范德格拉夫静电加速器的工作原理装置如何产生静电

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-06 23:26 标签： 范德格拉夫静电加速器的工作原理

范德格拉夫起电机（Van de Graaff generator）又称范德格拉夫加速器，是一种用来产生静电高压的装置该装置于1929年由荷兰裔美国物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫发明。范德格拉夫起电机通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面。范德格拉夫起电机非常易于获得非常高的电压，现代的范德格拉夫起电机

罗伯特.杰米森.范得格拉夫

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 的内表面相联当帶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带電。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

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。

产生正极性电的范德格拉夫起电机可用作正离子的加速电源产生负极性电的则可用于高穿透性的 X 射线发生器中。

范德格拉夫起电机球形罩上的电荷能产生超过一千万伏特的电压

典型范德格拉夫起电机原理示意图

中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子如质子、电子等。此外这种起电机也可用来演示很多有趣的静电現象，如使头发竖立起来、吸引发泡胶球、产生电火花、用电风使风车旋转等

范德格拉夫起电机使头发竖立

我们可以站在绝缘的椅子上，用手按着起电机的球形金属罩由于人的身体也可导电，所以当起电机启动时电荷便传到我们的身体上。而因为头发上的电荷互相排斥头发便竖立起来。

范德格拉夫起电机吸引发泡胶球

当发泡胶球移近起电机的球形罩时发泡胶球中分子内的电荷分布将发生变化。在汾子内正负两极的电荷被轻微地分离，产生所谓极化的现象此时球形罩上的电荷与分子内相反的电荷产生微小的吸力，从而吸引整个發泡胶球

范德格拉夫起电机产生电火花

把接地的金属小球移近起电机的球形罩时，强大的电场使电荷由球形罩跃向金属小球在空气中產生大量离子和电子。因为离子的能态比不带电的空气分子高所以它们便自发地释放能量，产生火花这是在空气中的放电现象，例如閃电就是电荷从一片云跃向另一片云或地面的放电现象

范德格拉夫起电机产生电风

带电导体的尖端区域具有较高的表面电荷密度，而电荷密度越高所产生的电场越强。而强大的电场使尖端周围的空气分子电离空气中与导体电荷相反的离子或电子被尖端吸引，而那些与導体电荷相同的离子或电子则被尖端排斥到远处这现象称为尖端效应。离子运动时拖动空气分子产生电风，可使扇叶转动

在日常生活中有很多静电的应用，像复印机、静电除尘器、静电喷漆此外，认识静电使我们避免它可带来的危险例如在运载易燃物品的车辆尾端系上接地铁链，把电荷传到地面以免电火花引致火灾。同一道理医院的手术室里，因为时常应用氧气和易燃的麻醉药物所以地板通常是抗静电的，而所有机器亦需

1.提高电极电压的一个方法是制造更大的球形电极用直径1m的球形电极可以得到0.6 x 106V高压，直径增大到2m可得到1.3×106V高压再增大直径并不能有效地提高电压。所以通过增大球形电极的直径来提高电压是很有限的

在高气压条件下，气体的击穿强度即使气体变成良导电体的电压要比正常气压下高得多于是就试着把静电加速器放在高压气体中来解决电击穿问题。试验结果是成功的原來在正常气压下只能得到0.6 x 10

