通過一些小實(shí)驗(yàn)研究尖端放電原理

1、通過一些小實(shí)驗(yàn)研究尖端放電原理09125718 楊皙1 引言 尖端放電不僅是一種在大自然中常見的電現(xiàn)象，它在日常生活或生產(chǎn)技術(shù)上也都有很重要的應(yīng)用。種種事實(shí)都顯示出尖端放電的重要性，而我們大多數(shù)人卻未必對它很了解。因此，為了能夠更加具體形象地認(rèn)識這一物理現(xiàn)象及原理，從而更好地利用它來解決人類在實(shí)際生活中和生產(chǎn)技術(shù)上的相關(guān)問題， 我們特意設(shè)計(jì)了幾個實(shí)驗(yàn)來演示尖端放電現(xiàn)象，并就尖端放電的實(shí)質(zhì)內(nèi)容做出了深入的解釋。2 尖端放電原理通常情況下空氣是不導(dǎo)電的， 但是如果電場強(qiáng)度特別強(qiáng)， 空氣分子中的正負(fù)電荷受到方向相反的強(qiáng)電場力，它就有可能被“撕開”，這個現(xiàn)象就叫做空氣的電離。由于電離后的空氣有了可以自

2、由移動的電荷，空氣就可以導(dǎo)電了。空氣導(dǎo)電后，被激發(fā)出來的負(fù)電荷就是電子，而失去電子的原子帶正電，叫做正離子。由于同種電荷互相排斥，導(dǎo)體上的靜電荷總是分布在表面上，而且一般來說分布是不均勻的，使得空氣中殘存的少量離子發(fā)生加速運(yùn)動，這些被加速的離子與空氣分子相碰撞后，使更多的空氣分子電離，從而產(chǎn)生大量新的離子。與尖端上電荷同號的離子受到排斥而飛向遠(yuǎn)方形成“電風(fēng)”，把蠟燭火焰吹向一邊，甚至吹滅。 3 幾個尖端放電實(shí)驗(yàn)( 1 ) 可以這樣使水帶電 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1 所示，將縫衣針固定在有機(jī)玻璃棒上，玻璃棒用夾子固定在鐵架臺上，針下方放一只盛滿清水的塑料盆，塑料盆放在絕緣板上，針尖端距水面約 5 c m

3、 l O c m， 用導(dǎo)線將針與感應(yīng)起電機(jī)的一極相連；再將一根導(dǎo)線一端與驗(yàn)電器相連，另一端裸露部分插入水中。轉(zhuǎn)動起電機(jī)，由于針的尖端放電，使水帶上同種電荷，驗(yàn)電器箔片逐漸張開。 ( 2 ) 模擬靜電除塵 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2所示 ，取圓形鋁板一塊固定在絕緣支座上，將縫衣針裝上塑料棒后固定在鐵架臺上，調(diào)節(jié)鋁板與針尖端間距 6 c m8 c m，用導(dǎo)線將鋁板和縫衣針分別與感應(yīng)起電機(jī)相連，將點(diǎn)燃的蚊香放在鋁板和針之間。讓起電機(jī)起電，使鋁板和縫衣針帶電，蚊香煙被鋁板吸附，若停止起電，煙又裊裊上升。( 3 ) 旋轉(zhuǎn)的風(fēng)車 取兩個易拉罐，剪一部分鋁皮，將鋁皮碾壓平整，剪出一直徑約 8 c m的圓，再剪成圖3

4、a樣式的風(fēng)車，盡量使葉片對稱，在其中心處打一小孔，嵌 上子母扣作支撐軸承，取縫衣針固定于絕緣支座上，針尖端頂在子母扣的凹坑處，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 b 所 示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用導(dǎo)線將針與起電機(jī)一極相連，轉(zhuǎn)動起電機(jī)，起電后，由于葉輪的尖端放電，在反沖作用下，風(fēng)車旋轉(zhuǎn)起來 。4 電風(fēng)現(xiàn)象解釋( 1 ) 當(dāng)金屬尖針接負(fù)電時(shí)，其上十分大的電荷密度產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場 E=/ s ，也使空氣分子電離，產(chǎn)生電子一離子對。電子受到電極的排斥向外運(yùn)動，但是電子的質(zhì)量十分小， 幾乎不能交換動量給空氣分子，不能形成空氣分子的流動。似乎正離子應(yīng)該向負(fù)電極移動。但它的質(zhì)量很大，不是它移近負(fù)電極，而是負(fù)電極上的電子跳躍到附近的正離子上，

5、變成分子，這樣一來，正離子就不運(yùn)動。所以，金屬尖針帶負(fù)電時(shí)不能形成電風(fēng)。 ( 2 ) 當(dāng)金屬尖針接正電，移動電極接負(fù)電時(shí)，期間的電場更加集中定向，疊加強(qiáng)度也大許多，其間的正離子運(yùn)動更加定向，即形成電風(fēng)的能力更強(qiáng)。( 3 ) 當(dāng)金屬尖針接負(fù)電，移動電極接正電時(shí)，同樣期間的電場更加集中定向，強(qiáng)度也大許多，其間的正離子運(yùn)動更加定向，形成電風(fēng)的能力也更強(qiáng)。 因此，由前面三點(diǎn)綜合可知，尖端放電的本質(zhì)是電離空氣分子，電離空氣分子的本質(zhì)是產(chǎn)生電子和正離子對，正離子的運(yùn)動的本質(zhì)是空氣正離子與高壓正電極的作用，形成電風(fēng)的本質(zhì)是空氣分子和正離子的運(yùn)動及碰撞作用，是帶電粒子運(yùn)動的動量交換。 5 火花放電現(xiàn)象解釋在該

6、實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象反復(fù)觀察中，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)在金屬尖針和可活動的金屬鈍端兩端加上強(qiáng)電場時(shí)金屬鈍端有火花放電現(xiàn)象。其原理是：當(dāng)高壓帶電體與導(dǎo)體靠得很近時(shí)，強(qiáng)大的電場會使它們之間的空氣瞬間電離，電荷通過電離的空氣形成電流，由于電流特別大，產(chǎn)生大量的熱使空氣發(fā)聲發(fā)光，產(chǎn)生電火花，這種現(xiàn)象叫做火花放電現(xiàn)象。而本實(shí)驗(yàn)中金屬鈍端有火花放電就是這個道理。6 結(jié)束語我們知道在靜電學(xué)中，導(dǎo)體帶電時(shí)，導(dǎo)體表面突出和尖銳的地方，電荷分布比較密集，使其附近形成很強(qiáng)的電場。導(dǎo)體尖端附近空氣中殘留的正、負(fù)離子在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生劇烈的運(yùn)動，并與空氣中的氣體分子碰撞，將空氣分子電離成許多新的正、負(fù)離子，那些與尖端帶同種電荷的離子，受到排斥，遠(yuǎn)離尖端，形成“電風(fēng)”；與尖端帶異種電荷的離子， 受到吸引，奔向尖端，與尖端上的電荷中和，這相當(dāng)于導(dǎo)體從尖端失去電荷，這就是尖端放電。按前面所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟，將高壓電極接到一根或一排金屬尖針上，