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范德格拉夫起电机

发布时间:2015-02-28

现在科技迅速在发展当中,本文我们为大家深入讲解范德格拉夫起电机的应用场合和范德格拉夫起电机与目前国内其他产品相比的优势,希望对大家有所帮助。
将机械能直接转换为电能的直流高电压发生器。又称带式静电发生器。1931年由荷兰学者范德格拉夫发明。其工作原理如图所示。图中下部电晕电极(电压约数十千伏的直流高压电源)的尖端通过电晕放电所产生的正电荷喷射到移动着的绝缘皮带上,通过皮带向上传送。一部分正电荷经集电极和电阻进入球形高压电极;另一部分则聚集到对地绝缘而和集电极相联的上部皮带轮上。此带电的皮带轮可使上部电晕电极尖端发生电晕放电。所产生的负电荷喷射到绝缘皮带上,由皮带向下传送到下部电晕电极附近而被中和掉。高压电极一方面收集到正电荷,同时又放掉负电荷,故其上电位将越来越高,直至足以推斥皮带上传送来的正电荷不能进入高压电极时为止。此外,它的电位还受电极电晕电压的限制,半径越大,电晕电压越高,故电极所能达到的电位还与其半径有关,例如半径1米的球最多能维持电压1.5MV。将整个装置放在密闭的金属外壳内,并充以压缩空气或者负电性气体(例如SF6等),可以提高输出电压。发生器输出电压一般为数MV。80年代最高电压为25MV(美国,建成于1981年)。

发生器的主要特点是易于获得和调节输出的直流高压,输出电压脉动很小,配上相应的稳压装置后稳定度可达10-5。但其输出电流较小。一般为数百 μA。它通常应用于核物理实验,其负载常为离子管或X光管。为提高输出电流,N.J.费利奇于50年代又研究了转子式静电发生器,电流可达数mA。它不仅可用于物理方面,且可用于静电喷漆和除尘以及部分高电压试验,但电压不超过750kV。此外,还有可变电容型静电发生器,输出电压为兆伏级,而电流可高达安培级。也有人在研究将这类发生器用于空间发动机。

产生静电高压的装置。又称范德格拉夫加速器,是美国物理学家R.J.范德格拉夫在1931年发明的。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。当带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带电。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米的金属球可产生约 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。

范德格拉夫起电机的改进
范德格拉夫静电起电机是借助电动机拖动传送带把电荷输入金属球内部的。现在,把范德格拉夫静电起电机的金属球内部抽成真空,置入电子枪来提供电子流。不仅提高了效率,还发现能量可以创造。据此而设计的库范永动机要点有三:1、金属空腔内置电子枪。2、电子枪阴极接地。3、电屏蔽(和发散电容分布)或磁偏转。

一、库仑—范德格拉夫静电起电机
范德格拉夫静电起电机的工作原理是,利用导体的静电特性和尖端现象,尤其是导体内部没有净电荷,电荷只能分布在导体的表面上。范德格拉夫静电起电机由5~10万伏的高压直流电源通过放电针尖端放电把电荷转移给传送带(由橡胶或丝织物制成),由电动机拖动传送带,传送带把电荷传送到金属球内部后,由金属球内部的集电针收集电荷输送到金属球的外表面上。

现在,把金属球内部抽成真空状态,内置电子枪,电子枪的阳极和金属球之间采用电屏蔽或磁偏转的方法消去电子枪阳极与金属球之间的分布电容电场。这种起电机称为库仑—范德格拉夫静电起电机。简称库范起电机。

电子枪阴极发出的热电子在阳极的电场下加速,穿过阳极中心的小孔时具有很高的速度,射向金属球的内壁,在甲的情况下,采用电屏蔽,消去阳极极板与金属球内壁的分布电容电场的阻止作用;在乙的情况下,采用磁偏转(永磁体)的方法,在电子束流速度降低一部分时,已偏转到与金属球相连的集电板上。金属球导体的电荷只能分布在其外壳上,故电子迅速转移到外表面,于是其内表面仍无自由净电荷(不包括电子枪阳极与金属球内壁的分布电容部分),不会阻挡后面自电子枪射出的电子流。于是电子不断地由电子枪射出,转移到金属球的外表面上,使金属球带有很高的电势。

