式静电感应起电机，这种起电机一直沿用至今，在各中学的物理课堂上做电学演示实验时，就经常用到它。

起电机这种由人工产生电的新奇现象引起了社会广泛的关注，不仅一些王公贵族观看电的表演，连一般老百姓也被吸引。整个社会都对电现象感兴趣，普遍渴望获得电的知识。电学讲座广受欢迎，演示电的实验吸引了大量的观众，甚至连大学上课进行电学演示实验时，公众都蜂涌而至观看，以至于把大学生都挤出了座位。起电机还为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要的作用。

感应起电机能连续获得并可积累较多正、负电荷，产生的电压较高，与其他仪器配合后，可演示静电感应、雷电、尖端放电等有关静电现象的实验。

三、莱顿瓶的发明

1746年，荷兰莱顿大学的教授马森布洛克（1692～1761）在做电学实验时，无意中把一个带了电的钉子掉进玻璃瓶里，他以为要不了多久，铁钉上所带的电就会消失，过了一会儿，他想把钉子取出来，可当他一只手拿起桌上的瓶子，另一只手刚碰到钉子时，突然感到有一种电击式的振动。这到底是铁钉上的电没有跑掉呢，还是自己神经过敏呢？于是，他又把带电的钉子扔进玻璃瓶，将这个过程重复了好几次，而每次的实验结果都和第一次一样。最后，他非常兴奋地得出一个结论：把带电的物体放在玻璃瓶子里，电就不会跑掉，这样就可把电储存起来。不过，关于莱顿瓶的发明，还有另一个不同的故事。马森布洛克做了这样一个实验：把一支枪管悬在空中，将起电机跟枪管连接，他让助手握住玻璃瓶，自己摇起电机。这时助手没握瓶子的一只手不小心触到枪管，他猛地受到了一次强烈的电击而大叫起来。于是马森布洛克跟助手互换了位置，他让助手摇起电机，自己一手握瓶，一手去碰枪管，强烈的电击让他心想：“这下子我可完蛋了！”好在实验最终没有给他造成伤害。他的结论是：把带电体放在玻璃瓶内是可以把电保存下来的，只是当时他搞不清楚是靠瓶子还是靠瓶子里的水来起保存电的作用的。

用莱顿瓶做实验

简单的说，莱顿瓶的原理和我们今天的电容器一样。莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球。由于它是在莱顿城被发明的，所以叫做莱顿瓶，这就是最初的电容器。莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学家们不仅利用它做了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药，其中最壮观的是法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前所做的表演。诺莱特邀请了包括路易十五在内的皇室成员现场观看，他让700名修道士手拉手排成一行，队伍全长达900英尺（约275米）。然后，诺莱特让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握莱顿瓶的引线，一瞬间，这700名修道士因受电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之目瞪口呆，诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。

莱顿瓶实验

富兰克林的风筝

莱顿瓶的发明使物理学家第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，向美国费城的本杰明·富兰克林邮寄了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直接导致了1752年富兰克林著名的费城实验的发生。他用风筝将天电引了下来，并收集到莱顿瓶中，从而弄明白了天电和普通电流原来是一回事。天电就是大气中放电过程所造成的脉冲型电磁波，最广为人知的是闪电，还有雪暴放电、尘暴放电、电晕放电等。他得出结论为：“起储电作用的是瓶子本身”，“全部电荷是由玻璃本身储存着的”。富兰克林正确地指出了莱顿瓶的原理，后来人们发现，只要两个金属板中间隔一层绝缘体就可以做成电容器，而并不一定要做成像莱顿瓶那样的装置。

四、莱顿瓶的制作

制作原始的莱顿瓶，可选择一个玻璃瓶，在瓶里瓶外分别贴上锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，这就构成了以瓶子玻璃为电介质的电容器。

我们还可以利用银镜反应在玻璃容器表面镀上银层，制成简易莱顿瓶，效果更好。

注意事项参照银镜反应如下几项：

1.玻璃容器表面要洁净（这是实验成败的关键之一）。否则，只得到黑色疏松的银沉淀，没有银镜产生或产生的银镜不光亮。

2.溶液混合后，振荡要充分（这是实验成败的关键之二）。加入最后一种溶液时，振荡要快，否则会出现黑斑或产生的银镜不均匀。

3.加入的氨水要适量（这是实验成败的关键之三）。氨水的浓度不能太高，滴加氨水的速度一定要缓慢，否则氨水容易过量。氨水过量会降低试剂的灵敏度，且容易生成爆炸性物质。

4.加碱可使乙醛与银氨溶液在常温下发生反应，但如果滴加氢氧化钠过量，反应速率太快，产生的银镜会发黑。

5.银氨溶液只能临时配制，不能久置。如果久置会析出氮化银、亚氨基化银等爆炸性沉淀物。这些沉淀物即使被玻璃棒摩擦也会分解而发生猛烈爆炸。所以，实验完毕应立即将试管内的废液倾去，用稀硝酸溶解管壁上的银镜，然后用水将试管冲洗干净。

6.氨水的浓度不宜过高，否则容易过量，致使实验失败。氨水的浓度以2％为宜。

7.乙醛的浓度大，反应速率快，析出银镜快，但容易出现黑斑，加快振荡速度可以避免出现黑斑。溶液中乙醇起到降低乙醛浓度的作用，使得反应速率适中，容易控制。有乙醇存在时，产生的银镜均匀、光亮。