本發(fā)明涉及放電裝置領(lǐng)域，特別是涉及一種靜電場(chǎng)屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)操作方法。

背景技術(shù)：

電流通過氣體時(shí)，電離的氣體產(chǎn)生各種放電現(xiàn)象，例如自然界的閃電、人造氣體放電光源(日光燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、激光器)。氣體放電的形式多樣，包括輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電、高頻微波放電。

實(shí)驗(yàn)室常見的氣體放電裝置主要使用升壓變壓器產(chǎn)生高壓，激發(fā)放電玻璃管內(nèi)的氣體發(fā)光，例如使用感應(yīng)圈、高壓直流電源、火花發(fā)生器等。這些實(shí)驗(yàn)裝置存在高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)，操作時(shí)需要保證接地良好，只能夠單純演示氣體放電，無(wú)法改變操作條件而獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

常見靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)使用金屬籠(法拉第籠)，連接高壓靜電電源，當(dāng)金屬籠外表面粘貼的絲線張開，表明絲線帶電后相互排斥而散開；籠子內(nèi)部的絲線不張開，表明內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度為零。該實(shí)驗(yàn)必須保證高壓電源良好接地，以防發(fā)生觸電危險(xiǎn)。通過絲線張開以及角度大小，說(shuō)明電場(chǎng)的存在及其變化情況，現(xiàn)象不夠生動(dòng)直觀，對(duì)比程度不明顯，容易受到外界環(huán)境的干擾，例如空氣潮濕、空氣流動(dòng)等因素的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種靜電場(chǎng)屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)操作方法，具有操作安全，能夠進(jìn)行改變參數(shù)實(shí)驗(yàn)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置和操作方法，解決現(xiàn)有靜電場(chǎng)屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)備高風(fēng)險(xiǎn)和無(wú)法改變操作條件而獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的問題。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案解決上述問題：

一種靜電場(chǎng)屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括靜電高壓發(fā)生器、空氣電荷收集器和實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的上方，空氣電荷收集器設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的周邊，其特征在于，所述靜電高壓發(fā)生器包括玻璃球殼體、電源、高壓電路板、金屬電極、真空泵、抽氣閥、真空表、真空管和絕緣外罩；

所述高壓電路板設(shè)置在玻璃球殼體內(nèi)，所述金屬電極設(shè)置在高壓電路板上，所述高壓電路板通過導(dǎo)線與玻璃球殼體外的電源連接，所述真空泵通過真空管與玻璃球殼體連通，所述真空管上設(shè)置有抽氣閥，所述真空表設(shè)置在真空管上，所述絕緣外罩設(shè)置在玻璃球殼體的外部；

實(shí)驗(yàn)裝置包括燈管、金屬支架、上下滑動(dòng)金屬夾子、左右滑動(dòng)金屬夾子和導(dǎo)線，所述燈管通過上下滑動(dòng)金屬夾子橫向設(shè)置在金屬支架上，左右滑動(dòng)金屬夾子設(shè)置在燈管上，通過導(dǎo)線與金屬支架連接。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，空氣電荷收集器包括支撐架、金屬球殼、金屬管、導(dǎo)線、氖管、電容器和火花放電器；所述金屬管橫向設(shè)置在支撐架頂部，所述金屬管兩端均設(shè)置有金屬球殼，所述導(dǎo)線的一端與金屬探頭連接設(shè)置在金屬管內(nèi)部，另一端分別與電容器和火花放電器的一端連接，所述電容器和火花放電器的另一端均接地。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，高壓電路板為正離子發(fā)射電路板或負(fù)離子發(fā)射板。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，正離子發(fā)射電路板包括電阻r1、r2、r3，若干個(gè)電容和若干個(gè)二極管，電容相互串聯(lián)連接形成電容回路，電源一端經(jīng)電阻r1與電容回路一端連接，電源另一端與電容回路另一端連接，電容回路折中位置斷開接入一個(gè)二極管，金屬電極的輸入端經(jīng)電阻r3和電阻r2與電容回路的折中位置的一個(gè)二極管一端連接，二極管相互串聯(lián)連接形成串聯(lián)二極管折鏈，串聯(lián)二極管折鏈輸入端與電容回路折中位置的二極管輸出端連接，串聯(lián)二極管折鏈的輸出端與電阻r1的與電容連接端連接，串聯(lián)二極管折鏈相鄰兩個(gè)二極管的輸入端與輸出端間與電容回路中的兩個(gè)電容連接處連接。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，高壓電路板使用絕緣塑料盒封裝起來(lái)，金屬電極直豎塑料盒上端。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，金屬電極的長(zhǎng)度為8厘米-12厘米，玻璃球殼體頂端與絕緣外罩頂端的距離為5厘米-10厘米。

