一个简单的自制范德格拉夫发电机
在前两个项目中，我们从电视机中窃取了高压来为我们的高压电机供电。在这个项目中，我们将构建一个可以从空汽水罐和橡皮筋产生12,伏电压的设备。
该设备称为范德格拉夫发电机。科学博物馆和研究设施的大型版本可产生数十万伏的电势。我们的比较适中，但仍然能够从汽水罐中将1/2英寸的火花吸引到我的手指上。火花是无害的，类似于你的脚在地毯上擦伤后门把手的震动。
要构建玩具，您需要：
一个空的汽水罐
一个小钉子
橡皮筋，1/4英寸x3或4英寸
5x20毫米GMA型电气保险丝（例如RadioShack#-或#-）
小型直流电机（例如RadioShack#-）
电池夹（RadioShack#-）
电池座（RadioShack#-）
一个泡沫塑料杯（纸杯也可以）
热胶枪（如果您不介意等待，也可以使用普通胶水）
两根6英寸长的绞合电线（例如延长线）
两根3/4英寸的PVC管道，每根约2或3英寸长
一个3/4英寸PVC耦合器
一个3/4英寸PVCT连接器
一些电工胶带
一块木头
这听起来像是很多东西，但看看下面的分步照片，你会发现整个项目可以在一个晚上很容易地放在一起，一旦所有的部分都收集了。
我们将从底部开始，然后逐步向上。
首先要做的是切割一段2到3英寸长的3/4英寸PVC管，然后将其粘在木制底座上。这块将支撑发电机，并允许我们将其移除以更轻松地更换橡皮筋或进行调整。
PVC“T”连接器将固定小电机。电机本身安装得太松，因此我们将纸或胶带包裹在其周围以使其紧密贴合。电动机的轴可以裸露，但如果通过在其周围缠绕胶带使发电机变得更胖，或者（更好）将中心有孔的塑料棒放在轴上以充当轴，则发电机会更好地工作橡皮筋的滑轮。
接下来，我们在PVC“T”连接器的侧面钻一个小孔，就在电机上的临时滑轮下方。这个孔将用于固定较低的“刷子”，它只是末端磨损的一点绞合线，几乎接触到滑轮上的橡皮筋。
如图所示，绞合线用一些电工胶带或其他胶带或胶水固定到位。
橡皮筋现在放在滑轮上，并允许挂在“T”型连接器的顶部。
接下来，切割另一个3或4英寸的3/4英寸PVC管道。这将进入“T”连接器的顶部，橡皮筋向上穿过它。使用小钉子将橡皮筋固定到位，如下图所示。PVC管的长度应该刚好能适合橡皮筋。橡皮筋不宜拉得太紧，因为产生的摩擦会妨碍电机正常转动，并增加零件的磨损。
将聚苯乙烯泡沫塑料杯从底部剪下约一英寸，并在杯子底部的中心小心地剪出一个直径为3/4英寸的孔。该孔应紧贴3/4英寸PVC管。
现在在PVC活接头顶部附近钻三个孔。其中两个孔需要在直径上彼此相对，因为它们将固定小钉子，该钉子将充当橡皮筋的轴。第三个孔位于另外两个孔之间，它将容纳顶部的“刷子”，就像底部的刷子一样，几乎会碰到橡皮筋。
顶部刷子用胶带粘在PVC活接头上，接头放在3/4英寸管子上，在聚苯乙烯泡沫塑料杯环上方。橡皮筋穿过耦合器，并像以前一样用小钉子固定到位。
露出顶部刷子（因此它没有绝缘层）并扭转它以防止单独的电线分开。如果您愿意，可以焊接自由端，但这不是必需的。
完成后，顶部刷子的自由端将卷曲在空汽水罐内，从而将汽水罐电连接到顶部刷子。
我们需要一个小玻璃管作为低摩擦的顶部滑轮，并作为橡皮筋的“摩擦电”补充，通过摩擦产生静电。玻璃是与橡胶摩擦发电的最佳材料之一。
我们通过拆开一个小的电保险丝来得到管子。如果用烙铁或火柴加热，保险丝的金属端很容易脱落。当它们脱落时，它们里面的焊料会滴下来，所以要小心。玻璃、金属盖和熔化的焊料都很热，如果在它们冷却之前触摸它们，皮肤就会起泡。
保存金属盖——我们将在未来的项目中使用它们！
由此产生的玻璃管具有漂亮的直边、均匀的边缘，为您“火抛光”，因此没有锋利的玻璃，也没有不平整的边缘卡在PVC上并打破玻璃。
