趣味高壓靜電實(shí)驗(yàn)的制作與研究

黃文　龔義宸

摘 要 高壓靜電是生活中常見(jiàn)的電磁學(xué)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)五則趣味高壓靜電實(shí)驗(yàn)，演示現(xiàn)象生動(dòng)有趣，所需器材方便簡(jiǎn)單，適合學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作，增加對(duì)電磁學(xué)有關(guān)概念的理解和認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞 高壓靜電；電磁學(xué)；實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）20-0124-02

Fabrication and Study of Funny High-voltage Electrostatic Ex-periment//HUANG Wen， GONG Yicheng

Abstract The funny High-voltage Electrostatic Experiment is a usual

phenomenon in peoples life. The 5 High-voltage Electrostatic Ex-

periments are designed. All of those are funny and vivid in presen-ting phenomenon， and simple in using instrument， and thats suitable for students to operate experiment by themselves and enhance the cognition and understanding of electromagnetism concepts.

Key words high-voltage； electrostatic electromagnetism； experiment

1 前言

摩擦起電是生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，例如：手指接觸金屬門(mén)把、水龍頭等器物時(shí)會(huì)有電擊感；穿化纖衣服在地毯上行走，有針刺般的觸電感。兩種不同材質(zhì)的物體接觸，會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移和積累，一種物質(zhì)失去電子而帶正電，另外一種物質(zhì)得到多余的電子而顯示出負(fù)電。靜電對(duì)人體有一定的危害：靜電電壓達(dá)到2000伏，手指有麻麻的感覺(jué)；超過(guò)3000伏出現(xiàn)火花，手指有針刺的痛感；超過(guò)7000伏，人有強(qiáng)烈的電擊感。日常生活中產(chǎn)生的靜電壓有時(shí)高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏，但是摩擦起電的時(shí)間極短，產(chǎn)生的電流量很小，不會(huì)對(duì)人體造成生命危險(xiǎn)。

為了防止靜電的發(fā)生，室內(nèi)要保持一定的濕度，消除人體表面積聚的靜電荷。冬天脫衣服后，摸金屬門(mén)把手前用手摸一下墻，將體內(nèi)靜電放出去。人們應(yīng)選擇柔軟、光滑的棉紡織或絲織衣褲，盡量不穿化纖類(lèi)衣物，使靜電危害降低到最低限度。

以下介紹幾則高壓靜電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)有趣，所需器材方便簡(jiǎn)單，適合學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作，增加對(duì)電磁學(xué)有關(guān)概念的理解和認(rèn)識(shí)。

2 飛盤(pán)觸電實(shí)驗(yàn)

把塑料飛盤(pán)用洗衣粉洗刷曬干，準(zhǔn)備一塊圓形鐵片，面積比飛盤(pán)略小，鐵片中央打鉆一小孔，用20厘米長(zhǎng)的絲線穿過(guò)小孔。將一塊干燥的毛皮用力摩擦圓盤(pán)的內(nèi)側(cè)，然后迅速拿開(kāi)，再用手提著絲線的一端。為了不使手與鐵片接觸，將鐵片放入圓盤(pán)內(nèi)，圓盤(pán)上的電荷聚集到鐵片上，用手指靠近鐵片，會(huì)有微麻的感覺(jué)，同時(shí)看到電火花，聽(tīng)見(jiàn)放電響聲。

本實(shí)驗(yàn)的效果受環(huán)境影響較大，干燥的天氣比空氣潮濕時(shí)容易成功，室外通風(fēng)比在室內(nèi)容易成功。實(shí)驗(yàn)者站立在一塊較厚的干燥泡沫塑料上，一只手與放在桌子上的塑料塊摩擦數(shù)下，人體帶了電，人體與塑料摩擦起電的效果很好。只要人不與其他導(dǎo)體接觸，人體上的電荷就不會(huì)跑掉，人成為一個(gè)帶電體。用帶電的手去接近放在桌面上的乒乓球，球就向手滾過(guò)來(lái)，并能追隨手運(yùn)動(dòng)。帶電體不但可以吸引輕小物體，而且能吸引像乒乓球這樣較大的物體。

3 人體高壓實(shí)驗(yàn)