磁偏转是大家所熟悉的,利用电子在磁场中运动时受到洛仑兹力即可实现,无须赘述。这里要对电屏蔽简介一下。电屏蔽与磁屏蔽是一致的,但与静电屏蔽完全不同,是两回事。静电屏蔽是从电荷的角度进行屏蔽,消除电力线,使场强为零。电屏蔽不是对电荷进行屏蔽,而是用电介质吸收电力线,使被屏蔽的空间失去电力线,场强趋近于零。电屏蔽使用相对介电常数较高的电介质(同时要考虑其绝缘特性,即大的电阻率,耐高压),一般电介质的相对介电常数为5~10,而钛酸钡可达1000~10000。注意电屏蔽用的电介质要与阳极和金属球内壁结合紧密,不留缝隙,电介质内留孔道和电子枪阳极孔相接延续到金属球内壁。这样,阳极与金属球的分布电容电场的电力线约束在电介质内,其内的孔道无电力线,场强趋近于零,于是便不会对电子枪射出的电子束流减速,以保证足以打击在金属球内壁上。

从能量的角度分析,会发现能量被创造出来了。以理想状态为例,设电子枪阳极射出的电子流射向金属球内壁时不被减速,即电屏蔽时电子流方向速度都不变,磁偏转时电子流只改变方向而速度不变。那么,电子枪射出的电子动能由电源提供,电子撞在金属球内表面后,电子的动能转为热能储存在金属球上。但金属球具有很高的电势,如果给金属球串上一个大值电阻接地,金属球通过电阻放电,电阻上产生的热能就是创造出来的,与电子枪的供电电源无关,因为电子枪射出的电子动能全部转为热能储存在金属球上。

为什么范德格拉夫静电起电机不能创造能量呢?

二、库仑—范德格拉夫永动机
库仑—范德格拉夫静电起电机由于创造能量,故称之为库仑—范德格拉夫永动机,简称库范永动机,图2。永动机创造出的能量并不守恒,但电荷(电流、电量)守恒。

一般情况下,通过法拉第电磁感应规律使用的变压器,能量守恒但电荷—电流—电量不守恒。励磁电流,铁损等其他因素忽略不计,在等压变压器中,电压相等,电流相等,即电荷—电流—电量守恒。但在升压或降压变压器中,由于能量守恒,初级和次级中流过的电流不同,所以说电荷不守恒,即电流→电量(单位时间内)→电荷不守恒。但在库范永动机中,守恒的是电荷(电流—电量),而能量不守恒。

金属球可以改为金属筒或其他空壳状,其上的自由电荷产生的电势称为库仑—范德格拉夫电势,简称库范电势,金属筒(球)可称为库范电势筒(球)。给库范电势球接地时,如果串联电阻为1000欧姆,而电子枪射出的电子流(撞在金属球上的电流)为100微安,库范电势将是1000欧×100微安=0.1伏。因为只要有0.1伏的电势,净电荷就可以通过大地放掉,没有必要继续升高。但如果接地电阻为109 欧,电势仍为0.1伏,那么,库范电势球上的电荷不能及时对地放掉,电荷积累库范电势升高,直到109 欧×100微安=105伏时才维持稳定不变。这两者输出的能量(做功)是不同的。前者为每秒0.1伏×100微安×1秒=10-5焦,后者为105伏×100微安×1秒=10焦。

又假设电子枪射出的电子流为1安培,接地电阻为1000欧,即库范电势为1000伏,每秒做功为1000伏×1安×1秒=1000焦;接地电阻为100000欧,库范电势为100000欧×1安=100000伏,每秒做功为100000伏×1安×1秒=100000焦。理论表明,守恒的是电荷—电流—电量,而能量并不守恒。

