“感應(yīng)起電”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

“感應(yīng)起電”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)*

陳建明

(上虞城南中學(xué)浙江 紹興312300)

*“‘靜電場(chǎng)’系列實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)”的研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：SJG15343

摘 要：感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)深受天氣條件的限制，在潮濕的空氣中極易漏電，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極其微弱，效果很不理想，甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗.為此，對(duì)常用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的驗(yàn)電器可代替裸露的金屬箔片，不僅克服了實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，而且使實(shí)驗(yàn)成功率大大提高.

關(guān)鍵詞：感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)時(shí)空限制現(xiàn)象不清成功率低裝置改進(jìn)驗(yàn)電器絕緣屏蔽

收稿日期：(2015-03-03)

1原先的實(shí)驗(yàn)裝置

感應(yīng)起電是高中《物理·選修3-1》第一節(jié)“電荷及其守恒定律”中3種起電方式之一，既承接了初中知識(shí)，又是引出電荷守恒定律的基礎(chǔ)，也是成功上好靜電場(chǎng)一章的關(guān)鍵.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1　感應(yīng)起電裝置

取一對(duì)用絕緣柱支持的導(dǎo)體A和B,使它們彼此接觸.起初它們不帶電,貼在下部的金屬箔是閉合的[1].

具體操作如下：

第一步：把帶正電的物體C移近導(dǎo)體A,金屬箔有什么變化？

第二步：這時(shí)再把A和B分開(kāi),然后又移去C,金屬箔又有什么變化？

第三步：再讓A和B接觸,又會(huì)看到什么現(xiàn)象？

利用上面介紹的金屬結(jié)構(gòu)的模型，解釋看到的現(xiàn)象.

此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在以下弊端：

(1)易受時(shí)空限制

在陰濕天氣時(shí)，感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)很難成功.因?yàn)榭諝獬睗瘢h(yuǎn)離物體C的導(dǎo)體B也帶正電荷，同種電荷相互排斥，箔片尖端裸露在潮濕的空氣中很容易漏電，步驟一中導(dǎo)體B的金屬箔片很難張開(kāi).晴朗天氣時(shí)在辦公室實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但是在教室中演示時(shí)，實(shí)驗(yàn)卻會(huì)失敗.這是由于教室中人多，呼出水分多，濕度高，同樣會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗.

(2)現(xiàn)象不夠明顯

金屬箔片貼在導(dǎo)體A，B上，若要使箔片張開(kāi)，須讓箔片帶上大量電荷.而裸露在潮濕空氣中的箔片很難帶上大量電荷，所以箔片張角不大，現(xiàn)象不明顯.步驟二中，撤去帶電體C后，箔片張角會(huì)更小，特別是導(dǎo)體B上的箔片甚至?xí)]合.步驟三更難以繼續(xù)，致使實(shí)驗(yàn)失敗.

(3)成功幾率很低

為增強(qiáng)感應(yīng)起電的效果，讓導(dǎo)體A，B上的箔片張角明顯，一般選擇靜電起電機(jī)連接帶電體C，靜電起電機(jī)的電量雖然多，但是電壓也很高，可達(dá)幾萬(wàn)伏.當(dāng)帶電體C太靠近導(dǎo)體A時(shí)，極易擊穿空氣放電，使導(dǎo)體AB整體帶電，在步驟三中，再次接觸A和B，兩導(dǎo)體的箔片均不閉合，實(shí)驗(yàn)失敗.帶電體C太遠(yuǎn)離導(dǎo)體A時(shí)，箔片張角較小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，所以帶電體C的距離要恰到好處，很難控制，實(shí)驗(yàn)成功幾率很低.

2改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

原先的實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)巧妙，為提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯程度和成功幾率，筆者只對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置著手進(jìn)行改進(jìn).用驗(yàn)電器代替裸露的金屬箔片，克服容易漏電的缺陷，不受時(shí)空限制.改變帶電體C的帶電方式和改進(jìn)驗(yàn)電器來(lái)增加實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯程度，提高實(shí)驗(yàn)的成功幾率.

2.1替代金屬箔片

取下驗(yàn)電器頂端的金屬球或金屬圓片，在導(dǎo)體A和B下面打個(gè)小孔，把驗(yàn)電器的金屬桿插入導(dǎo)體A和B下面的小孔，使金屬桿與導(dǎo)體充分接觸，用502膠水粘住，金屬桿下端連有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬箔片，將裝置下端置于透明塑料玻璃罩內(nèi)，如圖2所示.驗(yàn)電器的金屬箔片受力轉(zhuǎn)動(dòng)，帶同樣電荷的條件下，比直接粘在導(dǎo)體A,B上張角更大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯.而且透明的塑料玻璃把金屬箔片與潮濕的空氣隔離，減少漏電，同樣能提高實(shí)驗(yàn)效果，保證實(shí)驗(yàn)順利完成.

