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第8章 静电实验的操作与改进设计(5)

我们知道,要使导体里的自由电荷作定向移动。导体两端必须有电势差。法拉第圆筒实验中,小球与圆筒的外表面接触,圆筒上的电荷一部分移到了小球上,说明圆筒与小球的电势不等,它们之间存在电势差;小球与圆筒的内表面接触,圆筒上的电荷没有移到小球上,则说明小球与圆筒之间无电势差,它们的电势相等。为什么小球会与圆筒等势?因为圆筒内部空间也有电势,而且电势与圆筒电势相等,当小球放到圆筒内时,小球有了电势,其电势与圆筒内部空间电势相等,因此也就与圆筒等势了。

由上可知,法拉第圆筒实验的进一层意义是:处于静电平衡状态的带电导体,是一个等势体中空的密闭的带电导体,其内部空间也是一个等势的空间,其电势与该导体上的电势相同。不管导体的形状怎样,是圆球,是圆筒还是其它不规则形状,只要满足了上述的条件,上述的结论都是成立的。

易拉罐矿泉水瓶做静电除尘实验效果好

用易拉罐、矿泉水瓶做个简易“静电除尘”装置。

附图静电除尘装置

现象直观,效果明显,制作简便易行。

湖南省株洲师范李中奇老师设计的实验装置如附图。拣一个废弃的易拉罐,剪下上下底面,在其一端留0.5cm×1cm的铝片,稍向外弯曲,以便用鳄鱼夹夹住,与起电机或感应圈一极相连。再拣一个矿泉水瓶将易拉罐套在矿泉水瓶外,因易拉罐内径稍小,套时可将易拉罐稍许加温,把矿泉水瓶慢慢旋进。在矿泉水瓶底部钻几个6-8mm小洞,在底部中心处穿上一根铜丝作为另一极。瓶口铝盖上穿一个篮球气针,再用橡皮管与皮老虎相连。打开瓶盖,倒入少许痱子粉,将铝盖拧紧,装置即成。

使用时,将两极与感应圈静电起电机两极相连,用手按皮老虎,可见痱子粉的白色“烟尘”

从瓶底冒出,接通电源(或摇动静电起电机)“烟尘”立即停冒,效果非常明显。

用废灯管制作静电除尘演示器

把废灯管截成38cm长,刷净。一端开口,另一端用橡皮塞封闭,在橡皮塞内插入一根直径为25cm的铜线,使其管内长度为300mm。再在管外用上述铜线绕8匝。

演示时,把图1中管内、外的两铜线分别与起电机两放电球相连接,然后,从开口端向管内吹吸的烟直至管内充满浑浊烟雾为止。这时摇动起电机,瞬时管内烟雾消失,管又恢复透明。

电容式静电实验仪的制作

平行板电容器是静电学的重要实验仪器之一,在静电实验中,除用来研究电容器的特性外,还用来建立均匀电场,进行研究电场力、电极和带电粒子在电场中的运动等等。一般的方法是将两金属板间隔10cm左右平行放置,利用起电机使两板间产生上万伏的电压而建立起电场,两平行板间中心部分的电场可认为是均匀电场,电场强度数量级约为105V/m。

广西医学院物理教研室黎萌老师设计的电容式静电实验仪,不需起电器等设备,利用220V交流电使平行板电容器起电,同样能使两板间中心部分电场强度达到V/m的数量级,满足多种静电实验的需要。

原理我们知道,平行板电容器的电容量为C=ε0Sd其中S为极板面积,d为两板间距离,ε0为真空中介电常数。若电容器充电电压为U,极板上带的电量为Q=CU=ε0SdU据高斯定律,两极板间电场强度为E=Qε0S可见,当电容器的极板面积S和充电电压U一致,电量Q与两极板间距离d成反比;若保持极板上的电量Q不变,则电场强度E只与电极Q有关而与两极板间距离d无关。

根据这一原理,平行板电容器充电时,尽可减小两极板间的距离d,使极板获得最大的电量Q。电容器充满电后,断开电源,若不考虑漏电的话,电量Q应保持不变。把两极板拉开适当的距离,只要满足d<S,就能在两极板间中心部分获得电场强度相当大的均匀电场。

