大學(xué)物理電磁學(xué)演示實驗實驗報告

1、避雷針u常規(guī)防雷電可分為防直擊雷電、防感應(yīng)雷電和綜合性防雷電。防直擊雷電的避雷裝置一般由三部分組成，即接閃器、引下線和接地體；接閃器又分為避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)。以避雷針作為接閃器的防雷電原理是：避雷針通過導(dǎo)線接入地下，與地面形成等電位差,利用自身的高度，使電場強度增加到極限值的雷電云電場發(fā)生畸變，開始電離并下行先導(dǎo)放電；避雷針在強電場作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向上先導(dǎo)放電；兩者會合形成雷電通路,隨之瀉入大地，達到避雷效果。實際上，避雷針是引雷針，可將周圍的雷電引來并提前放電,將雷電電流通過自身的接地導(dǎo)體傳向地面，避免保護對象直接遭雷擊。通俗的解釋就是：避雷針的作用像雨傘為人們遮雨一樣，

2、覆蓋著它一定范圍內(nèi)的建筑設(shè)施，一旦有雷電進入到了這個傘狀的范圍，雷電就會被避雷針吸引過來，再通過本體泄人大地，從而使傘狀以下的建筑不被雷擊。避雷針之外還有避雷線，它是通過防護對象的制高點向另外制高點或地面接引金屬線的防雷電，它的防護作用等同于在弧垂上每一點都是一根等高的避雷針。后來發(fā)展了避雷帶，就是在屋頂四周的女兒墻或屋脊、屋檐上安裝金屬帶做接閃器來防雷電，即如你所說的那種。避雷帶的防護原理與避雷線一樣，由于它的接閃面積大，接閃設(shè)備附近空間電場強度相對比較強，更容易吸引雷電先導(dǎo)，使附近尤其比它低的物體受雷擊的幾率大大減少。再后來又發(fā)展了避雷網(wǎng)，分明網(wǎng)和暗網(wǎng)。明網(wǎng)是在避雷帶的中間加敷金屬線制成的

3、網(wǎng)，然后通過截面積足夠大的金屬物與大地連接的防雷電，用以保護建筑物的中間部位。暗網(wǎng)則是利用建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)進行雷電防護，只要每層樓的樓板內(nèi)的鋼筋與梁、柱、墻內(nèi)的鋼筋有可靠的電氣連接，并與層臺和地樁有良好的電氣連接，形成可靠的暗網(wǎng)，則這種方法要比其他防護設(shè)施更為有效。法國易敵雷擁有超過40年豐富防雷器生產(chǎn)和防雷工程經(jīng)驗和一支強大的由法國最著名大學(xué)和研究機構(gòu)組成的工程師隊伍，使INDELEC（“易敵雷）防雷器成為雷電保護裝置的專家。不論在法國以至世界各地，PREVECTRON防雷器經(jīng)過數(shù)十年勢不可擋的成功，INDELEC（易敵雷）目前正全力推出其最新研究成果：PREVECTRON（第

4、二代）避雷針。以下稱PREVECTRON2)INDELEC避雷針是如何工作的當雷暴來臨時，所產(chǎn)生的能量是相當巨大的（每米達到幾千伏），PREVECTRON2早期預(yù)放電防雷器的空氣終端從自然界的電場中吸收能量，下端能量收集電極把電能量貯存在防雷器觸發(fā)裝置內(nèi)。每當閃電發(fā)生前，場強度會迅速增強，當防雷器貯存的能量達到某一水平，空氣終端便會把信息輸送往防雷器電觸發(fā)裝置，在空氣終端的尖端便會產(chǎn)生火花，并使尖端周圍的空氣離子化，形成尖端放電現(xiàn)象。INDELEC早期預(yù)放電避雷針原理在空氣終端的尖端的離子化可被表征為：控制離子的釋放：PREVECTRON2早期預(yù)放電防雷器的觸發(fā)裝置容許離子在極短的時間內(nèi)放電，

