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2017-07-01范得格拉夫起電器
571 期
Author 作者
周鑑恆、黃仁偉、洪偉清
巧妙的高壓電裝置
上世紀20 年代，荷蘭裔美國物理學家范得格拉夫（Robert J. Van de Graaff）發明了范得格拉夫起電器，又稱范氏起電器，可以產生千萬伏特以上的高電壓。早期的科學家曾利用范氏起電器來加速離子、轟擊原子且進行核反應實驗。對於現今的相關實驗而言，范氏起電器所產生的電壓已經不夠高，但仍然是有用的課堂教具，也是世界各地科學博物館與科學教室中常見的展示品。它產生的高電壓，能用來演示靜電實驗。其中最著名的，就是它能讓與地面絕緣的人，頭髮全部豎立起來，娛樂效果與科學觀念傳播效果，都很經典。
原理與構造
范氏起電器的設計不止一種，但原理大同小異。例如：有些范氏起電器直接利用直流高壓電裝置，將正電或負電散布在不能導電的皮帶上，再拉動皮帶，把皮帶上的電荷拖到金屬球殼中，持續增加金屬球殼上的電荷量，而使其電壓不斷升高。也有些是用摩擦起電的方法，產生靜電。
利用摩擦起電的迷你范氏起電器之構造如圖一。其主要零件包括：
1. 累積電荷而造成高電壓的金屬容 器。容器外側表面必須盡量避免有稜有角或有尖銳凸出之處，以抑制放電現象而使金屬容器上的電荷流失，所以常製成球形。
2. 上轆轤（利用輪軸原理制成的一 種起重裝置）、下轆轤和皮帶。下方轆轤的材質必須配合皮帶的材質。各種物質得失電子的傾向並不相同，從最容易失去電子材質到最容易獲得電子的排序，稱為摩擦帶電序列（tribo-electric series）。 假設下方轆轤選用的材 質容易獲得電子，那麼皮帶就必須選用容易失去電子的材質製作，兩者材質的摩擦帶電序列差距越大越好。
3. 上下兩支放電電刷。電刷上有若干增強尖端放電效果的尖或薄的構造，因此，電刷可以使原本絕緣的空氣變成不良導體，形成導通的電路。上方電刷接金屬球殼，下方電刷接地。
4. 絕緣的支架和絕緣的底座。整具范氏起電器，只有下方電刷接地，其餘的零組件因為支架和底座都絕緣，都不會漏電。
5. 玩具小馬達轉動下方之轆轤，帶動皮帶，皮帶再使上方轆轤轉動。下方轆轤轉動時不斷接觸皮帶，因為兩者材質的摩擦帶電序列不同，如果皮帶容易失去電子，下方轆轤容易獲得電子，於是皮帶就會帶有正電，下方轆轤就會帶有等量的負電。
巧妙的是，下方轆轤與皮帶所帶的電量一樣，電性相反，但皮帶上的正電分布在整條皮帶上，而等量的負電則只分布在下方轆轤上，因此下方轆轤與其附近的那一小段皮帶，總和起來是帶負電。……【更多內容請閱讀科學月刊第571期】