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通过一些小实验研究尖端放电原理09125718 杨皙1 引言 尖端放电不仅是一种在大自然中常见的电现象，它在日常生活或生产技术上也都有很重要的应用。种种事实都显示出尖端放电的重要性，而我们大多数人却未必对它很了解。因此，为了能够更加具体形象地认识这一物理现象及原理，从而更好地利用它来解决人类在实际生活中和生产技术上的相关问题， 我们特意设计了几个实验来演示尖端放电现象，并就尖端放电的实质内容做出了深入的解释。2 尖端放电原理通常情况下空气是不导电的， 但是如果电场强度特别强， 空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力，它就有可能被“撕开”，这个现象就叫做空气的电离。由于电离后的空气有了可以自由移动的电荷，空气就可以导电了。空气导电后，被激发出来的负电荷就是电子，而失去电子的原子带正电，叫做正离子。由于同种电荷互相排斥，导体上的静电荷总是分布在表面上，而且一般来说分布是不均匀的，使得空气中残存的少量离子发生加速运动，这些被加速的离子与空气分子相碰撞后，使更多的空气分子电离，从而产生大量新的离子。与尖端上电荷同号的离子受到排斥而飞向远方形成“电风”，把蜡烛火焰吹向一边，甚至吹灭。 3 几个尖端放电实验( 1 ) 可以这样使水带电 实验装置如图 1 所示，将缝衣针固定在有机玻璃棒上，玻璃棒用夹子固定在铁架台上，针下方放一只盛满清水的塑料盆，塑料盆放在绝缘板上，针尖端距水面约 5 c m l O c m， 用导线将针与感应起电机的一极相连；再将一根导线一端与验电器相连，另一端裸露部分插入水中。转动起电机，由于针的尖端放电，使水带上同种电荷，验电器箔片逐渐张开。 ( 2 ) 模拟静电除尘 实验装置如图 2所示 ，取圆形铝板一块固定在绝缘支座上，将缝衣针装上塑料棒后固定在铁架台上，调节铝板与针尖端间距 6 c m8 c m，用导线将铝板和缝衣针分别与感应起电机相连，将点燃的蚊香放在铝板和针之间。让起电机起电，使铝板和缝衣针带电，蚊香烟被铝板吸附，若停止起电，烟又袅袅上升。( 3 ) 旋转的风车 取两个易拉罐，剪一部分铝皮，将铝皮碾压平整，剪出一直径约 8 c m的圆，再剪成图3 a样式的风车，尽量使叶片对称，在其中心处打一小孔，嵌 上子母扣作支撑轴承，取缝衣针固定于绝缘支座上，针尖端顶在子母扣的凹坑处，实验装置如图3 b 所 示。实验时，用导线将针与起电机一极相连，转动起电机，起电后，由于叶轮的尖端放电，在反冲作用下，风车旋转起来 。4 电风现象解释( 1 ) 当金属尖针接负电时，其上十分大的电荷密度产生强烈的电场 E=/ s ，也使空气分子电离，产生电子一离子对。电子受到电极的排斥向外运动，但是电子的质量十分小， 几乎不能交换动量给空气分子，不能形成空气分子的流动。似乎正离子应该向负电极移动。但它的质量很大，不是它移近负电极，而是负电极上的电子跳跃到附近的正离子上，变成分子，这样一来，正离子就不运动。所以，金属尖针带负电时不能形成电风。 ( 2 ) 当金属尖针接正电，移动电极接负电时，期间的电场更加集中定向，叠加强度也大许多，其间的正离子运动更加定向，即形成电风的能力更强。( 3 ) 当金属尖针接负电，移动电极接正电时，同样期间的电场更加集中定向，强度也大许多，其间的正离子运动更加定向，形成电风的能力也更强。 因此，由前面三点综合可知，尖端放电的本质是电离空气分子，电离空气分子的本质是产生电子和正离子对，正离子的运动的本质是空气正离子与高压正电极的作用，形成电风的本质是空气分子和正离子的运动及碰撞作用，是带电粒子运动的动量交换。 5 火花放电现象解释在该实验的实验现象反复观察中，可发现当在金属尖针和可活动的金属钝端两端加上强电场时金属钝端有火花放电现象。其原理是：当高压带电体与导体靠得很近时，强大的电场会使它们之间的空气瞬间电离，电荷通过电离的空气形成电流，由于电流特别大，产生大量的热使空气发声发光，产生电火花，这种现象叫做火花放电现象。而本实验中金属钝端有火花放电就是这个道理。6 结束语我们知道在静电学中，导体带电时，导体表面突出和尖锐的地方，电荷分布比较密集，使其附近形成很强的电场。导体尖端附近空气中残留的正、负离子在强电场的作用下发生剧烈的运动，并与空气中的气体分子碰撞，将空气分子电离成许多新的正、负离子，那些与尖端带同种电荷的离子，受到排斥，远离尖端，形成“电风”；与尖端带异种电荷的离子， 受到吸引，奔向尖端，与尖端上的电荷中和，这相当于导体从尖端失去电荷，这就是尖端放电。按前面所设计的实验步骤，将高压电极接到一根或一排金属尖针上，