圖2　用改裝的驗(yàn)電器替代圖1中的金屬箔片

2.2改變起電方式

感應(yīng)起電機(jī)產(chǎn)生的電壓太高，容易擊穿空氣放電，使導(dǎo)體A，B整體帶電致使實(shí)驗(yàn)失敗.筆者選用尼龍布摩擦PVC管，使PVC管帶電，替代帶電體C去感應(yīng)導(dǎo)體A，B.摩擦起電的PVC管，帶電量大而且電壓較低，不易放電.可盡量靠近導(dǎo)體A，增大兩驗(yàn)電器箔片張角，增加實(shí)驗(yàn)的可視效果.

2.3優(yōu)化驗(yàn)電結(jié)構(gòu)

2.3.1制作軸孔，靈活轉(zhuǎn)動(dòng)

彎折的金屬箔片，掛在銅軸上，因?yàn)檩S孔不是規(guī)則的圓形，如圖3所示.轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使金屬箔片左右偏轉(zhuǎn)，使箔片受到支架的摩擦力難以轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至卡在支架上導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗[2].為避免上述情況的出現(xiàn)，筆者先用比銅軸稍粗的銅絲為軸心，繞一圈后用502膠水粘住.抽出中間的銅絲，構(gòu)成一個(gè)圓形軸孔，如圖4所示.這樣就能讓金屬箔片在銅軸上靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，保證實(shí)驗(yàn)成功完成.

圖3　改進(jìn)前掛箔片不規(guī)則的軸孔

圖4　改進(jìn)后的圓形軸孔

2.3.2封蠟絕緣，減少漏電

把驗(yàn)電器金屬桿上的絕緣膠木去掉，穿入圓珠筆的筆套里，外面套上橡膠塞，里面灌入融化的石蠟，如圖5所示[3].同樣用石蠟封住導(dǎo)體A，B與驗(yàn)電器的連接處和銅絲轉(zhuǎn)軸的兩端，使整個(gè)驗(yàn)電裝置除了導(dǎo)體A，B和金屬箔片，其他部分均被石蠟封閉，與空氣絕緣，大大減少漏電的可能性，使金屬箔片能長(zhǎng)時(shí)保持一定的張角，便于學(xué)生觀察研究.

圖5　將驗(yàn)電器金屬桿封蠟絕緣

2.3.3鋁箔屏蔽，保護(hù)箔片

圖6　導(dǎo)體A，B下的驗(yàn)電器做鋁箔屏蔽

當(dāng)帶電體靠近導(dǎo)體A時(shí)，帶電體C會(huì)吸引導(dǎo)體A下面的金屬箔片，使之張角異常，與導(dǎo)體B下面的金屬箔片的張角不同.另外，在干燥的天氣時(shí)，幾次

實(shí)驗(yàn)以后，驗(yàn)電器的塑料外殼會(huì)帶上靜電，使里面的金屬箔片張角異常，甚至不會(huì)閉合.筆者在驗(yàn)電器的上下左右四面貼上自粘鋁箔，如圖6所示，自制成一個(gè)靜電計(jì)，把里面的金屬箔片屏蔽保護(hù)起來(lái)，使之能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保實(shí)驗(yàn)成功完成.

圖7　改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

導(dǎo)體A,B安裝在經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的驗(yàn)電器上，如圖7所示.在濕度為85%的天氣時(shí)實(shí)驗(yàn)，摩擦后的PVC管靠近導(dǎo)體A時(shí)，兩驗(yàn)電器的張角有45°，移開(kāi)PVC管后，兩驗(yàn)電器的張角能長(zhǎng)時(shí)間保持在25°到30°，再次接觸后兩驗(yàn)電器完全閉合，不僅實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，而且實(shí)驗(yàn)成功率幾乎可達(dá)100%.

參 考 文 獻(xiàn)

1人民教育出版社,課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理·選修3-1.北京：人民教育出版社，2014.5

2任偉德.鋁箔驗(yàn)電器存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn), 2010,26(12):51

3陳年安，苑愛(ài)文，趙美玲. 對(duì)J10004型箔片驗(yàn)電器的改進(jìn).教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)， 2007， 23(9)：19