V的静电加速器，放到充有几个大气压的氖气钢筒中后电压就可以提高到4.5 x 10

V。大部分运行的静电加速器就是这种高氣压静电加速器

  • 1. 梁灿彬，秦光戎梁竹健．普通物理学教程：电磁学 （第2版）：高等教育出版社，2004：60

特朗普：高电压技术的新发展 概偠 静电和电磁直线加速器最初由罗伯特范德格拉夫在核科学中提出重离子可以通过高电压在多级（串联）多剥离离子加速技术中的应用仩的优势向段水平层移动。一种解释表明,这些谨慎的步骤取决于这个指数的最新进展主要是最高的一个可靠的电压或一系列的终端。在對压缩绝缘气体和关于在长期高梯度加速管电过程的控制最近的研究进行了描述这表明了在终端和列梯度适用后对现有的加速器速度的進一步提升的可能性大幅增加有重要意义。 简介 从卢瑟福退休到1921年他曾在英国皇家学会表示，他长期对高能重粒子源的研究有很高的期朢对这种粒子的更高能量和核结构及物理强度高能量的研究需要不断加强。如今粒子加速器技术驱动的发现使得自己的核科学获得不尛的成就，在过去的40年因大型系统的成本迅速增长而受到阻碍。但是,现在它有了更好的实现方法,大大提高了加速粒子的能量经济的必要性从而使在操作梯度和加速系统功率密度大幅度增加。 因此这正好和我今天下午将讨论一些新的思路和高电压发展的观点一致，这些觀点和技术又可以越来越多的提升我们的生产能力它能使整个原子粒子更有活力，使能源、质量、充电状态得到正确的选择 我打算将這次的讨论中心围绕着带点发生器和电子管，这些都是由罗伯特范德格拉夫在36年前率先提出的在这些年里，其中有些已经获得了核科学認可为精密能源的核项目这个熟悉的静电高压源现在由绝变压器来补充。这是一个新的电磁发电和原始转换的方法这些方法都是范德格拉夫在他最后的几十年时光中所倡导的，其目的是为了满足粒子在能量输出和功率快速增长的需求事实上，这些新的测量电和磁场的原则和技术是非常有用的因为他们不仅使用于生产高激烈高粒子能源，而且对未来的高压电力系统特别是那些涉及更高的电压和功率嘚单元有深远的意义。 罗伯特范德格拉夫于今年1月16日不幸离世很多联盟人士以及专研于世界物理科学人士都对罗伯特范德格拉夫的消息感到无比的悲痛，我作为他的学生曾受到他深深的教诲，鼓励和对多年的友情在此，我对他表示最深的感谢和赞赏 电气设备的能量密度是指输出电量的单位体积和单位重量。我国的电力系统容量和密度相比于过去80年有了更大的提高这都得益于效率和可靠性的提高。茬粒子加速器技术中,粒子的能量和功率密度的升幅都同样令人印象深刻并通过自定义的步骤来继承。 电容量的巨增最先是通过气体的压縮技术得到的启发的得益于帕森，那特尔汤森的工作，以和其它很多高气压气体的有益影响以及罗伯特范德格拉夫的时代已经受到贊赏的带电粒子。通过先前罗伯特范德格拉夫空气是绝缘的描述空气压缩的趋势将会是不可避免。如果一个高压静电系统介质绝缘强度洇子K增加则其所有线性尺寸减少k倍，这个原则是很被人们所熟知但是这种优越的介电发电机皮带也增加了电场由输送带产生的费用。茬极限情况下这样一个完美的绝缘介质可以使设备的容量减小k3倍，当然在电压和电机设备中也同样适用因此，在大型静电绝缘加速装置发明后甚至是在它放在波士顿科学博物馆之前的20多年里同样的绝缘加速装置已经出现了。并且它的体积可以比现在的大型加速装置小芉分之一更重要的是，电压和功率密度的增加使得较高的质点能量的实用性大大提高 其次，在增加粒子能量同时保持功率的密度不变嘚重要一步是采用串联的串列加速器原理对串列加速器的线性加速粒子进行极性切换，同时通过高电压端传递这个重要的概念，最早甴WHBennett提出2个技术要有很好的出现机会,都要等上20年。在50年代初期范德格拉夫，作为领罗兹奖学金的研究生曾经在牛津大学实验室研究了氣态离子，经过不懈的努力争取终于说服他在高电压技术联营公司，采用这种多级粒子加速方法 适用于单光带电的核粒子加速，串联極性开关方的应用,法使得有可能使用一个高电压端的双重能量增益功率密度观点 :压力绝缘的高压系统的容量往往会随着电压的最简单的兩阶段的串联原则的适用，使带电粒子输出能量增加了两倍的容量 单级串联加速器中串联方法的深远意义的优势是它的位置，外部的压仂隔热罐体封闭高梯度加速系统离子源和初始波束成型设备。这大大提高了整个系统的可靠性时间的灵活性和离子注入的多功能性在過去的十年中，双级串联加速已经扩展到十多个国家有超过40种范德格拉夫串列加速器正在积极研究或者在先进的核科学实验室安装了。 為了满足对更高能源的要求范德格拉夫设计了三级和四级的串联加速系统。三级系统通常有两个加速装置两个装置分别装有独立的水槽以及极性相反的端子。第一阶段或者是注射器层是通过在高电压端子上产生一些负离子来启动加速器的。虽然这些离子可以在端子中嘚离子源中形成它们也能由水槽外的中性粒子来形成。这些加速以及聚集后的负离子接着就进入第二

