浅析在绝缘物体上使用试电笔氖管发光的问题

张论李莉

（1、宿州九中安徽·宿州234000；2、宿州学院机械与电子工程学院安徽·宿州234000）

浅析在绝缘物体上使用试电笔氖管发光的问题

张论1李莉2

（1、宿州九中安徽·宿州234000；2、宿州学院机械与电子工程学院安徽·宿州234000）

在日常生活和生产中经常用到试电笔，用来检验低压导体和电器设备的金属外壳是否带电，辨别家庭电路中的火线和零线等最基本用途。使用时安全可靠，具有体积小、携带方便、检验简单等优点，是电工必备工具之一。可人们在实际操作中发现，即使穿皮鞋或塑料底鞋，甚至站在木凳上，检查火线或是某些带电体时依然能看到氖管发光。皮鞋、塑料鞋、木凳都是绝缘体，形成不了电流的回路但氖管依然发光。诸如此类问题，使很多人感到困惑。本文就其相关问题进行分析和解释。

试电笔 氖管发光 问题分析

试电笔作为一种常用的检测带电工具,它的种类和形式很多。通常按电压高低和接触方式进行分类的。按照接触方式来分类,可分为接触式试电笔和感应式试电笔。它们不但接触方式不同而且使用方法及工作原理都不同。接触式试电笔依靠氖管发光判断物体带电情况；感应式试电笔采用感应式测试,无需物理接触,采用数字信号展现出控制线、导体和插座上的电压或沿导线检查断路位置。本文中所研究的是低压接触式试电笔（又称低压验电器,测电笔,简称电笔）[1],着重分析试电笔结构,发光原理及实际使用中存在的问题。

一、低压试电笔结构和工作原理

低压试电笔由氖管、高值电阻、弹簧、金属笔尖和金属笔尾等部分组成,它的测量电压范围是60～500V之间[2]。在正确使用时,接触60～500V之间的带电体时,试电笔中的氖管能发光。这是因为氖管是装有两个电极的小玻璃管,管内充有低压的氖气。当两极间电压增大到一定值（一般大于60V）时称作起辉电压,气体发生电离,产生自由电荷,管内气体导电,发生了美丽的辉光放电现象。辉光放电的特点是电流小温度低,在辉光放电时,亮度会随着电流的大小而变化。这就说明,被测物体带电,并且超过了一定的电压值[1]。从发光的强度,也能粗略的反映带电体的电压大小。试电笔的工作电压主要由氖管的起辉电压、内部高值电阻的大小以及安全用电等因素确定。低于60V不能发光,而高于500V,流经人体电流大；另外也存在高压电弧触电的危险,对人体不安全。

二、实际使用低压试电笔中的存在的困惑

现在以家庭电路为例,照明电路中火线与大地之间电势差V=220V,人们在使用试电笔接触火线或与火线相连的电器元件时,火线--高值电阻—氖管--人体—大地,就形成一段电流的通路。人体的电阻范围,而试电笔内部的高值电阻范围[3]。利用欧姆定律：I=V/R可计算出这部分电路中的电流（也是流经人体中的电流）很小,通常小于,这样大小的电流流经人体时,不会对人体形成伤害,因为人体安全电流是小于。而这样小的电经过氖管时,氖管就能发光。在检测零线时,零线与大地之间的电势差V=0,形成不了电流I= 0,也就没有电流经过氖管,氖管不发光。根据氖管是否发光,从而判断所检测是那根导线。检测其他物体或电器设备是否带电时,也是这个道理。以上这种对试电笔使用的理解和认识是普遍存在。但在实际使用中出现许多问题与这种认识形成鲜明冲突时,许多人就感到很困惑、不解。

比如在实际使用中,人们往往站在一个相对绝缘的物体上来使用的。检测家庭电路中的火线时氖管依然能发光。这是断路电路,形成不了电流的回路,氖管怎么还能发光呢？很多人认为绝缘体没有严格的界限,也就说在火线和大地之间的220V电压下,像塑料、干燥的木头等中会有微弱的电流通过,足以使氖管荧光了。还有一部分人认为,这是因为人处在空气中,空气中有水分可以导电,形成氖管发光的。事实真是这样？做个实验,在同样的环境下（空气的湿度一样）,在手指与试电笔的金属笔尾接触的地方,隔着一块塑料板,人站在地上氖管是不发光的。而把同样的朔料板放在脚下,再次检测时氖管却发光了。这就说明了不是通过空气或是朔料板形成的电流,使它发光的。

在没有绝缘体时,火线—验电笔—人体—地—零线所构成的回路。有很小电流经过氖管,可以发光。若脚下站在绝缘体上时,就相当于在这个电路中又串联一个相当大的电阻,这个巨大的电阻的存在可使电路不通（或电流极小）。由于人体是导体与火线相连,大地也是导体与零线相连,相当于一个电容。如图1在接通交流电时,有不断向电容的充电、放电过程,就形成一个交流电流,人体与大地之间的电容对50Hz的交流电虽然产生很大的阻碍作用,但仍然能产生足够大的电流使氖管发光。因为电笔中的氖泡用的是辉光放电原理,只要有电位差感应电流起主要作用就会亮,不需要构成回路。

如果人站在或者被吊在非常高的悬空地方,使用试电笔接触火线时,氖管依然发光。这也是人体和大地形成的电容,产生一定电位差使氖管发光？极限考虑当人体与大地之间距离很大时就不能认为它们之间形成电容了,而应认为人体是导体,也可以视为一个孤立的大电容,有充电放电本领。火线与人体间的电场随交流电方向的改变而不断改变方向,并给氖泡形成感生一个不断改变方向的电压,从而导致人体电容不断地充电放电,氖泡中的感应电流得以维持,并激发出辉光。辉光电流微弱,无伤人体。

至于人站在地上或站在塑料凳上不接触试电笔后面金属也可以形成电容,但氖管却不发光,这是由于人和大地作为一部分与测电笔尾部的金属体之间形成的电容实在是太小了。根据电容的公式：C=εS/（4πkd）,试电笔尾部的金属体面积太小了,所以它与人体之间形成的电容非常小[3]。小到可以忽略不计,所以几乎不能通过交流电,所以氖管不发光；而人体的面积相对要大得多,所以人与地的电容很大,交流电可以对这个电容充电,所以氖管就会发光。

综合以上的分析可以发现,使氖管发光的机制,一般有两种情况；（一）氖管中形成电流的回路,这也是人们普遍了解的形式。（二）氖管两端形成电容,在充放电过程中,是氖管发光。组成电容的形式有很多种可能,在使用过程中,不需要刻意操作,就自然形成。因而造成一些难以理解的现象,给人们带来诸多困惑。其实,在某些特殊的条件下,试电笔中的氖管发光,还存在其他形式。如：不接触只靠近具有一定高压带电体,氖管就能发光。有时在阴雨、闪电的天气,试电笔就自行发光。因为氖管两端只要满足一定的电势差就能发光。

[1]赵树青，章芝.测电笔及使用[J].初中生世界，2011（5）：7-9.

[2]王水成.验电笔的妙用[J].电子世界，1998（1）：12-13.

[3]杨玲.电工常识[M].北京：高等教育出版社，2005：67-71.

TM 933.1

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1009-8534（2014）04-0171-02

2014-04-28

宿州学院教学研究项目（szxyjyxm201232）

张论（1979—）,男,安徽灵璧人,宿州九中教师,中教二级。研究方向：物理教育。李莉（1978—）,女,安徽六安人,宿州学院机械与电子工程学院讲师,硕士。研究方向：凝聚态物理,物理教育。