5、防雷器觸發(fā)系統(tǒng)極度的準確性意味著離子可在極準確的時間被釋放，換句話說，在主閃電發(fā)生前的剎那間。CORONA效應(yīng)的觸發(fā)：大量初始電子的存在，連同迅速增強的電場令自然的CORONA效應(yīng)觸發(fā)時間減少。預(yù)期上引放電通道：PREVETRON2早期預(yù)放電避雷針被設(shè)計成從其尖端產(chǎn)生一預(yù)期上引放電通道，并早于那些鄰近高點產(chǎn)生，這就表示著PREVECTRON2早期預(yù)放電避雷針成為了在其保護范圍內(nèi)最有影響力的一點。在實驗室測量時，這個觸發(fā)時間的提前時間被定義為T，代表了與單一棒比較起來，PREVECTRON2早期預(yù)放電避雷針空氣終端的有效性測量更理想。尖端電暈放電現(xiàn)象電暈放電是發(fā)生在極不均勻的電場中,空氣被局部電

6、離的一種放電形式。當前有關(guān)電暈放電測試和信號處理主要集中在電力行業(yè),研究對象是電力系統(tǒng)中的高壓輸電線和高壓電氣設(shè)備的局部放電。國外學(xué)者對高壓輸電線上的電暈放電情況進行了大量的研究,包括電暈放電能量分析、電暈放電引起EMI的模擬計算和預(yù)測、復(fù)合導(dǎo)體輸電線的電暈放電情況,還建立了輸電線電暈放電輻射場的計算模型在航空航天領(lǐng)域,空中目標在高速飛行過程中,其外表面會不斷遭到氣體分子、塵埃、冰晶等空間粒子的撞擊,這些粒子在于空中目標相互接觸分離時,帶上某種極性的電荷,同時在目標上留下等量異號的電荷。電荷積累到一定程度后,會在其尖端形成電暈放電。電暈放電過程中會產(chǎn)生強烈的電磁輻射,高壓輸電線、大型變壓器等電

7、力設(shè)備都會因此造成經(jīng)濟損失，而且這種電磁干擾對航空、航天飛行器的安全構(gòu)成很大威脅。因此，研究電暈放電輻射場測試方法與技術(shù)對高壓電力系統(tǒng)、航空航天系統(tǒng)靜電危害防護等有著重要的意義。靜電滾筒口靜電滾筒實驗的基本原理，在電學(xué)方面是尖端放電，在力學(xué)方面是轉(zhuǎn)動定律。本實驗的主要部件是一個絕緣塑料筒和兩個電極桿，塑料筒可繞中軸自由轉(zhuǎn)動，兩個電極桿安置在滾筒兩邊，且與滾筒中軸平行，每個電極桿上平行排列著一排垂直于電極桿但指向滾筒切線方向的金屬尖端。當兩個針形電極桿間加上高壓后，尖端處的電荷面密度最大，尖端附近的電場最強,強電場使尖端附近空氣中殘存的離子發(fā)生加速運動，被加速的離子與空氣分子相碰撞,使空氣分子電

8、離，產(chǎn)生大量新的離子。與尖端電荷異號的離子受吸引而趨向尖端，最后與尖端上電荷中和；與尖端電荷同號的離子受排斥而飛向遠方形成電風”，即電離的氣體流，因此尖端放電所產(chǎn)生的帶電粒子流推動滾筒而產(chǎn)生的力矩使?jié)L筒轉(zhuǎn)動。對靜電滾筒小實驗的思考口如圖，為靜電滾筒實驗裝置的正視圖，其中A，B為兩并排水平放置的尖針，C為豎直放置的靜電滾筒，可靈活繞豎直軸轉(zhuǎn)動。初步的實驗現(xiàn)象是：當A，B兩端分別接上正負極，加上高電壓時，滾筒會順時針轉(zhuǎn)動；若C為電介質(zhì)的靜電滾筒，則轉(zhuǎn)動得快，若C為導(dǎo)體的靜電滾筒，則轉(zhuǎn)動得較慢。下面談一下我對這個問題的思考過程。針對上述實驗現(xiàn)象，可以提出兩種解釋假設(shè)：一，該現(xiàn)象主要由尖針尖端放電產(chǎn)生

