高壓放電裝置的改進與相關實驗應用

馮 蘭

（吳江中學，江蘇 蘇州 215200）

中學所用的手搖感應起電機難以實現持續高壓放電，完成相關的靜電實驗，利用零電壓開關驅動電視機上的高壓包產生的高壓，可以持續高壓放電.將聲音信號轉變為脈沖電流，輸入零電壓開關，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、聲等現象，通過對高壓端的改進可以演示反沖、模擬閃電等中學物理實驗.

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，發熱，發光，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，形成空氣振蕩可發聲.將音頻信號通過逆變器轉化為脈沖信號，再輸入零電壓開關驅動高壓包產生高壓，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，根據場強與電壓、距離關系可知，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生，并緩慢上升，到一定高度消失，同時又從底端產生、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，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，導線及音頻連接線.臺鉗，銼，鉗子，鋼鋸，螺絲刀，電鉆，電烙鐵，激光雕刻機等工具.

3 裝置結構

成品包含以下幾個主要部分：高壓產生器，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）把逆變調制模塊、零電壓開關電路、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，分別向外側傾斜約10°，形成V型，用以演示放電發生裝置.

（6）用導線把幾個模塊連接起來，安裝好開關與電源線，將銅管放電極的接線柱與高壓發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

將組裝好的設備接通電源，閉合開關，電源對音頻調制逆變模塊提供24 V直流電，音頻播放器的弱音頻信號經音頻調制逆變模塊變為含有音頻信號的交流電，零電壓開關電路，再接高壓包，高壓包產生的高壓連到銅管放電極，播放動感舞曲，兩銅管間出現電弧，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.此現象涉及的高中物理知識有：變壓器、電勢差與電場強度關系、機械振動、查理定律等，可用于相關知識的教學.

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，因葉輪尾部是尖的，放電銅環間產生高壓放電，形成離子風，對葉輪產生反向推力，使葉輪快速旋轉，轉速能夠達到120 r/min以上.相比較傳速旋轉，轉速能夠達到120 r/min以上.相比較傳統的反沖器材，簡單易操作，現象明顯，方法新穎.此現象涉及的高中物理知識有：尖端放電、反沖現象等，可用于相關知識的教學.

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

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，發出的聲音越大，靜電反沖葉輪的轉速越大，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，并且需要高壓電容器，否則容易擊穿損壞.