下面粗略分析库范永动机是否可行:1、热电子代价为20eV。金属热电子逸出功一般为1—6eV,设阴极加热得到一个热电子的能量需输入20eV。2、电子枪加速电压为980V,能量代价为每电子980eV,那么得到一个加速电子的能量需要20+980=1000eV。3、电子枪效率为10%,即由阴极射出的电子,10个电子中只有一个电子射出了阳极的中心孔,那么电子枪射出后的每个电子的代价为1000×10=10000eV。4、设库范电势为1000000伏,那么每个电子输出的能量为1000000eV。这是输入电子10000eV的100倍。看来,输入1份能量,得到10份(10<<100)能量是没有问题的。5、漏电流,虽然任何绝缘体都有电阻,但对于较高的库范电势来说,漏电流仍然较小,在微安级,如果电子枪射出的电子流能在安级,已可以忽略不计了。6、循环动作。库范电势输出的5份能量反过来维持输入能量,即加热阴极得到热电子及电子枪加速电子所需的能量代价。对库范永动机输入1份能量后,得到10份能量,其中5份能量用来循环动作,余下的5份推动“永动机”创造能量。7、其他因素。高速电子打出阳极(或者也包括金属球)的二次电子和X射线,热能的蓄积,真空的击穿电压极限,高压对绝缘的要求,循环动作时采用何种设计方式,金属球是否还需考虑散热等等,不在本文讨论范围之内,略。

现在考虑永动机的实用价值,能量的创造是没有问题的,但关键的是,永动机必须有较大的功率,只有能够输出大的功率之后,才能谈上真正的为人类造福。1935年底30多名记者问爱因斯坦E=mc2推导出的巨大能量是否可以通过轰击一个原子释放出来。爱因斯坦认为这种可能性就像在黑夜中射击鸟一样,特别是周围没有几只鸟。1938年年底,O·哈恩与他的合作者F·斯特拉斯麦恩发现原子核的分裂现象。1939年3月,在法国和美国同时发现链式反应。费米望着窗外忧郁地沉思着:一个裂变的炸弹可以摧毁我们所见到的一切。1945年8月6日和9日,原子弹轰平了日本的广岛和长崎。日本宣布无条件投降,第二次世界大战结束了(据《爱因斯坦传》)。电子枪和真空条件都是成熟的技术,科学家所关心的不应该把永动机一棍子打死,而是怎样实现大功率,并考虑大功率和大效率怎样协调,是否能够兼得。因为没有实验数据,张建军粗略估计永动机效率(见后文大库仑永动机设计)为10~1000。大于10是唾手可得的,达到100会有困难,超过1000恐怕难以实现。注意,这儿不是讲实验室的永动机,而是同时考虑大功率和循环动作,即考虑的是永动机发电站。

范德格拉夫静电起电机是用电动机带动绝缘传送带把电荷从外面传递到金属球内部的,消耗在电动机上的能量代价比金属球对地放电放出的能量大,是有能量代价的。相反,库范起电机中电子枪射出的电荷本来就在金属球内部,并不需要再消耗能量把电荷由外部向金属球内部转移,这就是说,金属球对地放电放出的能量是没有任何能量代价的,能量是“凭空”创造出来的。

三、张建军关于对库范永动机的间接实验验证
1、场强环流定律实验。场强的环流等于零,静电场是保守力场。
图3,在平行板中放置1.5伏干电池作电源的电路,串入电阻和微安表,比如微安表读数为15uA(或如50mA),平行板接感应起电机(或直接接~220V照明电源,或对~220V电源全波整流大电容滤波后再接)。摇动感应起电机,其间电场的电压可达数万伏,但微安表读数不变。给平行板并联放电球,球上有电火花间断跳过时,平行板间的电场(电压)有突变,但微安表的指针并不摆动,即不受影响。1.5伏与数万伏相比,差别10000倍。

2、库范电势对电子枪不会有影响
库范电势高于电子枪的电势时,电子枪的电压能够对电子枪阴极的热电子加速吗?科学实验有直接实验和间接实验,不用真空条件,依然可以证明永动机的现实性。

自己绕制一组升压变压器,其中一个次级电压为~5000伏,另一个次级电压为~1000伏或2000伏。两个次级和初级绕组相互绝缘。把5000伏的输出次级全波整流后通过大电容滤波,然后通过双刀双掷开关,一端通过开关连接长圆柱金属筒,另一端连接一金属板(蓄积电荷?多余的设计!),并通过一开关接地。1000(2000)伏的输出次级全波整流后正极输出端连接一个小金属阳极极板,负极输出端连接一尖端放电针。放电针和阳极板同置入长圆柱金属筒内部的中心部位,然后二者通过单刀双掷开关串联一开关后接地。见图4,电路中配以合适的限流电阻(和必要的保险丝)。注:实验表明,在电压~1000伏以上时,全波整流后,如尖端较尖,在1毫米之内的距离可以和正极击穿空气而放电;尖端较钝时不易观察,可上调为~2000伏以上,放电距离变大,这样更容易观察。

