避雷針演示實(shí)驗(yàn)報(bào)告

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：避雷針演示內(nèi)容：演示尖端放電原理的應(yīng)用：避雷針。儀器裝置：高壓電源、模擬避雷針裝置?！緦?shí)驗(yàn)原理】當(dāng)避雷針演示儀接通靜電高壓電源后，絕緣支架上的兩個(gè)金屬板帶電了。在極板間電壓超過1萬(wàn)伏時(shí)，由于導(dǎo)體尖端處電荷密度大于金屬球處，所以金屬尖端附近形成了強(qiáng)電場(chǎng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，空氣分子被電離，致使極板和金屬尖端之間處于連續(xù)的電暈放電狀態(tài)，即尖端放電現(xiàn)象。而金屬球與極板間的電場(chǎng)不能達(dá)到火花放電的數(shù)值，故金屬球不放電。在實(shí)際應(yīng)用中，尖端導(dǎo)體與大地相連接，云層中的電荷通過導(dǎo)體與大地中和，因而避免了人身和物體遭到雷電等靜電的傷害。如高層建筑物頂端都安有高于屋頂物體的金屬避雷針。【實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象】1．將靜電高壓電源正、負(fù)極分別接在避雷針演示儀的上下金屬板上，把帶支架的金屬球放在金屬板兩極之間。接通電壓，金屬球與上極板間形成火花放電，可聽到劈啪聲音，并看到火花。若看不到火花，可將電源電壓逐漸加大。演示完畢后，關(guān)閉電源。2．用帶絕緣柄的電工鉗將帶支架的頂端呈圓錐狀（尖端）的金屬物體也放在金屬板兩極之間，此時(shí)金屬球和尖端的高度一致。接通靜電高壓電源，金屬球火花放電現(xiàn)象停止了，但可聽到絲絲的電暈放電聲，看到尖端與上極板之間形成連續(xù)的一條放電火花細(xì)線。若看不到放電火花細(xì)線，將電源電壓提高。演示完畢后，關(guān)閉電源?！咀⒁馐马?xiàng)】1．由于電源電壓較高，關(guān)閉電源后，不能完全充分放電，故每一步演示后都應(yīng)取下電源任一極與另一極接頭相碰觸人工進(jìn)行放電，以確保儀器設(shè)備和操作者的安全。2．晴天演示電源電壓應(yīng)降低些，陰天演示電源電壓應(yīng)提高些。實(shí)驗(yàn)拓展：1．尖端放電跟火花放電孤立的導(dǎo)體處于靜電平衡時(shí)，它的表面各處的面電荷密度與各處表面的曲率有關(guān)，曲率越大的地方，面電荷密度也越大。尖端上的面電荷密度很大的時(shí)候，尖端周圍的電場(chǎng)就會(huì)很強(qiáng)。空氣中離散的帶電粒子（電子或者離子）在這強(qiáng)電場(chǎng)的作用下作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)就可能獲得足夠大的能量，以致它們和空氣分子碰撞時(shí)，能使后者離散成電子或離子。這些新的電子或離子與其他空氣分子相碰，又能產(chǎn)生新的帶電粒子。這樣就會(huì)產(chǎn)生大量的帶電粒子。與尖端上的電荷異號(hào)的帶電粒子受尖端電荷的吸引，飛向尖端，使尖端上的電荷被中和掉；與尖端上電荷同號(hào)的帶電粒子受到排斥而從尖端附近飛開。從外表看，就好像尖端上的電荷被“噴射”出來(lái)放掉一樣，所以叫做尖端放電。而電火花放電是電極間的氣體被擊穿，形成電流在氣體中的通道中呈現(xiàn)明顯的電火花，故叫做電火花放電。電暈放電屬于尖端放電，電暈放電時(shí)，電極間的氣體還沒有被擊穿，是電荷在高電壓的作用下發(fā)生移動(dòng)而進(jìn)行的放電。并且，火花放電的電流都很大，而電暈放電的電流就比較小。放電尖端與放電球的區(qū)別正是在此。放電尖端或者放電球與頂端的導(dǎo)體板形成一個(gè)電容器，由于放電尖端比較尖，即放電尖端形成的電容器的兩極板的正對(duì)面積比較小，所以尖端形成的電容器的電容就要小于放電球形成的電容器的電容，前者所容納的電荷就要小于后者，當(dāng)兩者聚集相同的電荷時(shí)，前者就更容易放電，釋放電荷，形成導(dǎo)體通路。云層的電荷就可以通過這個(gè)通路導(dǎo)入大地。所以避雷針要采用尖端裝置。2．避雷針明白了上述尖端放電及火花放電的原理，也就知道了避雷的原理。其實(shí)所謂的“避雷”，并不是阻擋，相反是靠“吸引”來(lái)中和電荷，似乎叫“引雷針”更合適。所以避雷針一定要高于被保護(hù)的建筑物的突出部分，因?yàn)樵谕怀霾糠帜苄纬苫蔚碾妶?chǎng)，在雷電形成的電路導(dǎo)向地面時(shí)就會(huì)受到畸形電路的影響，從而改變方向，轉(zhuǎn)向避雷針，而避免了擊中建筑物。這樣，在避雷針的一定高度下也就形成了一定的安全保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)的范圍跟避雷針的高度是有關(guān)的。3．跟避雷針類似原理跟避雷針原理相同的還有雷雨天一些參天大樹容易被