首先關(guān)閉真空泵，使玻璃球殼內(nèi)的氣體處于常壓(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，啟動(dòng)高壓電路板，觀察并記錄金屬電極發(fā)生火花放電情況；打開真空泵，對(duì)密閉的玻璃球殼體內(nèi)抽取真空，觀察并記錄真空表的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)金屬電極發(fā)生火花放電情況；在靜電高壓發(fā)生器的絕緣外罩上，放置一塊絕緣材料(塑料板、紙板或木板等)，調(diào)解上下滑動(dòng)金屬夾子使日光燈管的d端接觸絕緣材料，記錄日光燈管的發(fā)光亮度是否明顯變化；在靜電高壓發(fā)生器的絕緣外罩上，放置金屬板塊(銅板、鋁板或鐵板)，調(diào)解上下滑動(dòng)金屬夾子使日光燈管的d端接觸絕緣材料，記錄日光燈管的發(fā)光亮度是否明顯變化；使用導(dǎo)線把金屬板塊連接并接地，調(diào)解上下滑動(dòng)金屬夾子使日光燈管的d端接觸絕緣材料，記錄日光燈管的發(fā)光亮度是否明顯變化。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是：

本發(fā)明用日光燈的發(fā)光變化來(lái)顯示電場(chǎng)屏蔽，效果明顯，對(duì)比度強(qiáng)烈，實(shí)驗(yàn)成功率高，不受外界環(huán)境的影響變化，可以多次反復(fù)操作，能夠?qū)Ρ入娊橘|(zhì)、導(dǎo)體在靜電場(chǎng)中的性質(zhì)特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明放電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明高壓電路板原理圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1玻璃球殼體、2電源、3高壓電路板、4金屬電極、5真空泵、6抽氣閥、7真空表、8真空管、9絕緣外罩、10支撐架、11金屬球殼、12金屬管、13導(dǎo)線、14氖管、15電容器、16火花放電器、17燈管、18金屬支架、19上下滑動(dòng)金屬夾子、20左右滑動(dòng)金屬夾子、21導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，包括靜電高壓發(fā)生器、空氣電荷收集器和實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的上方，空氣電荷收集器設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的周邊。靜電高壓發(fā)生器用于產(chǎn)生高壓靜電情況，為本設(shè)備的核心部分，空氣電荷收集器通過進(jìn)行收集電荷實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，空氣電荷收集器可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置多個(gè)。實(shí)驗(yàn)裝置主要是用于在實(shí)驗(yàn)條件改變部分，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要進(jìn)行不同的改變。

靜電高壓發(fā)生器包括玻璃球殼體1、電源2、高壓電路板3、金屬電極4、真空泵5、抽氣閥6、真空表7、真空管8和絕緣外罩9。高壓電路板3設(shè)置在玻璃球殼體1內(nèi)。金屬電極4設(shè)置在高壓電路板3上。高壓電路板3通過導(dǎo)線與玻璃球殼體1外的電源2連接。真空泵5通過真空管8與玻璃球殼體1連通。真空管8上設(shè)置有抽氣閥6。真空表7設(shè)置在真空管8上。絕緣外罩9設(shè)置在玻璃球殼體1的外部。玻璃球殼體1為密閉的高強(qiáng)度玻璃球殼。在密封的高強(qiáng)度玻璃球殼體1內(nèi)，設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生高壓的電路板3，電路板上固定一根金屬電極4，電極4的長(zhǎng)度約為10厘米左右，根據(jù)球殼的大小(直徑約為20厘米)適當(dāng)調(diào)節(jié)，電路板3和外接220伏交流電源連接。玻璃球殼的中間部分開有小孔，與真空泵5連接。通過抽氣閥門對(duì)密閉的球殼進(jìn)行抽氣，減小球殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)與密度。真空表7可以顯示球殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，抽氣裝置通過真空橡皮管連接起來(lái)。整個(gè)靜電高壓裝置被絕緣透明的pvc材料包裹，玻璃球殼與pvc外罩上端的距離控制在5—10厘米。