实验证明,尖端放电形成回路,与电路中的开关开闭和双掷开关的转换无关。那么可以设想,把长金属筒封闭在真空中,尖端放电回路改为电子枪,当电子枪射出的电子流形成的库范电势等于或高于电子枪的电压时,电子枪仍能射出连续的电子流,形成并维持一个很高的库范电势。

四、库仑永动机
真空并非空无一物,可以产生一对正反虚粒子,并随即湮灭。那么,能量可否发生虚实分裂,实能量用来推动宏观的永动机,虚能量跑到太空中,好不违反能量守恒律,这样不就是开发了新能源吗?

按照这一指导思想,考虑到无限大平行板带异号电荷时电场只集中在两板之间,两板之外无电场,从理论上分析理想状态,图5。

一个电子从负极板外借助较小的初速度 v0 射入平行板电场,电场对电子加速,电子射出正极板后匀速直线运动。电子具有质量,由于速度的原因必然有能量—动能。由于电荷守恒,平行板的电场能量并不减少,故这不是能量的创生吗?反过来,电子以较高的初速v由正极板外射入电场,电场对电子减速,射出电场后速度为v0,这不是能量的消灭吗?
电量守恒定律是,在一隔离的系统内,无论进行怎样的物理过程,系统内电量的代数和总是保持不变。那么,当进入这个隔离系统内的电量和出来的电量(电荷的数量)一致时,这个隔离系统的电量仍然守恒。电子穿越平行板电场时,平行板电场的电量守恒。另外,由于电子既不来自于负号电荷板,也不曾终止于正电荷板,故平行板电场的能量并不曾发生改变。这是因为,对于一个封闭的系统,能量无法创造,也无法消失,只能守恒的转移或转化。但这儿不是封闭系统,而是两个系统。电子(流)是一个系统,平行板电场又是一个系统,在两个系统的情况下,实现了开放和无限,故能量实现了虚实分裂,引入虚实能量力速原理后,仍然是能量守恒—虚实能量 (另有专文介绍,此处不赘)。另外,由于E=mc2,质能互易,质量也不守恒,物质可以凭“空”创造而且“无缘无故”消失。

五、库仑(二)永动机和洛仑兹永动机
电子通过偏转电场后,速度和能量都会改变,这就是库仑(二)永动机,见图6。由于洛仑兹力的联系,电子射入磁场后会改变运动方向而不 改变速度,但在合适的条件下,射入磁场的电子会圆周运动,这就是洛仑兹永动机。实质上,洛仑兹永动机只是实现了永动,并不能向外界支付能量,故仅仅是永动而不是永动机。电子射过偏转电场后速度改变而能量亦改变,但电场的能量并不减少。从实际上看,永磁体(铁磁体)和铁电体是一样的,假如认为偏转电场会发生能量改变,那么把平行板改为铁电体,铁电体的电场总不会增强或消失吧?这与地面上平抛物体是一样的,假设一个天体从地球旁边掠过,地球对其加速后地球的引力场能量会减少吗? 同样的道理,假设磁单极子流(事实上磁单极子并不存在)被永磁体偏转后,永磁体的磁场能量会改变吗?

六、大库仑永动机
从库仑永动机和库仑(二)永动机中可以得到一个启示,即电子在平行板电场中穿越时,电场的能量并不改变。但是,如果电子来自于负极板而终止于正极板,电场的能量就会减少;反之,如果电子来自于正极板而终止于负极板,电场的能量就会升高。同样,当一个电源中没有电流通过时,电源也不会向外界提供能量。论证如下,给库仑永动机和库仑(二)永动机的平行板接上电源,电子在电源提供的平行板电场中运动(穿越)时,只要电子既不来自于负极板,也不终止于正极板,电源中就不会有电流流过,所以电源不必支付能量。这时,电源对平行板的作用仅仅是维持电势,因为任何物体都有电阻,没有电源时,平行板上的电荷会逐渐消失。

一般情况下,电子枪总是正极接地,如教科书上所示。但理论上分析,正极接地或负极接地,都无法改变电子枪阴阳两极的电势差,即无法改变两者的电荷分布,在阴阳极静电力的作用下,仍可射出电子流。如果改为负极接地,那么当电子枪射击出电子流后,电子由大地补充,不再通过电源流过,这样电源就无需付出能量代价。图7,电子枪阴极接地而不是阳极接地,称为大库仑永动机。