9、的“電風”帶動滾筒轉(zhuǎn)動引起；二，該現(xiàn)象主要由尖針與滾筒靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電場引起。首先看一下兩種假設(shè)對滾筒的順時針轉(zhuǎn)動這一現(xiàn)象如何解釋。如果假設(shè)一成立，顯然，尖端放電產(chǎn)生的“電風”的確會相對圓心對滾筒產(chǎn)生一個力矩的作用，從而引起滾筒順時針轉(zhuǎn)動，所以假設(shè)一這時與實驗未出現(xiàn)矛盾；如果假設(shè)二成立，當C為導(dǎo)體的靜電滾筒時，A,B之間加上電壓瞬間，滾筒表面應(yīng)該馬上會感應(yīng)出相應(yīng)的電荷，由對稱性，整個滾筒兩端受靜電引力水平?jīng)_外，滾筒處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)（如下圖1），應(yīng)該不會轉(zhuǎn)動才對，即使給了滾筒一個微小的擾動，由于靜電感應(yīng)的速度極快（達109s）,滾筒的穩(wěn)定平衡狀態(tài)會很快恢復(fù)，滾筒根本轉(zhuǎn)不起來。這時，假設(shè)二與實驗之

10、間出現(xiàn)了很大的矛盾。事實上，對于假設(shè)二，如果C為電介質(zhì)的靜電滾筒，那么解釋起來會出現(xiàn)更大的出入。如上圖，A為正極，B為負極，C為電介質(zhì)的靜電滾筒。剛開始時，滾筒會對稱性地感應(yīng)出極化電荷（如上圖2），現(xiàn)在給滾筒一個順時針的微小擾動，由于電介質(zhì)的極化速度比較慢，滾筒表面局部區(qū)域的電荷沒有來得及改變，出現(xiàn)如上圖3的情形，對稱性地分析一下可知，此時滾筒受到總的靜電引力產(chǎn)生的力矩恰恰是阻止?jié)L筒順時針轉(zhuǎn)動的，滾筒應(yīng)該轉(zhuǎn)不起來才對。可實驗事實是，滾筒順時針轉(zhuǎn)動得很快。這樣看來，假設(shè)二又遇到了很大的問題，再結(jié)合前面的分析，基本上就可以排除假設(shè)二了。以下看一下假設(shè)一是如何很好地解釋所有實驗現(xiàn)象的。前面解釋了滾筒

11、的順時針轉(zhuǎn)動。按照假設(shè)一的想法，轉(zhuǎn)動的方向應(yīng)該與A，B電極的調(diào)換沒有關(guān)系，即滾筒應(yīng)仍順時針轉(zhuǎn)動實驗事實是，調(diào)換正負極，滾筒仍然順時針轉(zhuǎn)動，恰好驗證了這一點；另外，既然由“電風”帶動滾筒轉(zhuǎn)動，那么如果撤去一個電極，只留下一排尖針的話，滾筒應(yīng)該還是會順時針轉(zhuǎn)動，只不過轉(zhuǎn)得慢一些而已探索實驗的結(jié)果也恰好驗證了這一點。最后，解釋一下滾筒不同材料時轉(zhuǎn)速不同的現(xiàn)象。以A正B負為例，如上圖，若C為導(dǎo)體的靜電滾筒，根據(jù)前面的分析，滾筒表面可以隨時看做存在對稱的感應(yīng)電荷，這種靜電吸引力有使?jié)L筒恢復(fù)穩(wěn)定平衡的趨勢，因而會阻礙滾筒的轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)速會相對較慢。若C為電介質(zhì)的靜電滾筒，根據(jù)前面的分析，雖然剛開始運動時會

12、有一個反向力矩阻礙轉(zhuǎn)動，但隨著轉(zhuǎn)動的繼續(xù)，滾筒表面極化的正負電荷“混在一起”，表現(xiàn)出來就好像表面沒有極化電荷一樣，反向力矩的阻礙作用慢慢消失，所以轉(zhuǎn)速會相對較快。綜上所述，假設(shè)一，即尖端放電引起的“電風”是引起靜電滾筒實驗現(xiàn)象的主要原因，假設(shè)二即感應(yīng)電荷的作用處于次要地位，僅僅影響轉(zhuǎn)動速度的大小。雅格布天梯口原理：無論是在稀薄氣體、金屬蒸汽或大氣中，當回路中電流的功率較大時，能夠提供足夠大的電流，使氣體擊穿，伴隨有強烈的光輝，這時所形成的自持放電的形式是弧光放電?；」夥烹娛侵赋尸F(xiàn)弧狀白光并產(chǎn)生高溫的氣體放電現(xiàn)象。無論在稀薄氣體、金屬蒸氣或大氣中，當電源功率較大，能提供足夠大的電流（幾安到幾十安