如圖2所示，正離子發(fā)射電路板包括電阻r1、r2、r3，若干個(gè)電容和若干個(gè)二極管，電容相互串聯(lián)連接形成電容回路，電源2一端經(jīng)電阻r1與電容回路一端連接，電源2另一端與電容回路另一端連接。電容回路折中位置斷開接入一個(gè)二極管，金屬電極4的輸入端經(jīng)電阻r3和電阻r2與電容回路的折中位置的一個(gè)二極管一端連接，二極管相互串聯(lián)連接形成串聯(lián)二極管折鏈。串聯(lián)二極管折鏈輸入端與電容回路折中位置的二極管輸出端連接。串聯(lián)二極管折鏈的輸出端與電阻r1的與電容連接端連接，串聯(lián)二極管折鏈相鄰兩個(gè)二極管的輸入端與輸出端間與電容回路中的兩個(gè)電容連接處連接。把交流電壓峰值提高到3600伏特。實(shí)際電路中相應(yīng)增加升壓級(jí)數(shù)，產(chǎn)生更高的輸出電壓。金屬電極4用來(lái)發(fā)射離子。整個(gè)高壓電路搭建到pcb(印刷線路板)，用絕緣塑料盒封裝起來(lái)，使金屬電極4直立在塑料盒的上端。各個(gè)電容器c1——c13采用串聯(lián)方式，它們通過輸出放電，金屬電極4的電壓是全部電容器兩端的電壓之和。通過連接電阻r1，r2，r3，限制電路中的電流大小。電容器設(shè)定范圍：采用0.1uf(微法)到0.5uf(微法)的電容器，它的大小決定電路中產(chǎn)生離子數(shù)量的多少。

具體的電路元器件：

d1——d10：采用型號(hào)1n4007通用硅材料整流二極管。利用二極管單向?qū)щ娦?，把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電。

電解電容器：0.3uf,400v。

電阻r1：100歐姆，1w。

電阻r2、r3：10兆歐(mω)，0.125w。

空氣電荷收集器包括支撐架10、金屬球殼11、金屬管12、導(dǎo)線13、氖管14、電容器15和火花放電器17。金屬管12橫向設(shè)置在支撐架10頂部。金屬管12兩端均設(shè)置有金屬球殼11。導(dǎo)線13的一端與金屬探頭連接設(shè)置在金屬管12內(nèi)部，另一端分別與電容器15和火花放電器的一端連接，所述電容器15和火花放電器的另一端均接地。在高壓球殼周圍空間，存在大量被電離的帶電粒子。空氣電荷收集器能夠吸附空間的帶電粒子，把它們收集到特定的電容器。通過電容器與火花放電線圈連接，產(chǎn)生斷續(xù)的電火花，由于放電線圈之間的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下空氣擊穿而發(fā)生尖端放電。

用長(zhǎng)度為30厘米的金屬管12(銅、鋁)充當(dāng)金屬探頭，負(fù)責(zé)捕獲空氣中的電荷，金屬管兩端各焊接半圓形的金屬球殼11，球殼的直徑約為5厘米。電荷密度與導(dǎo)體表面的曲率半徑有關(guān)，導(dǎo)體半徑越大，電荷密度越大，附近的電場(chǎng)強(qiáng)度也越大，容易擊穿空氣形成放電。加入金屬球殼11，與金屬管12形成封閉的空腔導(dǎo)體，空氣中的流動(dòng)電荷容易集中在導(dǎo)體外表面，避免尖銳物體的電場(chǎng)強(qiáng)度過大，形成尖端放電而損失電荷。

在金屬管12的幾何中心位置，用中空的絕緣材料管(如pvc管)作為支撐架，支撐架固定在絕緣的底座上。支撐架的高度要比金屬管長(zhǎng)度略大一些，根據(jù)需要和設(shè)計(jì)規(guī)模而確定。在金屬管探頭的幾何中心位置，焊接一個(gè)金屬螺絲釘，固定一根高壓絞合導(dǎo)線13的上端接頭，導(dǎo)線13的下端用電工膠帶纏繞在支撐桿的外表面，連接到氖管14和電容器15，在電容器兩端設(shè)計(jì)一個(gè)火花放電器16，保證電容器15接地良好。