理想情况下,删去电子枪的加热电路,采用场致发射的方法发射电子(图略),电子由阴极发出后,全部通过阳极射给库范电势筒内壁。由于负极接地,电子由大地补充,而无电流通过电源内部,故电源不需支付能量。另外,还需假设电源的绝缘性无限大,即电源没有漏电流。这样,无需付出能量代价,却得到源源不尽的能量。

七、永动机效率的计算
库范永动机的设计要点有三:1、金属空腔内置电子枪。2、电子枪阴极接地。3、电屏蔽(和发散电容分布)或磁偏转。

永动机的输入能量有两部分,一是阴极加热电路,一是电子枪加速电子电路。这样很容易计算,用电压表和电流表测出两个电路的电压和电流(电子枪电路的电流是指流过电源的电流,不是流过电子枪阴极的电流,即不包括接地的分支电流),可以计算出两个电路的功率,乘以1秒即为(每秒)输入能量。两者之和称为永动机的输入能量。特别注意,电子枪电路的电流指流过电源的电流,而不是由电子枪阳极射出的电子束电流。

永动机的输出能量就是库范电势对外做功。库范电势对地放电电压乘以电流乘以1秒为输出能量。输出能量除以输入能量,即为永动机的效率。

循环动作的永动机效率怎样计算呢?
永动机输出的能量,其中一部分(通过其他形式转化,不能直接作为电子枪的加速电源和灯丝电源)用来维持输入电源的能量供给,称为循环能量。把永动机输出的能量减去循环能量除以永动机的输入能量,即为循环动作永动机的效率。

这儿再提出一个循环效率的概念。循环效率部分遵守能量守恒律,不可能等于1,必然比1小。永动机输出能量以其一部分循环动作,这部分的电压电流积乘以1秒,为循环动作输入能量,转换为永动机的输入能量,也就是循环动作输出能量;循环动作输出能量(永动机的输入能量)除以循环动作输入能量,为循环效率。循环效率能达到10%~50%,循环动作的永动机的实用价值就已经很大了。

八、永动机对人类社会的影响
1、理论突破
①改写相对论,回归绝对论。牛顿经典时空、相对论时空体系进一步修改并趋向完善。②能量生灭,打破能量守恒律。③有限和无限,守恒和不对称。④虚实能量(连续能量,量化能量),能量仍然守恒。⑤引力波不可探测,使用目前的探测方法。⑥由于E=mc2,物质也可以生灭。⑦广义的守恒律,能量物质不生不灭。⑧热力学第一定律、第二定律的错误,热寂宇宙不可能实现。⑨力速原理(超距作用等)。⑩信息通迅(超距即时通信)。

其他如相对论质量与速度无关,宇宙学暗物质,无始无终、无边无际的宇宙图景,不存在创世纪的宇宙大爆炸等等。总之,永动机带给物理学一个新的创新机遇,比如,讨论电磁本质,磁单极子为什么不存在,力能本质,统一场问题等等。

2、人类的信仰和生存理念
①由于能量的生灭,唯物和唯心再一次展开世界大战。②有无相生、天人合一、不生不灭等生命现象和灵魂问题再一次困惑人类,不过,六世轮回还是讲不通。③这一回,侍者和马夫将放弃相对论,争论永动机。④物质的进步将促进人类精神的又一次进步。

3、人类的生存环境

①解决能源短缺,消除能源危机。②天空变蓝,大地变绿,水可鉴影。③电价降低,市场产品由于电价走低而降低成本,人类的生活进一步得到改善。④将导致能源滥用,地球变暖(所以应加紧研制“永静机”,把环境燥热“吃掉”)。

4、世界的和平与发展
①为美国人民争取自由,不必受石油之累。②洗雪“考克斯报告”之耻,中国人有创新能力,有为人类造福的实力。③美国人获取了自由,不必再扬言什么“邪恶轴心”,不必对中国使用核武器。④永动机不可能是战争武器,相反,她必然为争取和平与发展尽力,总比爱因斯坦的“核威胁”来友好国际强一点点吧!

综上所述,本文已为讲解范德格拉夫起电机,相信大家对范德格拉夫起电机的认识越来越深入,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。

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