Van de Graaff Generator
美国科学家富兰克林曾做过著名的风筝实验，并在此基础上发明了现代避雷针。在1752年7月的一个雷雨天，富兰克林冒着被雷击的危险，将一个系着长长金属导线的风筝放飞在雷雨云中，金属线末端拴了一串银钥匙。当雷电发生时，富兰克林伸手接近钥匙，钥匙上迸出一串电火花，手上还有麻木感。幸亏这次闪电比较弱，富兰克林没有受伤。钥匙尖迸出的电火花是所谓的尖端放电现象引起的。雷电使金属导线带电，钥匙尖端处电荷最密集而形成强电场，空气分子在此强电场作用下电离，产生能够自由移动的电子和正离子，其中与钥匙带异号电荷的粒子与钥匙中的电荷中和，出现放电火花。本实验中采用范德格拉夫起电机观察尖端放电现象。
实验装置
范德格拉夫起电机（结构示意图如图1所示）、绝缘凳子、导体针尖、蜡烛等。范德格拉夫起电机结构描述：A为金属球壳，C和D为金属轮，C和D之间有一绝缘传送带，E和F为金属针尖或电刷。
图1 范德格拉夫起电机结构示意图
现象观察
1.头发竖起现象观察
图2 实验照片
图3 实验操作示意图
确保金属壳与地同电势的条件下，人站立在绝缘凳子上，手紧按范德格拉夫起电机的金属球外壳，如图3所示。当起电机启动时，电荷传到我们的身体上，头发便会竖立起来。
2.尖端放电吹蜡烛现象观察
图4 尖端放电吹蜡烛现象观察
金属球壳外面粘贴一导体针尖，确保接触良好，将一根点燃的蜡烛靠近导体针尖。当我们不断给金属球外壳充电时，火焰就好像被风吹一样朝背离针尖的方向偏移，如图4所示。
现象解密
1.范德格拉夫起电机是美国科学家范德格拉夫(1901—1967)1931年发明的。针尖或电刷E与直流电源(电压约为几万伏)的正极相接，这样E与金属轮D之间就有几万伏的高压，附近空气被电离，负电荷跑向针尖，正电荷跑向传送带并附于其上，电动机带动轮D，传送带就把正电荷带向上方，针尖或电刷F在传送带正电荷感应下带负电。于是传送带与F之间形成强电场并使空气电离，其正负电荷分别跑向F和传送带。F上的正电荷不断被传送到金属壳外表面上（为什么？），使金属壳与地之间的电压差不断增加。
2.静电平衡时，孤立导体表面的感应电荷面密度与曲率半径成反比，即越尖端的地方电荷面密度越大，而导体附近的电场强度又与其表面的电荷面密度成正比，所以尖端附近产生的电场非常强。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带电粒子被尖端吸引，与导体电荷相同的带电粒子则被排斥到远处，这种现象称为尖端放电效应。
应用拓展
范德格拉夫起电机金属球壳上的电荷能产生超过一千万伏特的高压。在核物理实验中，如此高的电压可用来加速各种带电粒子，如质子、电子等。
思考题
1.问：你能设计出几个利用范德格拉夫起电机的演示实验？你还能想出它的其他应用吗？
2.尖端放电吹蜡烛实验中，吹蜡烛的是电子风还是正离子风？为什么？（注意：金属外壳带的是正电荷）
3.范德格拉夫起电机中，用电刷和金属针尖在原理上有什么区别？
4.范德格拉夫起电机演示实验中，涉及哪些静电感应现象的知识点？
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