下一步有点棘手。小钉子穿过PVC活接头的两个孔之一，小玻璃管放在钉子上。然后将橡皮筋放在玻璃管上，然后将钉子放在第二个孔中。橡皮筋在玻璃管上，可以围绕指甲自由旋转。
现在我们将聚苯乙烯泡沫塑料项圈粘在PVC管上。我喜欢用热胶枪来做这个，因为胶水可以涂得很厚以稳定衣领，而且它凝固得很快，不会溶解聚苯乙烯泡沫塑料。
在这一点上，我们准备好了空汽水罐。铝制易拉罐适用于高压，因为它们具有漂亮的圆形边缘，可以最大限度地减少“电晕放电”。
用一把锋利的刀，小心地切开汽水罐的顶部。留下漂亮的卷边，并靠近罐子的侧面切割，以便在锋利的边缘留下很少的东西。您可以用螺丝刀之类的金属工具“搅拌”罐头，在搅拌时向外按压，以使锋利的边缘变平，从而使切割边缘光滑。
将顶部刷丝的自由端塞入罐中，然后将罐倒置在设备顶部，直到它紧贴在聚苯乙烯泡沫塑料项圈上。
最后一步是连接电池。我喜欢将电池夹焊接到电机端子上，然后将其夹在9伏电池或用于两个AA尺寸电池的电池座上。九伏电池可以工作，但它使电机运转得太快，发出很大的噪音，并且有玻璃管破裂的风险。但是，它确实会产生稍高的电压，直到设备损坏。
要使用范德格拉夫发电机，只需将电池夹在电池夹上即可。如果刷子非常靠近橡皮筋的末端，但没有接触到，如果您将手指足够靠近，您应该能够感觉到汽水罐中的火花。这样做时，它有助于用另一只手握住底部刷子的自由端。
要使用我们的发电机为我们在本书上一节中构建的富兰克林钟供电，请将底部的刷线夹在一个“钟”上，然后将一根电线连接到发电机的顶部，将其连接到另一个“钟”。
富兰克林钟声的弹出式拍板应该开始在汽水罐之间跳跃。可能需要一点推动才能开始。
它是如何做到的？
你可能有一次在头发上擦了一个气球，然后让气球粘在墙上。如果您从未这样做过，请尝试一下！
范德格拉夫发电机使用这个技巧和其他两个技巧来产生产生火花所需的高压。
第一个技巧
当气球接触到你的头发时，橡胶分子接触到头发分子。当它们接触时，橡胶分子会从头发分子中吸引电子。
当你把气球从你的头发上拿开时，其中一些电子会留在气球上，给它一个负电荷。
气球上多余的电子排斥壁中的电子，将它们从表面推回。墙的表面留下正电荷，因为电子比中性时少。
正极墙以足够的力吸引负极气球以使其粘在墙上。
如果你收集一堆不同的材料并将它们相互接触，你可以找出哪些带负电，哪些带正电。
然后，您可以取出这些对象对，并将它们按顺序排列在一个列表中，从最积极到最消极。这样的列表称为摩擦电系列。前缀Tribo-意思是“摩擦”。
摩擦电系列
最正（最后的项目失去电子）
石棉
兔毛
玻璃
头发
尼龙
羊毛
丝绸
纸
棉
硬橡胶
合成橡胶
聚酯纤维
聚苯乙烯泡沫塑料
奥伦
萨兰
聚氨酯
聚乙烯
聚丙烯
聚氯乙烯（PVC管）
铁氟龙
硅橡胶
最负面的（最后的项目窃取电子）
我们的范德格拉夫发电机使用玻璃管和橡皮筋。橡皮筋从玻璃管中窃取电子，使玻璃带正电，而橡皮筋带负电。
第二招
摩擦充电是第一个技巧。第二个技巧涉及钢丝刷。
当金属物体靠近带电物体时，会发生一些非常有趣的事情。带电物体使金属中的电子移动。如果物体带负电，它会将电子推开。如果它带正电，它会将电子拉向它。
电子都带负电。因为同种电荷相互排斥，而电子都是同一种电荷，所以电子总是会尽量远离其他电子。
如果金属物体上有一个尖点，则该点上的电子会被物体其余部分中的所有其他电子推动。所以在某一点上，有很多电子从金属中推出，但没有电子从空气中推出。
如果金属上有足够的额外电子，它们可以将一些电子推离该点并进入空气。电子落在空气分子上，使它们带负电。带负电的空气被带负电的金属排斥，一小股带电的空气从金属上吹走。这被称为“电晕放电”，因为它发出的微光看起来像一个皇冠。
如果金属的电子太少（如果它带正电），同样的事情会反过来发生。此时，金属中的所有正电荷都会从该点拉出所有电子，使其带电。