13、），使氣體擊穿，發(fā)出強烈光輝，產(chǎn)生高溫（幾千到上萬度），這種氣體自持放電的形式就是弧光放電。通常產(chǎn)生弧光放電的方法是使兩電極接觸后隨即分開，因短路發(fā)熱，使陰極表面溫度陡增，產(chǎn)生熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射使碰撞電離及陰極的二次電子發(fā)射急劇增加,從而使兩極間的氣體具有良好的導(dǎo)電性?；」夥烹姷奶卣魇请妷翰桓?，電流增大的兩極間電壓反而下降，有強烈光輝。還有一種弧光放電叫做冷陰極弧光放電，陰極由低熔點材料（如汞）做成。陰極表面蒸發(fā)出的蒸氣被電離，在陰極表面附近堆積成空間正電荷層，此電荷層與陰極間極為狹窄區(qū)域內(nèi)形成的強電場引起場致發(fā)射，使電流劇增，產(chǎn)生電弧?；」夥烹姂?yīng)用廣泛。可用作強光光源，在光譜分析中用作激

14、發(fā)元素光譜的光源，在工業(yè)上用于冶煉、焊接和高熔點金屬的切割，在醫(yī)學(xué)上用作紫外線源（汞弧燈），等等。但是大電流電路開關(guān)斷開時產(chǎn)生的弧火極其有害，應(yīng)采取滅弧措施。雅各布天梯是演示高壓弧光放電現(xiàn)象的一種裝置，雅格布天梯的兩電極構(gòu)成一梯形的兩腰，底部間距小，頂部間距大。由于兩電極間具有幾萬伏高壓，且能夠提供足夠大的電流，在相距較小的底部產(chǎn)生較大場強，因而其底部空氣首先被擊穿，同時產(chǎn)生光和熱，即弧光放電。雅格布天梯的底部產(chǎn)生的電弧加熱空氣，溫度升高的空氣較易電離,所以伴隨弧光放電產(chǎn)生大量的正負離子，而離子存在的空氣擊穿場強下降，隨著離子熱空氣上升，其上部的空氣也被擊穿放電，結(jié)果弧光區(qū)逐漸上移，就象圣經(jīng)中

15、的雅各布（Yacob以色列人的祖先）夢中見到的天梯一般壯觀。當弧光區(qū)升至一定的高度時，由于兩電極間距過大，使兩電極間場強太小，不足以引起空氣進一步的擊穿放電，即兩電極提供的能量不足以補充擊穿空氣時的聲、光、熱等能量損耗時，弧光因而熄滅。此時高壓再次將電極底部的空氣擊穿，發(fā)生第二輪弧光放電，如此周而復(fù)始，形成實驗中的現(xiàn)象。感想物理實驗是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),雖然在很多物理實驗中我們只是復(fù)現(xiàn)課堂上所學(xué)理論知識的原理與結(jié)果,但這一過程與物理家進行研究分子和物質(zhì)變化的科學(xué)研究中的物理實驗是一致的.在物理實驗中,影響物理實驗現(xiàn)象的因素很多,產(chǎn)生的物理實驗現(xiàn)象也錯綜復(fù)雜.老師們通過精心設(shè)計實驗方案,嚴格控制實驗