实验装置

(1)平行板电容器由两块半径R=100mm的金属板平行放置而构成。在两金属板中间隔一层或两层厚度为0.100-0.200mm的涤纶薄膜,也可用其他塑料薄膜,要求电介质强度大于10kv/mm,厚度均匀即可,把两块金属板紧靠在一起,就可使两极板间距离d减小到0.200mm,至少不大于0.500mm。按d=0.500mm计算,设薄膜的相对介电常数为εr(εr=2-3),此平行板电容器的电容量为C=εrε0πR2d=εr8.85×10-12×π×(100×10-3)20.500×10-3>550(pF)(2)图1是电容式静电实验仪的原理图。双掷双刀开关K拨向1时,220V交流电经二极管D半波整流后对电解容器C0充电,R为限流电阻。充电时间常数为0.50秒。充电电压U0=2×220V>300V。

待C0充电后,开关K拨向2,C0与平行板电容器C并联,由C0对C充电。C0的主要作用是避免C与电源直接接通,以防C短路时损坏电源。另外C0还可用做电容器火花放电实验。

待C充完电后,开关K拨回1处,此时平行板电容器C两极板间的电压为U=C0C0+CU0图1电容式静电实验仪电原理图

因为C0>C,所以U≈U0>300V。电容器C极板上的电量为Q=CU>550×10-12×300=1.65×10-7(库仑)把两极板的距离拉开到约100mn,两极板间中心部分的电场强度为E=Qε0πR2>1.65×10-78.85×10-12×π×(100×10-3)2≈6×105(V/m)(3)平行板电容器C充电后两极板分别带有等量的异号电荷Q。根据库仑定律,两板间的吸引力为F=Q24πε0d2>14πε0(1.65×10-7)2(0.500×10-3)2=980(N)这样大的吸引力靠手直接把两极板分开同时又要保持两极板平行是较困难的。因此采用了螺旋机构来移动极板,见图2。金属板A装在固定的绝缘支架上,金属板B装在活动的绝缘支架上,通过旋转手轮,由螺旋机构控制活动支架沿水平导轨移动。

图2电容式静电实验仪器结构图

①固定支架②活动支架③导轨④手轮⑤螺旋机构⑥电路部分⑦白炽灯⑧玻璃箱⑨顶盖⑩开关K(4)干燥问题是静电实验不可避免的问题,本实验仪因无需起电机等设备,只要保持平行板电容器C干燥就行,这就使问题简单多了,把平行板电容器连同支架和螺旋机构安装在一个顶盖可打开的玻璃箱内,箱内装一盏100W的白炽灯做干燥用。电路的其他元件和手轮装在玻璃箱外以便操作。玻璃箱可适当做大些,必要时可以放置验电器等其他实验仪器。

实验操作与效果

实验准备:先接通白炽灯烘干若干分钟,开关K拨向1对电解电容器C0充电。打开玻璃箱顶盖。取一张面积比金属板稍大的涤纶薄膜放在两金属板之间,旋转手轮使两金属板紧靠在一起。然后把开关K拨向2,由电解电容器C0对平行板电容器C充电。1秒钟后既可把开关K拨回1处。再反向旋转手轮使两金属板拉开适当的距离,取出涤纶薄膜,金属板上的电量Q基本保持不变,两板间建立了电场。实验准备完毕,即可进行各种静电实验。介绍两种实验方法。

(1)验证平行板电容器带电实验。实验准备完毕后,将带绝缘柄的小金属球从两极板之间放入并与极板A接触,这时极板A上部分电荷转移到小球上。把小球取出与验电器接触,即可证明极板A带电;用同样方法使小球与极板接触后再取出与验电器接触,可证明极板B所带电荷跟极板A所带电荷符号相反。

用丝绸摩擦过的玻璃棒和毛皮摩擦过的木棒分别接触验电器作比较,可以证明两金属板所带电荷分别与玻璃棒和胶木棒所带的电量相同。这说明来自220V交流电源上的电荷与摩擦产生的电荷本质相同。

(2)电容器火花放电实验。将金属板A、B拆下,换成面积较小的圆形金属板状电极和针成电极。把两电极分开适当距离,对C0充电,把两电极慢慢接近,当接近到一定距离(1-2mm)时,可看到两电极之间产生强烈的放出火花,并听到爆破声。

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