第3章　起电机的诞生与发展

漫长的中世纪后，1600年，英国著名医生、物理学家、电磁学之父吉尔伯特出版了《论磁》。这是电磁学的开山之作。这位从医学到物理学的伟大人物第一次区分了静电吸引和磁现象的不同。

半个世纪之后，德国物理学家奥托·冯·格里克制造了世界上第一台摩擦起电机。又过了半个多世纪，1706年，英国科学家豪克斯比制造了玻璃球摩擦起电机。这种摩擦起电机经过不断改进，在后来的静电实验中起到了巨大作用。直到19世纪感应起电机发明后，它才被送进博物馆。

世界上第一台摩擦起电机

从泰勒斯发现摩擦琥珀可以起电后的2000多年的时间里，摩擦起电几乎成为人们获得电的唯一方法。随着时间的推移，欧洲人对自然界的兴趣越来越浓。格里克觉得用毛皮或丝绸摩擦起电比较费事，于是，他发明了一种摩擦起电机。

1660年的某一天晚上，格里克在他的房间做摩擦起电的实验，当他用手指拈住一块刚摩擦过的琥珀时，好像听到了一点很微弱的噼啪声。他觉得很奇怪，又连续做了几次，这时天色已经全黑了，当他再次用手拈住琥珀时，又看到每一次噼啪声伴有很微弱的闪光。格里克认为，这噼啪声和闪光可能是一部分电释放出来了。但是由于这声音太轻，闪光也太弱，无法得到证实。如果将实验进行下去，必须要有一块很大的琥珀，让它充上更多的电，然而大块的琥珀价格非常昂贵，格里克不得不转向考虑用别的物质来代替琥珀。他做了许多实验，最后用硫黄代替琥珀做成了摩擦起电机。

格里克拿来一个有足球那样大的球状玻璃烧瓶，里面装满了黄色的硫黄碎块，用火加热到硫黄全部熔化，同时不断向瓶里加进硫黄，直到烧瓶里充满硫黄熔液为止。然后向烧瓶正中插入一根圆木柄，待硫黄冷却以后，就把外面的玻璃烧瓶敲掉，这时就得到了一个带有一根木柄的黄色硫黄球。格里克把硫黄球放在一个木制的托架上，使它可以自由转动，他用一只手握住木柄，使硫黄球绕轴旋转，另一只手按在球体上，随着球的不停转动，硫黄球表面就会因摩擦而生电，充满大量的电荷。通过实验发现：起电的硫黄球不仅能吸引纸屑，有时也会排斥它们。在夜里或在暗室里摩擦硫黄球，能看到闪烁的电火花。这就是世界上第一台摩擦起电机。

不断改进的起电机

17世纪的欧洲科学家纷纷致力于制造起电机。

1705年，英国科学家弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee，1666—1713）根据格里克起电机的原理，制成了当时非常吸引人的玻璃球起电机。他用一个带柄的中空的玻璃球代替格里克用的实心硫黄球，并在球的下方装上了一个带手柄的圆盘，摇动手柄，圆盘会带动球转动。用手摩擦球的外面，球的里面会产生电火花。电火花透过透明的玻璃球壁时，发出一道朦胧的蓝光。这在当时被认为是一个凡人模仿上帝的神迹，几乎是不可思议的。豪克斯比居然可以利用它在暗室里读书、写字。这是人类历史上电气照明的前奏，豪克斯比的起电机还真可以说是世界上第一盏“电灯”呢。

1742年，英国科学家戈登又改进了摩擦起电机，他用圆玻璃柱代替玻璃球，并提高转速，使其达到每分钟680圈，因此能产生强烈的火花，甚至可以电死小鸟。1745年，苏格兰人温克勒又把玻璃管安装在用脚踏板踩动的轴上，这样可用脚踏代替手摇，并用安装在弹簧上的皮革垫子代替干手掌摩擦玻璃柱。他用改进后的起电机在很多人的集会上表演，用产生的火花来点燃酒精灯，并表演从人的手指上产生火花。

1768年，英国人冉斯登（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电机。

1779年，荷兰人印根豪茨（1733—1799）在圆玻璃板上、下方安装了4个软垫，用软垫和玻璃摩擦，而不再使用手摩擦起电。

1785年，荷兰人马鲁姆（1750—1837）制成了带有两块玻璃板的摩擦起电机。两块板平行放置，安在一个公共轴上，每块玻璃板都有四个垫子与它摩擦，并用带有尖端的导体从板上收集电。

维姆胡斯特起电机

1882年，英国人詹姆斯·维姆胡斯特（James Wimshurst，1832—1903）发明了我们今天看到的圆盘式静电感应起电机。这种摩擦起电机的效率很高，并能产生高电压，因此一直沿用至今。在教学上做摩擦起电演示实验时，使用的就是这种起电机，在科技馆里也能看到这种摩擦起电机。