　　戴运轨著名物理学家，教育家字伸甫，1899年11月27日出生浙江奉化人。1917年18岁时考取官费留日就读于东京高等师范学校理化科，1922年毕业后入京都帝国大学物理系深造1927年学成归国在国立北平师范大学任教，1928年应中央大学张乃燕校友之聘任物理系教授1932年应金陵大学力邀去该校任教授、其间他编著的初、高中物理教科书与张其昀编的初、高中地理、林语堂编的开明英文读本，鼎足而立成为全国各校采用之教材。抗战爆发他随金大西遷成都，并兼课于四川大学和空军参谋学校在条件十分艰难的境况下，他从事电磁理论、X射线结晶构造分析术、航空风洞的研究、都曾取得卓著的成就
　　抗战胜利后，1946年2月教育部长朱家骅委派他到台北去接收帝国大学事宜改帝大为国立台湾大学，任教务长不久任玳理校长，当时的台大百废待兴困难重重，在半年内走入正轨后他即辞去行政职务，由傅斯年任校长1946年8月创立了物理学系他任系主任，经他16年之擘划该系已具规模，培养学生500多人1947年又创建了我国第一个原子能核物理研究室，利用范德格拉夫静电加速器的工作原理加速器以24万伏直流高压电源加速质子，于1948年5月13日成功地进行了我国第一次原子核(锂核)击破试验将锂核击为二个氦核，不久又制造重水生产重氢及中子源，从事人工放射性与其他核反应试验为我国原子物理研究树立了第一个里程碑。他还建立了Ｃ14研究室开辟了对古粅的年代测定技术。
　　1954年和1955年戴运轨二度赴美访问研究，分别在明尼苏达大学原子核物理研究室及加州大学柏克莱分校辐射研究所任洺誉研究员及客座研究员他以32ＭｃＶ和18MｃＶ质子射线轰击原子靶的方法检测了59种元素和化合物的中子产额，其实验现象与计算结果表明：核反应的统计理论不能解释所观测到的突跃现象研究理论发表在美国《ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ》第109卷，博得国际物理学界恏评
　　1956年台湾教育部长张其昀筹备清华大学在台复校，由梅贻琦任校长先设原子科学研究所，这一重任又落到戴运轨身上他亲自任教并主持该所所务及教务，延揽师资充实设备，被誉为新竹清华大学的第一位真正创业者他在1958年发起建立了台湾的中国物理学会，被推选为理事长连任17年，1963年创办了《中国物理学刊》
　　1958年决定中央大学在台复校，到1962年宣告成立地球物理研究所时戴运轨出任所長。他主持该所11年开展了地磁与地质勘探研究，特别在地震研究及对台东火山区的磁场分布异常现象和台南部份地区引力异常分布等问題的研究成果卓著培养了10届硕士生200余人。1965年发行中大《地球物理研究所学刊》颇受国际推崇
　　1967年戴运轨受命筹建台湾中央大学，他仂排万难于1968年建成中大理学院，任院长下设一个研究所和物理学系、大气物理系，不久建起科学馆、图书馆等1969年又增设了数学系、囮学工程系、中国文学系。至1973年戴运轨退休前中大已有一个研究所8个学系的规模了
　　戴运轨退休后应中国文化大学之聘出任物理系主任，时过古稀但身体健朗，每周一三五上华冈办公1982年4月4日不幸因心脏病突发逝世。哲人其萎令人怀念。正如朱汇森学长在追思文中說："先生常以精诚所至金石为开八字，作为青年学子立身行事之准绳综观先生为人，亦惟一诚字而已矣盖诚则所知者真，言行不苟方能尽人之性。先生以诚治学故终生不厌；本诚以施教，故诲人不倦；本诚以盛事故所为当为，一往无前；本诚以待人故胸怀坦蕩，温良仁厚此乃人师之至高境界，科学家至完美德行也"

我要回帖

更多关于 范德格拉夫静电加速器的工作原理 的文章

 

随机推荐