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泰州科技馆

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    这件展品,叫做“电磁大舞台”,它是我们科技馆一件重要的大型演示展品。请各位在围绕金属笼外的护栏站好,高电压确实给人们带来伤害,人们称之为“电老虎”,但是高压是不是可怕的不可琢磨呢?接下来我们将在这个大舞台上这几件高压电展品演示来让大家更深化的了解高压电的秘密,它们分别是 “雅各布天梯”、“沿面放电”、“音乐特斯拉”、“法拉第笼”。

    1)雅各布天梯:首先是雅各布天梯放电,在屏蔽笼内并排竖立着四根很高的金属杆状电极,这四根电极的形状下窄上宽,顶部呈羊角形。一个电极接到高压上,当电压升到5万伏时,电极下端距离最近处首先拉出电弧,电弧在气流和电磁力作用下沿电极向上爬升,随着电极距离的增大,电弧也随之拉长。电弧拉长到一定限度时将会消失,下面电极最近处又会产生新的电弧并重复以上过程。

    出现这种放电现象的原因是,当电压升高到5万伏左右时,在两电极距离最近的底部空气被击穿发生电离,同时空气被加热,温度急剧上升产生电弧。热空气迅速向上移动,于是电弧也随着向上运动,随着电极间距离的增大,电弧也随之拉长,当电弧爬升到顶部时,由于电极距离过大,电压不足以击穿空气,电弧自动熄灭。当电弧熄灭后,由于电极上的电压并未去掉,又在电极最近处形成电弧,电弧又向上运动,这种放电过程周而复始地进行,形成弧光放电。弧光放电一般不需要很高的电压,属于低电压大电流放电。

    19世纪,人们还不了解弧光放电的原理,把这种放电产生的火焰看成是“圣火”。希腊神话故事中有一个叫做雅各布的人做梦沿着登天的梯子取得了圣火。而这项表演的电弧沿着梯形电极向上运动,所以取名为雅各布电梯。雅各布电梯表演形象地说明了弧光放电产生的条件是小间隙和大电流,如果增加间隙或减小电流,电弧将会消失。

    弧光放电现象在电力系统和日常生活中也常常见到,最常见的弧光放电是电弧焊接和老式电影放映机的光源。

    利用弧光放电原理,人们还制作了各种气体放电光源,比如探照灯、“人造小太阳”氙灯等。

    2)沿面放电:接下来是沿面放电,一块平整光滑的玻璃板悬置在空中,玻璃板两面中央各有一个圆形小电极,一极接高压,另一极接地。大家请注意观察:当电压升到23万伏时,圆形电极附近出现蓝色光晕,我们称之为“电晕放电[]”;当电压继续升高到56万伏时,蓝光随之增强,我们称之为“辉光放电[]”;当电压升高到78万伏时,玻璃板表面出现大范围树枝状的放电条纹,我们称之为“划闪放电[]”;当电压升到10万伏时,高压电流从平面玻璃板的中心向四边,沿玻璃表面出现“弧光放电”。一根根蜿蜒扭曲的蓝色电弧,犹如一条条闪动着奇异光彩的蓝色小蛇在玻璃板上剧烈颤动,由于这些放电形式都是沿着玻璃板表面进行的,因此被称为沿面放电。

    出现沿面放电现象的原因是:玻璃板是绝缘介质,当两电极间电压升高后,电流无法击穿玻璃板,就被迫沿玻璃板的平面寻找与另一电极距离最短的通道。由于玻璃板表面上附有空气,所谓的通道就是电流击穿空气,使高压电流的能量得以释放。在强电场的作用下,玻璃表面的空气被击穿形成放电通道,出现“绕”过玻璃板放电的现象。

     为了避免沿面放电的发生,高压绝缘子往往设计成多级环状结构,以增加表面长度。另外,人们发现,遭雷击破坏的建筑物或被伤害的人及牲畜,电伤的痕迹也大多分布在表面上。为了防止沿面放电的危害,人们正在对这种放电现象进行深入的试验研究。

      3)音乐特斯拉

      接下来演示的展品是音乐特斯拉,通过高压放电弹奏乐曲,这可是真正的电音。这究竟是如何产生的呢?这就必须提到一个人尼古拉特斯拉,他发明了一个设备,希望没有电线可以在全世界传输电力,通过空气甚至希望借助地球,很可惜没有成功,就是我们眼前的共振变压器,它可以击穿空气产生声音,调整电压产生不同频率的声音就形成为现在特斯拉。

      4)法拉第笼

     法拉第笼是一个由金属或者良导体形成的笼子。它是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。它是由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成,其笼体与大地连通,高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆,当放电杆尖端距笼体10厘米时,出现放电火花,根据接地导体静电平衡的条件,笼体是一个等位体,内部电势差为零,电场为零,电荷分布在接近放电杆的外表面上。

      在我们现实生活中,高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成,接触高压线时形成等电位,人体不通过电流,起到保护作用。外壳接地的法拉第笼可以有效地隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰,这叫做“静电屏蔽”。许多仪器设备采用接地的金属外壳可有效地避免壳体内外电场的干扰。由于法拉第笼的电磁屏蔽原理,所以在汽车中的人是不会被雷击中的,而且在同轴电缆也可以不受干扰的传播讯号。