尖端放電

尖端放電

尖端放電屬於一種電暈放電;是在強電場作用下,物體尖銳部分發生的一种放電現象。尖端放電的形式主要有電暈放電和火花放電兩種。尖端放電的發生與周圍環境情況有關。高大建築物上安裝避雷針,當帶電雲層靠近建築物時,建築物會感應上與雲層相反的電荷,這些電荷會聚集到避雷針的尖端,達到一定的值後便開始放電,這樣不停的將建築物上的電荷中和掉,永遠達不到會使建築物遭到損壞的強烈放電所需要的電荷。在雷雨雲臨近時,樹木、青草等自然尖端均要發生尖端放電,從20世紀初以來,曾多次進行過這種測量,其中,具有代表性的為1970年開始在奈及利亞進行為時兩年的測量(對樹木、青草和不同高度的金屬尖端做同時的對比觀測),其統計結果說明,在一塊面積為50平方公里的雷雨雲下,能維持0.6安左右的尖端放電電流(見全球大氣電平衡)。

正文

發現:1752年7月在費城一次雷雨天氣中,富蘭克林把風箏放入空中,冒著極大的生命危險,把“天電”引入了萊頓瓶,成功地證實了閃電的特性。1753年他在充分研究了“天電”特性並進行大量實驗的基礎上發現了尖端放電現象,從而發明了避雷針。這是人類在征服大自然的道路上邁出的具有重大意義的一步

強電場作用下,物體尖銳部分發生的一种放電現象。屬於一種電暈放電。物體曲率大處,電力線密集,電勢梯度大,致使其附近部分氣體被擊穿而發生放電。如果物體尖端在暗處或放電特彆強烈,這時往往可以看到它周圍有淺藍色的光暈。古代的水手們曾將這種光暈虔誠地稱為愛爾摩火(Saint,Elmo's Fire),意即水手們的守護聖徒聖愛爾摩的靈光。以後沿用為自然尖端放電的代稱。

通常情況下,空氣是不導電的,但是如果電場特彆強,空氣分子中的正負電荷受到方向相反的強電場力,有可能被“撕”開,這個現象叫做空氣的電離。由於電離後的空氣中有了可以自由移動的電荷,空氣就可以導電了,空氣電離後產生的負電荷就是負離子,失去原子的電荷帶正電,叫做正離子。

(對孤立導體)導體表面有電荷堆積時,電荷密度與導體表面的形狀有關。在凹的部位電荷密度接近零,在平緩的部位小,在尖的部位最大。當電荷密度達到一定的量值後,電荷產生的電場會很大,以至於把空氣擊穿(電離),空氣中的與導體帶電相反的離子會與導體的電荷中和,出現放電火花,並能聽到放電聲。

如高壓線有輪廓的地方,就會出現尖端放電。由於接到電源上,它一邊放電,一邊不停的提供放電需要的電荷,這种放電會持續下去。

避雷針是另外一個好的例子。高大建築物上安裝避雷針,當帶電雲層靠近建築物時,建築物會感應上與雲層相反的電荷,這些電荷會聚集到避雷針的尖端,達到一定的值後便開始放電,這樣不停的將建築物上的電荷中和掉,永遠達不到會使建築物遭到損壞的強烈放電所需要的電荷。雷電的實質是2個帶電體間的強烈的放電,在放電的過程中有巨大的能量放出。建築物的另外一端與大地相連,與雲層相同的電荷就流入大地。顯然,要是避雷針起作用,必須保證尖端的尖銳和接地通路的良好,一個接地通路損壞的避雷針將使建築物遭受更大的損失。

尖端放電尖端放電

尖端電勢相對於周圍大氣電勢為正(負)的,稱為正(負)尖端,這時與尖端符號相反的離子流入尖端,相同符號的離子遠離尖端而形成離子云禁止層,它們造成了尖端放電的脈動性質。尖端放電的電流強度I 與很多因素有關,對於地面附近的尖端放電,電流強度為

I=a(U-V)(υ+ω)

式中

是尖端與其周圍環境的電勢差;ω是風速;υ是離子運動速度,等於離子遷移率和環境電場強度的乘積;

是與尖端形狀、高度、環境電學特徵等因子有關的常數。在國際單位制中,

約等於1.4×10法/米;

約數千伏,常稱為起暈電壓,在尖端放電電流很大時,

可以略去。在雷雨雲臨近時,樹木、青草等自然尖端均要發生尖端放電,從20世紀初以來,曾多次進行過這種測量,其中,具有代表性的為1970年開始在奈及利亞進行為時兩年的測量(對樹木、青草和不同高度的金屬尖端做同時的對比觀測),其統計結果說明,在一塊面積為50平方公里的雷雨雲下,能維持0.6安左右的尖端放電電流(見全球大氣電平衡)。

實驗

常見實驗常見實驗
常見實驗常見實驗

模擬靜電除塵實驗裝置如圖2所示,取圓形鋁板一塊固定在絕緣支座上(絕緣支座可用玻璃棒固定在底座上製成,在中學物理實驗室中易找到,本文後幾個實驗中均用到絕緣支座),將縫衣針裝上塑膠棒後固定在鐵架台上,調節鋁板與針尖端間距6cm~8cm,用導線將鋁板和縫衣針分別與感應起電機相連,將點燃的蚊香放在鋁板和針之間。讓起電機起電,使鋁板和縫衣針帶電,蚊香菸被鋁板吸附,若停止起電,煙又裊裊上升。

鏇轉的風車

取兩個易拉罐,剪一部分鋁皮,將鋁皮碾壓平整,剪出一直徑約8cm的圓,再剪成圖3a樣式的風車,儘量使葉片對稱,在其中心處打一小孔,嵌上子母扣作支撐軸承,取縫衣針固定於絕緣支座上,針尖端頂在子母扣的凹坑處,實驗裝置如圖3b所示。實驗時,用導線將針與起電機一極相連,轉動起電機,起電後,由於葉輪的尖端放電,在反衝作用下,風車鏇轉起來。

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