静电感应实验安全性探究及静电武器的构想

内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗天山一中(025550) 马润生

感应起电机在实验过程中会有强烈的电火花冒出,实验者用手触摸有刺痛感。这一现象引起了笔者的思考,这种起电会不会对实验操作者的安全有影响,能否通过实验定量分析这种影响的强度。

1 感应起电器工作原理及其研究

首先,我们需要明确感应起电机的起电原理。感应起电器通过两个靠近的圆盘上圆心处固定电刷与圆盘上呈中心对称的多个铝片的转动摩擦而起电,起电后电荷将被导入至两侧的莱顿瓶中,两小球中会因此感应出顿性相反的电荷,两小球相互靠近时即放电。感应起电器实物图如图1所示。

图1 感应起电器实物图

当笔者用手接触感应起电器的小球时,一瞬间手指刺痛感很强,而且刺痛感跟摇柄的转速及手与小球之间的距离有关。很明显,这是一个瞬时过程。现在要探究的是,这个瞬时过程有多长,瞬时最大电压的大小,这个过程的能量水平的高低,对人体安全性的影响如何。

探究过程从暂态开始着手。暂态指电路从一个稳定状态由于某种作用,经由一个过渡状态进入到另一个稳定状态,这个过渡状态就称为暂态。尽管感应起电的放电过程并不是完整的稳态变化,但我们对于暂态研究得到的结论可以用于这个过程的研究。早在上世纪,郑州纺织工学院的路立老师已经进行过纺织物静电放电时间的实验探究。2011年,在陕西电力科学研究院吴健等5位教师发表的文章中,已将此过程称为暂态电击。关于这两个问题,我们将会在后面的部分进行详细说明。

现在先来解决第一个问题,静电感应实验中电压问题的测算,使用电压表测算当然是荒谬的,我们可以测算莱顿瓶能携带的最大电荷量以及理论估算莱顿瓶电容来计算。

Q由静电场测试仪可以测定,C＝Εs/4πkd,从而测出电压U。

然后,我们要测算出放电时间,路立老师的研究为我的实验提供了很好的思路,因为织物与感应起电器都是孤立放电且起电原理相同,笔者猜想感应起电器的放电时间也满足:

U0为最大电压,电压随时间按指数递增,x为放电时间常数。

最后,来测算放电能量水平。笔者注意到,并非直接接触才会有触电感,所以还要测算人体感应起电的电能量水平。U1＝U0/(C1＋C2),由Q＝CU推导,

当然,必须同样要测定直接接触的放电能量水平,能量水平由能量守恒定律可知。

2 实验验证

2.1 实验一

实验目的:测定暂态电压。

实验仪器:接触式静电场测试仪,9 V,6 F22镍电池,感应起电机。

实验原理;静电场测试仪广泛应用于纺织品静电性能的测试,精度范围正负1 k V,在本实验中用于测量莱顿瓶所携带的最大电量。

实验流程:

(1)取下感应起电机上莱顿瓶。

(2)估算来顿瓶电容C。

(3)使用静电场测试仪测试出电荷量,重复5次,取最大电荷量Q。

(4)计算电压U。

(5)得出电压U的大约值。(6)记录数据。

2.2 实验二

实验目的:测定暂态电击时间。

实验仪器:导线若干,感应起电机,示波器,放大器,时间函数记录仪。

实验原理:孤立电容的放电时间满足

U0为最大电压,电压随时间按指数递增,x为放电时间常数。

通过连接(并联)放大器,示波器,记录仪与感应起电机。计算出函数关系式。

实验流程:

(1)用软皮导线将感应起电机与放大器示波器记录仪并联。

(2)转动感应起电机至放电。

(3)根据时间函数记录仪图像得U/2与U之间对应的t2与t1之间差即为感应电压半衰期。

(5)由实验一测定的U0带入到中,且U＝0。

(6)计算出放电时间t0。

(7)记录数据。

2.3 实验三

实验目的:计算放电能量水平。

实验仪器:感应起电机。

实验流程:

(1)画出等效电路图。

(2)查询资料并估算人体电容。

(3)按照公式U1＝U0/(C1＋C2),由Q＝CU推导,,计算出W。

(4)按照W0＝QE计算出静电能量,由于此过程时间极短,可以将过程中的放热完全忽略。由能量守恒定律知静电能量即为直接接触时放电能量水平。

(5)比较W与W0大小,取较大值。

(6)记录数据。

2.4 实验四

实验目的:测定非致命性武器电击器的能量水平。

实验原理:无论是静电放电还是直流电放电,单位时间内放电能量水平都是衡量对生物体效应的有效标准。对于直流电击器,可以通过W＝UIt计算放能总和P＝IU计算单位时间能量水平。

实验仪器:电击器,电压表,电流表,导线。

实验流程:

(1)用导线将电击器的放电处与电流表,电压表相连接。

(2)启动电击器。

(3)测出放电时电压U1电流I1,重复5次。

(4)取P＝UI,取P最小值。

(5)记录数据。

3 实验结果整合

利用实验一、实验二、实验三测定的数据,计算出单位时间内放电能量水平,并与实验四所得数据比较。接下来用测定的静电放能总和等效为电击器放电时间。由电击器相关实验数据可知电击等效时间为0.8 s会造成痉挛,肌肉剧烈收缩;超过1.2 s成大脑不清醒,意识混乱,失去方向感,不能站立;3 s以上则人体不能做任何动作;5 min以上导致人体昏迷。经过计算,本实验单位时间放电等效电击器电击时间约为0.5 s左右。

4 关于静电武器的构想

既然已经得到如上结论,笔者开始构想静电武器的理论可能性。如同实验证明的那样,静电对人体造成的瞬时伤害很显著,但对人体的机体损伤却比直流电击器小很多。结合近几年发生的各类安全事件,可见其向低龄化、群体化发展。群体性哄抢事件中常规民用安防电击器由于只能作用于单个目标,效果不佳,而静电特有的感应性使它格外突出。

在前面进行的几次试验中,笔者亲身尝试了瞬时静电电击的效应,在换算数据之后,无论从能量节约还是从便利性的角度考虑,静电武器都是民用安防用具中的佼佼者。以下提出两个快速产生静电的方法。

(1)方法1

利用起电器原理,用高速电动机代替手摇传动,在电容器制作时,以氢氧化钠为正极,活性炭为负极,制成超大容量电容器,将产生的电荷贮存以备急用。

(2)方法2

当电动机除湿后,向带有正负电荷的两极板上用高压喷嘴喷高速油滴,使两极板带电,快速将电荷传导至电容器。

以上两种方法,方法一可行性更强,有关实验设计正在进行。高速电动机转速可达1 000 r/s以上,而超大容量的电容器满足了对快速充电防电的需求。结合实验数据,此种静电武器是完全可行的。