高壓放電裝置的改進與相關(guān)實驗應(yīng)用

馮 蘭

（吳江中學(xué)，江蘇 蘇州 215200）

中學(xué)所用的手搖感應(yīng)起電機難以實現(xiàn)持續(xù)高壓放電，完成相關(guān)的靜電實驗，利用零電壓開關(guān)驅(qū)動電視機上的高壓包產(chǎn)生的高壓，可以持續(xù)高壓放電.將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電流，輸入零電壓開關(guān)，再推動高壓包放電，可制作等離子音響，如圖1所示，演示熱、光、電、聲等現(xiàn)象，通過對高壓端的改進可以演示反沖、模擬閃電等中學(xué)物理實驗.

圖1 等離子音響裝置圖

1 原理

兩個電極間具有高壓，在兩極間形成很強的電場，空氣分子在強電場作用下，容易電離形成等離子氣體，等離子氣體在兩極間放電，發(fā)熱，發(fā)光，同時使得空氣急劇膨脹，擠壓周圍的空氣.若脈沖電流高壓放電，形成空氣振蕩可發(fā)聲.將音頻信號通過逆變器轉(zhuǎn)化為脈沖信號，再輸入零電壓開關(guān)驅(qū)動高壓包產(chǎn)生高壓，就會形成高壓脈沖信號，高壓放電的頻率與輸入聲音的頻率相同，因此可以產(chǎn)生同頻率的聲音.將兩根銅管制成V型電極，由于下端距離近，根據(jù)場強與電壓、距離關(guān)系可知，由于下方距離小，場強大，空氣首先被擊穿，形成等離子氣體放電，周圍的空氣由于放電發(fā)熱膨脹，密度小，受向上浮力和安培力作用上升，隨著距離增大，場強減小，當距離足夠大時，斷路，又開始從下端放電，因此可以看到電火花從底端產(chǎn)生，并緩慢上升，到一定高度消失，同時又從底端產(chǎn)生、升起，形成跳躍的電弧.

2 實驗元器件及材料、工具

電視機高壓包（行輸出變壓器），零電壓開關(guān)，24 V電源（帶有音頻輸入），MP3（音頻信號），銅管，亞克力板，電木板，緊固螺釘若干，開關(guān)，導(dǎo)線及音頻連接線.臺鉗，銼，鉗子，鋼鋸，螺絲刀，電鉆，電烙鐵，激光雕刻機等工具.

3 裝置結(jié)構(gòu)

成品包含以下幾個主要部分：高壓產(chǎn)生器，銅管放電極.附件包括：靜電反沖葉輪，閃電模擬器.

4 制作過程

4.1 等離子音響的制作

（1）設(shè)計好盒子尺寸，用激光雕刻機按尺寸切割亞克力板，用切割好的板制作盒子.

（2）在高壓包的磁芯鐵氧體上繞制初級線圈12圈.

（3）把逆變調(diào)制模塊、零電壓開關(guān)電路、高壓包粘在底座上.

（4）將高壓輸出接線柱安裝在電木板上，電木板安裝在盒蓋上.

（5）將兩根30 cm的銅管固定在底座上，底端距離2 cm，分別向外側(cè)傾斜約10°，形成V型，用以演示放電發(fā)生裝置.

（6）用導(dǎo)線把幾個模塊連接起來，安裝好開關(guān)與電源線，將銅管放電極的接線柱與高壓發(fā)生器的高壓接線柱相連，完成等離子音響的制作（如圖1所示）.

4.2 靜電反沖葉輪的制作

在電腦上用CDR軟件作圖，用激光切割機切割銅片（100×6×1 mm），用激光切割機切割完畢，在中間打孔固定支撐點，用鉗子將葉輪彎曲成如圖2所示形狀，在亞克力底座上固定一根長8 cm的針，用針通過葉片的支撐點將葉片支撐起，作為一個放電極，在葉片的四周用銅片彎曲成另一個圓形放電極，并在底座上打孔制作接線柱，將兩個放電極與接線柱連接好.

圖2 靜電反沖葉輪裝置圖

4.3 閃電模擬器的制作

將兩根銅導(dǎo)線彎曲成如圖3所示的形狀，下端固定在用亞克力板制作的底座接線柱上，在兩個接線柱間接一個高壓薄膜電容器（30 k V 2700 p F），接線柱用一端帶鱷魚夾的導(dǎo)線連接好.

圖3 閃電模擬器裝置圖

5 器材演示及效果

5.1 新型等離子音響

將組裝好的設(shè)備接通電源，閉合開關(guān)，電源對音頻調(diào)制逆變模塊提供24 V直流電，音頻播放器的弱音頻信號經(jīng)音頻調(diào)制逆變模塊變?yōu)楹幸纛l信號的交流電，零電壓開關(guān)電路，再接高壓包，高壓包產(chǎn)生的高壓連到銅管放電極，播放動感舞曲，兩銅管間出現(xiàn)電弧，電弧上下移動，電弧形狀隨著聲音變化，聽覺和視覺效果都很好，電弧可以點燃紙張等物品，說明高壓放電溫度很高.此現(xiàn)象涉及的高中物理知識有：變壓器、電勢差與電場強度關(guān)系、機械振動、查理定律等，可用于相關(guān)知識的教學(xué).

5.2 靜電反沖

如圖4所示，將葉輪放電組件與高壓接線柱連接，閉合開關(guān)，因葉輪尾部是尖的，放電銅環(huán)間產(chǎn)生高壓放電，形成離子風(fēng)，對葉輪產(chǎn)生反向推力，使葉輪快速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速能夠達到120 r/min以上.相比較傳速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速能夠達到120 r/min以上.相比較傳統(tǒng)的反沖器材，簡單易操作，現(xiàn)象明顯，方法新穎.此現(xiàn)象涉及的高中物理知識有：尖端放電、反沖現(xiàn)象等，可用于相關(guān)知識的教學(xué).

圖4 靜電反沖示意圖

5.3 閃電模擬

將閃電模擬器和高壓發(fā)生器的接線柱連接，閉合開關(guān)，產(chǎn)生的高壓對電容器充電，當銅絲尖端達到擊穿電壓，產(chǎn)生火花放電，由于電容器儲存電荷，放電電流大，將產(chǎn)生閃光和啪啪響聲，發(fā)出聲音大，光也更亮，像閃電和雷聲.此現(xiàn)象涉及的高中物理知識有：電容器充、放電等，可用于相關(guān)知識的教學(xué).

6 演示注意事項

（1）直流電源電壓對實驗影響.電壓可以選擇12～24 V之間，電壓越高放電銅管間的火花越粗，發(fā)出的聲音越大，靜電反沖葉輪的轉(zhuǎn)速越大，閃電模擬演示的聲響越大.

（2）放電銅管間距對實驗影響.距離越小，電銅管間的火花越粗，發(fā)出的聲音越大.

（3）電容器對閃電模擬器的影響.電容越大則放電時電火花越粗，聲音越大，電容器可以多個并聯(lián)，并且需要高壓電容器，否則容易擊穿損壞.