撞击金属尖端的空气分子由于来自尖端正尖端的强大拉力而失去电子。空气分子现在是正的，并被正金属排斥。
第三招
VandeGraaff发电机还使用了另一种技巧。在我们了解了第三个技巧之后，我们将把所有技巧放在一起，看看生成器是如何工作的。
我们之前说过，所有电子都具有相同的电荷，因此它们都试图尽可能远离彼此。第三个技巧使用汽水罐以一种有趣的方式利用电子的这一特性。
如果我们给汽水罐一个电子电荷，它们都会尽量远离彼此。这具有使所有电子聚集到罐外的效果。罐子内部的任何电子都会感受到来自所有其他电子的推动，并且会移动。但是外面的电子感觉到罐子的推动力，却感觉不到罐子周围空气的推动力，罐子没有带电。
这意味着我们可以将电子放在罐子的内部，它们会被拉到外面。
我们可以不断向罐子内部添加任意数量的电子，它们总是会被拉到外面。
将所有三个技巧放在一起
所以现在让我们用我们的三个技巧来看看范德格拉夫发电机。
电机使橡皮筋一圈又一圈地移动。橡皮筋环绕玻璃管并从玻璃中窃取电子。
橡皮筋比玻璃管大得多。从玻璃中窃取的电子分布在整个橡皮筋上。
另一方面，玻璃很小。与全部集中在小玻璃管上的正电荷相比，在橡皮筋上散布的负电荷很弱。
玻璃上的强正电荷会吸引顶部刷子上的导线中的电子。这些电子从刷子的尖端喷出，给空气充电。空气被金属丝排斥，并被吸引到玻璃上。
但是带电的空气无法到达玻璃杯，因为橡皮筋挡住了路。带电的空气分子撞击橡胶，并将电子转移到橡胶上。
橡皮筋向下移动到底部刷子。橡胶中的电子推动底刷线中的电子。电子被推出电线，并进入我们连接到电线末端的任何大型物体，例如地球或人。
底部刷子的尖端现在是正的，它们将电子从任何接触它们的空气分子中拉出。这些带正电的空气分子被带正电的导线排斥，并被橡皮筋上的电子吸引。当它们击中橡胶时，它们会重新获得电子，而橡胶和空气都会失去电荷。
橡皮筋现在已准备好返回并从玻璃管中窃取更多电子。
顶部刷子连接到汽水罐的内部。它带正电，因此从罐中吸引电子。罐中的正电荷相互远离（它们是相同的电荷，所以它们排斥，就像电子一样）。正电荷聚集在罐子的外面，把罐子的中性原子留在里面，在那里它们随时准备提供更多的电子。
其效果是使用橡皮筋像传送带一样将电子从汽水罐转移到地下。苏打罐很快就会失去如此多的电子，以至于它变得比地面高12,伏特。
当罐子变得非常积极时，它最终有足够的电荷从撞击罐子的空气分子中窃取电子。这种情况最常发生在罐头上的任何尖锐点。如果罐子是一个完美的球体，它将能够达到更高的电压，因为没有任何地方的电荷比其他任何地方都更集中。
如果球体更大，在它开始从空气中窃取电子之前可以达到更高的电压，因为更大的球体不像更小的球体那样“锋利”。
我们的汽水罐上曲线最尖锐的地方是电荷积累最多的地方，也是电子从空气中被盗的地方。
空气在每英寸约25,伏特的电场中电离。电离空气像电线一样导电。你可以看到电离的空气导电，因为它变得很热，会发光。这就是我们所说的火花。
由于我们的发电机可以产生大约半英寸长的火花，我们知道我们正在产生大约12,伏的电压。
故障排除
如果您没有检测到任何高压（没有火花，不会吸引头发或纸张），那么您可以尝试其中一些建议。
尝试不同类型的橡皮筋。有些是轻微导电的，在12,伏时意味着导电性足以泄漏您精心建立的所有电流。有许多不同类型的橡皮筋可供试用。
确保一切都非常干净。污垢和油脂可能具有轻微的导电性，这足以使设备发生故障。
确保顶部刷子接触罐头的金属。有些罐子里面有塑料涂层。将其刮掉（或将其烧掉）以建立更好的连接。
确保没有尖锐的尖端延伸到罐子外面。从顶部的切割部分开始，可以让尖点指向罐内。尖点会导致电晕损失。
确保刷子没有接触橡皮筋。这将在橡胶上涂上一层铜，使其导电。
确保您有良好的接地连接。
确保电机快速旋转。