實(shí)驗(yàn)裝置包括燈管17、金屬支架18、上下滑動(dòng)金屬夾子19、左右滑動(dòng)金屬夾子20和導(dǎo)線21，所述燈管17通過上下滑動(dòng)金屬夾子19橫向設(shè)置在金屬支架18上，左右滑動(dòng)金屬夾子20設(shè)置在燈管17上，通過導(dǎo)線21與金屬支架18連接。本裝置包括金屬支架18，底部和地面良好接觸；長(zhǎng)度為70厘米的紅色日光燈管17(紅色發(fā)光現(xiàn)象比較明顯)，沿著金屬支架上下移動(dòng)的金屬夾子19，套在燈管17上自由移動(dòng)的金屬夾子20，連接金屬夾子20與金屬支架18的導(dǎo)線21。

一種靜電場(chǎng)屏蔽實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作方法，首先關(guān)閉真空泵，使玻璃球殼內(nèi)的氣體處于常壓(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，啟動(dòng)高壓電路板，觀察并記錄金屬電極發(fā)生火花放電情況。打開真空泵，對(duì)密閉的玻璃球殼體內(nèi)抽取真空，觀察并記錄真空表的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)金屬電極發(fā)生火花放電情況。在靜電高壓發(fā)生器的絕緣外罩上，放置一塊絕緣材料(塑料板、紙板或木板等)，調(diào)解上下滑動(dòng)金屬夾子使日光燈管的d端接觸絕緣材料，記錄日光燈管的發(fā)光亮度是否明顯變化。在靜電高壓發(fā)生器的絕緣外罩上，放置金屬板塊(銅板、鋁板或鐵板)，調(diào)解上下滑動(dòng)金屬夾子使日光燈管的d端接觸絕緣材料，記錄日光燈管的發(fā)光亮度是否明顯變化。使用導(dǎo)線把金屬板塊連接并接地，調(diào)解上下滑動(dòng)金屬夾子使日光燈管的d端接觸絕緣材料，記錄日光燈管的發(fā)光亮度是否明顯變化。

第一，在高壓球殼的pvc外罩9上，放置一塊絕緣材料(塑料板、紙板、木板等)，將日光燈管17的d端接觸絕緣材料，日光燈管的發(fā)光亮度沒有明顯變化，表明前后兩次電場(chǎng)變化微小。塑料板、紙板等是絕緣材料(電介質(zhì))，電介質(zhì)處于靜電場(chǎng)中，會(huì)出現(xiàn)電荷的極化現(xiàn)象，同樣在電介質(zhì)表面有電荷分布，周圍空間存在電場(chǎng)與電勢(shì)分布。

第二，在高壓球殼的pvc外罩9上，放置銅板(或鋁板、鐵板)等金屬，出現(xiàn)明顯的差異現(xiàn)象。當(dāng)銅板與地面不接觸時(shí)，日光燈接觸銅板或者離開銅板，發(fā)光都比接觸絕緣材料更亮，表明金屬板對(duì)電場(chǎng)具有會(huì)聚作用，使得該區(qū)域的電場(chǎng)和電勢(shì)增加。但是，當(dāng)銅板連接導(dǎo)線接地時(shí)，銅板沒有和玻璃球殼接觸，依靠空間電場(chǎng)分布而形成的電勢(shì)差，銅板和地面的電勢(shì)都為零，無(wú)論日光燈管是否接觸銅板，都沒有發(fā)光，顯示銅板具有良好的屏蔽電場(chǎng)作用。

本裝置可以作為各級(jí)學(xué)校的電磁學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)器材，用來(lái)說(shuō)明氣體放電的多種類型，包括輝光放電、尖端放電、電暈、電火花等不同形態(tài)。它們可以作為各類科技場(chǎng)館公開展示的實(shí)驗(yàn)器材，具有安全系數(shù)高，現(xiàn)象生動(dòng)直觀，成本低廉和維護(hù)方便，容易攜帶移動(dòng)等特點(diǎn)。尤其利用日光燈進(jìn)行的人體帶電實(shí)驗(yàn)，沒有高壓觸電危險(xiǎn)，只有極小的電流通過人體，適合廣大觀眾親自體驗(yàn)和操作。

以上已對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明創(chuàng)造精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)。