维姆胡斯特发明的圆盘式静电感应起电机由两个一样大的玻璃圆盘组成，圆盘的外侧贴一圈金属片。两根皮带带动圆盘旋转，其中一根皮带被旋转180°，这样当摇动手柄时就可以使两个圆盘具有相同的旋转角速度和不同的旋转方向。金属导杆在圆盘的两侧，金属导杆的两端通过金属刷与圆盘上的金属片接触。感应起电机有两个串联的莱顿瓶。金属刷把电荷收集存储到莱顿瓶中。莱顿瓶连接两个放电杆，放电杆的末端是两个放电小球。

维姆胡斯特静电起电机工作原理：每一个金属部件都有两个面，它们之间存在电荷不平衡，当一个充满正电的金属片接近一个没有电荷的金属时，电荷不平衡使电荷向不带电的金属流动。如果在把充上电荷的金属片从感应场移开之前将没有感应电的金属远端接地，这样剩下部分就会带满负电荷。这种接地作用相当于机器上的中和极的功能。反向旋转磁盘确保这个动作反复发生，增加各部分之间的相互充电。反向旋转磁盘持续通过金属片（铝箔片），金属片相邻但是没有挨在一起，金属片之间的电荷会越来越多。把电荷传送到莱顿瓶中存储起来，当电压差足够大的时候，两个电极之间就会放电，发出电火花。

范德格拉夫起电机

现在著名的范德格拉夫起电机是由美国物理学家罗伯特·杰米森·范德格拉夫（van de Graaf，1901—1967）于1931年[注]发明的。这种起电机能够产生非常高的电压。

范德格拉夫发明起电机的目的是为早期的粒子加速器提供所需的高能量。这些加速器被称为原子粉碎机，因为它们能够将亚原子颗粒加速至非常高的速度，然后将它们“撞击”到目标原子中。碰撞能够产生其他亚原子颗粒和高能量放射线（例如X射线）。产生这些高能量碰撞是粒子物理和核物理的基础。

范德格拉夫起电机由电机、两个滚轴、传动皮带、两个电刷部件、输出端子（通常为金属球或铝球）等部件组成。

其工作原理：在范德格拉夫起电机内，一条传动皮带套在起电机底部的一个塑胶滚轴上，当电机带动滚轴转动时，皮带与滚轴发生摩擦并使滚轴带有负电荷，当滚轴持续转动时，其负电荷会一直累积，并在滚轴下方的尖锐金属刷上感应出正电荷。滚轴和金属刷间的电荷持续增加并使金属刷附近的空气分子电离。电离后的空气正离子会受金属刷的排斥而依附在皮带的表面，这些正离子被皮带带到上方的空心圆顶（起电机的金属罩）。在起电机的上方通过空气电离及尖锐金属刷，正电荷将会转移到金属罩上。这样会使得大量的正电荷积存在金属罩上，并使它的电位增加。

当我们把金属棒靠近金属罩时，若它们之间电位差达到约30000伏特每厘米，而空气又较为干燥时，金属棒及金属罩之间就会产生电流并由金属罩流向金属棒，此时我们会看见火花的产生。

如果人们尝试用手触摸金属罩，他们的头发将会竖起，这是因为每根头发由金属罩得到相同的电荷，从而互相排斥。

摩擦起电机经过英国、德国几代科学家改进，其效力和威力都有了很大提高，能够产生强大的火花。特别是能从人身上生出火花来，引起世人的惊叹，促使人们对电的本质、物质结构以及雷电现象等进行探索，从而促进了电学的发展。

什么是起电机

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。感应起电机所产生的电压较高，与其他仪器配合可进行静电感应、雷电模拟、尖端放电等有关静电现象的实验。

静电起电机是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。

你知道吗？

日常静电的应用

在日常生活中有很多静电的应用，如复印机、静电除尘器、静电喷漆。此外，认识静电使我们避免它可能带来的危险，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，在医院的手术室里，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，而所有机器亦需接地，以免火花引发爆炸。

静电的危害

静电是由不同物质的接触、分离或相互摩擦而产生的，静电的电位一般比较高，例如人在脱衣服时，有时可产生1万多伏的电压（不过其总的能量是较小的）。静电的危害大体上分为使人体受电击、影响产品质量和引起着火爆炸三个方面，其中以引起着火爆炸最为严重，可能导致人员伤亡和财产损失。静电放电时产生火花将可燃物引燃，因此，在有汽油、苯、氢气等易燃物质的场所，人们要特别注意防止危害。

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[注]　一说1929年。