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如何做好静电实验

如何做好静电实验

中学物理静电实验一般包括二类:一类是所谓的摩擦起电,一类是应用高压静电源(主要是感应起电机)所做的各种实验。它们有一个共同的特点,就是“高电压,微电量”,用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦,可产生上千伏电势,其电量的库仑值却只有10-9—10-3数量级。而感应起电机,在适宜的温度和相对湿度下,可产生4—6万伏电压,电量却只有约10*10-6C。由于静电实验具有上述特点,因此,“绝缘”、“环境条件”、“实验装置与方法”是静电实验成败的关键。

一、绝缘是静电实验首要考虑的问题。从理论上讲,任何俩种不同质的物体相互接触摩擦都会有静电产生,但实际上只有体电阻率大于1010Ω*CM,表面电阻率大于109Ω的绝缘体才能积累静电荷,并阻止电流通过。在静电实验过程中,仪器及其装置往往是在高电压、低电量的状况下工作,极容易通过空气、绝缘体内部及其表面三条路经将电荷泄露,而且是一漏即“完”。所以绝缘是静电实验的关键。目前,较理想的绝缘材料是有机玻璃,它的主要性能如下:加热收缩率12—18%、吸水率0.3—0.4%、硬度20—24kg/cm2,耐电压为每毫米厚耐压20000伏以上,表面电阻1014Ω,体积比电阻1015Ω。一般静电实验装置,应尽可能用有机玻璃进行绝缘处理,在教学中,如将实验台上铺一张有机玻璃板,可以大大增加实验的成功率。

二、二、环境与条件。温度、湿度及电场数值是保证静电实验正常进行的重要前提。静电实验不同于其他教学实验,环境与条件乃是影响其效果和成败的直接因素。由于空气中存在的离子和电子等带电粒子的相互撞击与带电体电荷的复合以及空气中因放电而产生的大量带电粒子与绝缘体上所带电荷的中和。使空气成为带电体表面电荷泄露的一条主渠道。同时,如果环境的温度、湿度不宜,就会有过多的水分子与空气中的宇宙射线和紫外线等产生的离子附着在绝缘体的表面上,导致其绝缘性能的大大降低,造成电荷的自然泄漏。经验证明,一般的静电实验应在温度不高于40C、相对湿度不大于70%的环境里进行为宜,这是因为一般的绝源物体表面,在相对湿度达到60%以上时,就容易吸附空气中的水分子在其表面形成“水膜”,水膜中的大量带电载流子(或离子)在界面移动(或扩散),造成绝源体表面的电荷泄漏。在通常环境下,湿度和温度有相互的联

系,气温越高,湿度就越大,既空气中饱和水汽的密度就越大,泄电的机会就越多。静电实验冬季较夏季的效果好原因就在于此,此外,一个坐满学生的教室,如果没有良好的通风,室内相对湿度较大,也可导致仪器绝缘电阻下降,影响了实验效果。在温度、湿度适宜的环境条件下,静电电荷可以在性能良好的绝缘介质上长期滞留,但是,电贺所产生的电场如果超过某一数值,绝缘就会遭到破坏,使静电荷迅速泄漏,一般气体的破坏场强较固体或液体为小,所以气体中容易产生放电,这一点是做静电实验时必须认真考虑的问题。三、实验装置与方法—实验装置设计以及正确的操作方法对静电实验成败也极为重要。以磨擦起电为例,一般来说,两个物体相互摩擦或者接触时,其中一个物体失去一些电子,其体内的正电荷多于负电荷,表现为带正电,而另一个物体则获得一些电子,其体内的负电荷总数多于正电荷,表现为带负电,这种正负电荷分离与转移的过程,又由于其物质种类不同而带电极性和带电量大小也不同,而且又和物资的纯度、表面状态、摩擦力大小等一系列条件有关。所以,在进行摩擦起电实验时,还必须保持足够的接触压力、接触面积和接触时间。我们在用橡胶棒与毛皮摩擦产生电荷时,在摩擦过程中,应压紧并尽量使各部位受力均匀,然后迅速抽出,在移送电荷过程中,必须缓缓平移并同时移动。设计静电实验装置时,在仪器位置、测试距离、带电体连接、相互绝源以及操作者的方位等方面都必须有严格的要求,一般被测带电体要安置在绝缘性能较好的支架上,带电体的连接一般用螺旋型导线(漆包线、裸铜线或金属链条等)悬空连接或用专用的连接杆及放电叉。综上所述,中学物理常规的静电教学实验,只要认真搞好实验仪器的绝缘,并注意环境条件以及实施正确的装置和操作方法,均可获得比较满意的效果。