高压放电装置的改进与相关实验应用

2021-10-15冯兰

物理教师 2021年9期

冯兰

（吴江中学，江苏苏州 215200）

中学所用的手摇感应起电机难以实现持续高压放电，完成相关的静电实验，利用零电压开关驱动电视机上的高压包产生的高压，可以持续高压放电.将声音信号转变为脉冲电流，输入零电压开关，再推动高压包放电，可制作等离子音响，如图1所示，演示热、光、电、声等现象，通过对高压端的改进可以演示反冲、模拟闪电等中学物理实验.

图1 等离子音响装置图

1 原理

两个电极间具有高压，在两极间形成很强的电场，空气分子在强电场作用下，容易电离形成等离子气体，等离子气体在两极间放电，发热，发光，同时使得空气急剧膨胀，挤压周围的空气.若脉冲电流高压放电，形成空气振荡可发声.将音频信号通过逆变器转化为脉冲信号，再输入零电压开关驱动高压包产生高压，就会形成高压脉冲信号，高压放电的频率与输入声音的频率相同，因此可以产生同频率的声音.将两根铜管制成V型电极，由于下端距离近，根据场强与电压、距离关系可知，由于下方距离小，场强大，空气首先被击穿，形成等离子气体放电，周围的空气由于放电发热膨胀，密度小，受向上浮力和安培力作用上升，随着距离增大，场强减小，当距离足够大时，断路，又开始从下端放电，因此可以看到电火花从底端产生，并缓慢上升，到一定高度消失，同时又从底端产生、升起，形成跳跃的电弧.

2 实验元器件及材料、工具

电视机高压包（行输出变压器），零电压开关，24 V电源（带有音频输入），MP3（音频信号），铜管，亚克力板，电木板，紧固螺钉若干，开关，导线及音频连接线.台钳，锉，钳子，钢锯，螺丝刀，电钻，电烙铁，激光雕刻机等工具.

3 装置结构

成品包含以下几个主要部分：高压产生器，铜管放电极.附件包括：静电反冲叶轮，闪电模拟器.

4 制作过程

4.1 等离子音响的制作

（1）设计好盒子尺寸，用激光雕刻机按尺寸切割亚克力板，用切割好的板制作盒子.

（2）在高压包的磁芯铁氧体上绕制初级线圈12圈.

（3）把逆变调制模块、零电压开关电路、高压包粘在底座上.

（4）将高压输出接线柱安装在电木板上，电木板安装在盒盖上.

（5）将两根30 cm的铜管固定在底座上，底端距离2 cm，分别向外侧倾斜约10°，形成V型，用以演示放电发生装置.

（6）用导线把几个模块连接起来，安装好开关与电源线，将铜管放电极的接线柱与高压发生器的高压接线柱相连，完成等离子音响的制作（如图1所示）.

4.2 静电反冲叶轮的制作

在电脑上用CDR软件作图，用激光切割机切割铜片（100×6×1 mm），用激光切割机切割完毕，在中间打孔固定支撑点，用钳子将叶轮弯曲成如图2所示形状，在亚克力底座上固定一根长8 cm的针，用针通过叶片的支撑点将叶片支撑起，作为一个放电极，在叶片的四周用铜片弯曲成另一个圆形放电极，并在底座上打孔制作接线柱，将两个放电极与接线柱连接好.

图2 静电反冲叶轮装置图

4.3 闪电模拟器的制作

将两根铜导线弯曲成如图3所示的形状，下端固定在用亚克力板制作的底座接线柱上，在两个接线柱间接一个高压薄膜电容器（30 k V 2700 p F），接线柱用一端带鳄鱼夹的导线连接好.

图3 闪电模拟器装置图

5 器材演示及效果

5.1 新型等离子音响

将组装好的设备接通电源，闭合开关，电源对音频调制逆变模块提供24 V直流电，音频播放器的弱音频信号经音频调制逆变模块变为含有音频信号的交流电，零电压开关电路，再接高压包，高压包产生的高压连到铜管放电极，播放动感舞曲，两铜管间出现电弧，电弧上下移动，电弧形状随着声音变化，听觉和视觉效果都很好，电弧可以点燃纸张等物品，说明高压放电温度很高.此现象涉及的高中物理知识有：变压器、电势差与电场强度关系、机械振动、查理定律等，可用于相关知识的教学.

5.2 静电反冲

如图4所示，将叶轮放电组件与高压接线柱连接，闭合开关，因叶轮尾部是尖的，放电铜环间产生高压放电，形成离子风，对叶轮产生反向推力，使叶轮快速旋转，转速能够达到120 r/min以上.相比较传速旋转，转速能够达到120 r/min以上.相比较传统的反冲器材，简单易操作，现象明显，方法新颖.此现象涉及的高中物理知识有：尖端放电、反冲现象等，可用于相关知识的教学.