以下制作人體帶電趣味實(shí)驗(yàn)，可以增加學(xué)生對(duì)于靜電的認(rèn)識(shí)，掌握電容器的充放電原理。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)器材包括1.5伏的7號(hào)電池三個(gè)，電池盒一個(gè)，按壓式開(kāi)關(guān)一個(gè)，硬紙板兩塊，高壓脈沖電容器一個(gè)，導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示。

選用的電容器為脈沖高壓電容器。人體在生活中通過(guò)摩擦而產(chǎn)生的靜電能夠達(dá)到上萬(wàn)伏，如果用一般的電容器，很難使人體產(chǎn)生上萬(wàn)伏的靜電電壓，因此使用一個(gè)高壓脈沖電容器。給電容器的輸入端輸入3～6伏的直流電，通過(guò)高壓脈沖，可以瞬間在輸出端得到上萬(wàn)伏的高壓電位，很好演示人與人接觸時(shí)產(chǎn)生電擊的情況。

根據(jù)給出的電路圖連接好實(shí)物圖，將電池與開(kāi)關(guān)連接到高壓脈沖電容器的輸入端。為了防止線路的混亂，可以將線路放在一塊紙板上；為了更好模擬人體在行走時(shí)產(chǎn)生的靜電，在紙板上放小一點(diǎn)兒的紙板，模擬人的拖鞋。在脈沖電容器的正向輸出端引出一條線路，穿過(guò)上面的紙板，與人的腳接觸；從電容器的負(fù)向輸出端引出一條線路，穿過(guò)下面的紙板，與地面接觸，相當(dāng)于與大地構(gòu)成回路。為了方便控制開(kāi)關(guān)，將開(kāi)關(guān)安放在上面的紙板上，用人腳的大拇指來(lái)控制開(kāi)關(guān)。連接好線路后，甲踩在紙板上，用拇指踩一下開(kāi)關(guān)，這時(shí)給電容器充電；當(dāng)甲與乙接觸時(shí)，構(gòu)成閉合回路，電容器處于放電過(guò)程，這時(shí)乙就會(huì)有觸電的感覺(jué)，就很好地演示了人與人接觸時(shí)觸電的情況。

本實(shí)驗(yàn)電容器的輸入電壓為3～6伏，電容器產(chǎn)生的脈沖高壓電壓不宜太高，太高時(shí)產(chǎn)生的電擊效果太強(qiáng)烈，會(huì)形成比較疼痛的針刺感，太小則達(dá)不到觸電效果，一般選擇脈沖高壓在10萬(wàn)伏就可以。要注意區(qū)分脈沖電容器正負(fù)輸入端和輸出端。由于電容器功率較大，內(nèi)部不易散熱，每次充電時(shí)間不要超過(guò)10秒鐘。用紙板將人體與大地隔絕，要在紙板上鋪一層絕緣膠布或者透明膠，因?yàn)榧埌逵幸欢ǖ臐穸?，比人的拖鞋更容易?dǎo)電，能將電荷從紙板上泄露到大地去；也可以選用絕緣性能更好的PVC塑料板或泡沫板。

4 簡(jiǎn)易萊頓瓶制作

該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解萊頓瓶的工作原理，明白電容器如何儲(chǔ)存電荷。如圖2所示，所需實(shí)驗(yàn)器材包括塑料杯、錫箔紙、PVC塑料管。將錫箔紙分別包在兩個(gè)塑料杯的外緣，盡量使錫箔紙平整緊貼塑料杯，不要有皺褶；將兩個(gè)貼好錫箔紙的塑料杯套起來(lái)，兩層錫箔紙之間不要有接觸的地方，在內(nèi)層錫箔紙上延伸出一條錫箔；叫幾個(gè)學(xué)生走上講臺(tái)，手牽手拉著一起，讓第一個(gè)學(xué)生用空手接觸塑料杯的外緣；這時(shí)教師開(kāi)始用干燥的紙快速反復(fù)摩擦PVC塑料管，摩擦10秒鐘后，將PVC塑料管靠近用錫箔紙包好的塑料杯，注意不要讓塑料杯與PVC管碰到，靠近三四秒后移開(kāi)；如此重復(fù)20次左右，然后讓最后一個(gè)學(xué)生用手接觸內(nèi)層錫箔紙延伸出來(lái)的錫箔條，這時(shí)全體學(xué)生會(huì)因?yàn)檩p微觸電而同時(shí)有反應(yīng)動(dòng)作。endprint