16、條件等多種途徑,以最佳的實驗方式呈現(xiàn)物理問題,使我們通過努力能夠順利地解決物理實驗呈現(xiàn)的問題,考驗了我們的實際動手能力和分析解決問題的綜合能力,加深了我們對有關(guān)物理知識的理解.通過一學(xué)期的課程,我學(xué)到了很多東西.做大學(xué)物理實驗時,為了在規(guī)定的時間內(nèi)快速高效率地完成實驗,達到良好的實驗效果,需要課前認真地預(yù)習(xí),首先是根據(jù)實驗題目復(fù)習(xí)所學(xué)習(xí)的相關(guān)理論知識,并根據(jù)實驗教材的相關(guān)內(nèi)容,弄清楚所要進行的實驗的總體過程,弄懂實驗的目的,基本原理,了解實驗所采用的方法的關(guān)鍵與成功之處;思考實驗可能用到的相關(guān)實驗儀器,對照教材所列的實驗儀器,了解儀器的工作原理,性能,正確操作步驟,特別是要注意那些可能對儀器造

17、成損壞的事項.然后還要寫預(yù)習(xí)報告,預(yù)習(xí)報告能夠幫助我們順利完成實驗中的各項操作.在寫預(yù)習(xí)報告的時候,我們一般包括實驗?zāi)康?基本原理,實驗儀器,操作步驟,測量內(nèi)容,數(shù)據(jù)表,預(yù)習(xí)思考題等.數(shù)據(jù)表與操作步驟密切相關(guān),數(shù)據(jù)表中的欄目排列順序應(yīng)與操作步驟的順序合理配合.這樣就可以隨時將數(shù)據(jù)按順序填入表中,也可以隨時觀察和分析數(shù)據(jù)的規(guī)律性.剛開始時我們不注意預(yù)習(xí)報告里的數(shù)據(jù)表格,將數(shù)據(jù)隨便的記錄在一張紙上,結(jié)果發(fā)現(xiàn)整理數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)很多混亂和錯誤,尤其是數(shù)據(jù)比較多的時候,比如在做用動力學(xué)共振法測固體材料的樣式彈性模量實驗時,由于實驗前未提前設(shè)計好表格,數(shù)據(jù)記錄得很隨便,很亂,處理時很困難.后來汲取了教訓(xùn),在

18、實驗前根據(jù)所要測的物理量和實驗步驟設(shè)計好數(shù)據(jù)表格,在實驗記錄時和處理數(shù)據(jù)時輕松了不少.實驗教會了我們要養(yǎng)成良好的科學(xué)的實驗習(xí)慣.預(yù)習(xí)思考題,是加深實驗內(nèi)容或?qū)﹃P(guān)鍵問題的理解,開發(fā)視野的一些問題,在實驗前認真地思考并回答這些問題,有助于提高實驗質(zhì)量.對于不明白的問題或?qū)嶒炘碇幸恍┎幻靼椎牡胤?可以跟自己的同學(xué)討論一下或查一下相關(guān)的資料,實在不明白的地方可以帶到課堂上問老師,只有把實驗中所有的地方都弄通弄透徹,才能達到實驗應(yīng)有的效果.預(yù)習(xí)是做實驗前必須的工作,但是做實驗的主要工作還是課堂操作.課堂操作需要我們嚴格的遵守實驗的各項原則,要將儀器放置在合理的位置,以方便使用和確保安全,比如象高壓電源

19、的輸出端鈕應(yīng)該遠離操作者.經(jīng)常需要操縱或調(diào)節(jié)的器件,應(yīng)該放在便于操縱的位置上.一些電學(xué)實驗儀器部件較多,首先要把這些儀器部件一一放在合適的位置上,然后再連線.實驗過程中要嚴格按照實驗儀器的操作要求來操作,所有儀器要調(diào)整到正確的位置和穩(wěn)定的狀態(tài),在安裝和調(diào)整儀器時還不能使用書本這些本身就不穩(wěn)定的物品做墊塊,否則容易造成測量數(shù)據(jù)的分散性,影響實驗質(zhì)量,并且容易在成實驗儀器的損壞.在的過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)一些故障或觀察到的實驗現(xiàn)象與理論上的現(xiàn)象不符,首先應(yīng)認真思考并檢查實驗儀器使用以及線路連接是否正確,不正確的及時進行改正,若自己不能解決,應(yīng)及時請老師來指導(dǎo),切不可敷衍過關(guān),草草了事.還有讀數(shù),需要有足夠的耐心和細心,尤其是對一些精度比較高的儀器,讀數(shù)一定要按照正確的讀數(shù)方法并且一定要細心.對