內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗天山一中(025550) 馬潤生

感應(yīng)起電機在實驗過程中會有強烈的電火花冒出,實驗者用手觸摸有刺痛感。這一現(xiàn)象引起了筆者的思考,這種起電會不會對實驗操作者的安全有影響,能否通過實驗定量分析這種影響的強度。

1 感應(yīng)起電器工作原理及其研究

首先,我們需要明確感應(yīng)起電機的起電原理。感應(yīng)起電器通過兩個靠近的圓盤上圓心處固定電刷與圓盤上呈中心對稱的多個鋁片的轉(zhuǎn)動摩擦而起電,起電后電荷將被導(dǎo)入至兩側(cè)的萊頓瓶中,兩小球中會因此感應(yīng)出頓性相反的電荷,兩小球相互靠近時即放電。感應(yīng)起電器實物圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)起電器實物圖

當(dāng)筆者用手接觸感應(yīng)起電器的小球時,一瞬間手指刺痛感很強,而且刺痛感跟搖柄的轉(zhuǎn)速及手與小球之間的距離有關(guān)。很明顯,這是一個瞬時過程?，F(xiàn)在要探究的是,這個瞬時過程有多長,瞬時最大電壓的大小,這個過程的能量水平的高低,對人體安全性的影響如何。

探究過程從暫態(tài)開始著手。暫態(tài)指電路從一個穩(wěn)定狀態(tài)由于某種作用,經(jīng)由一個過渡狀態(tài)進(jìn)入到另一個穩(wěn)定狀態(tài),這個過渡狀態(tài)就稱為暫態(tài)。盡管感應(yīng)起電的放電過程并不是完整的穩(wěn)態(tài)變化,但我們對于暫態(tài)研究得到的結(jié)論可以用于這個過程的研究。早在上世紀(jì),鄭州紡織工學(xué)院的路立老師已經(jīng)進(jìn)行過紡織物靜電放電時間的實驗探究。2011年,在陜西電力科學(xué)研究院吳健等5位教師發(fā)表的文章中,已將此過程稱為暫態(tài)電擊。關(guān)于這兩個問題,我們將會在后面的部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

現(xiàn)在先來解決第一個問題,靜電感應(yīng)實驗中電壓問題的測算,使用電壓表測算當(dāng)然是荒謬的,我們可以測算萊頓瓶能攜帶的最大電荷量以及理論估算萊頓瓶電容來計算。

Q由靜電場測試儀可以測定,C＝Εs/4πkd,從而測出電壓U。

然后,我們要測算出放電時間,路立老師的研究為我的實驗提供了很好的思路,因為織物與感應(yīng)起電器都是孤立放電且起電原理相同,筆者猜想感應(yīng)起電器的放電時間也滿足:

U0為最大電壓,電壓隨時間按指數(shù)遞增,x為放電時間常數(shù)。

最后,來測算放電能量水平。筆者注意到,并非直接接觸才會有觸電感,所以還要測算人體感應(yīng)起電的電能量水平。U1＝U0/(C1＋C2),由Q＝CU推導(dǎo),

當(dāng)然,必須同樣要測定直接接觸的放電能量水平,能量水平由能量守恒定律可知。

2 實驗驗證

2.1 實驗一

實驗?zāi)康?測定暫態(tài)電壓。

實驗儀器:接觸式靜電場測試儀,9 V,6 F22鎳電池,感應(yīng)起電機。

實驗原理;靜電場測試儀廣泛應(yīng)用于紡織品靜電性能的測試,精度范圍正負(fù)1 k V,在本實驗中用于測量萊頓瓶所攜帶的最大電量。

實驗流程:

(1)取下感應(yīng)起電機上萊頓瓶。

(2)估算來頓瓶電容C。

(3)使用靜電場測試儀測試出電荷量,重復(fù)5次,取最大電荷量Q。

(4)計算電壓U。

(5)得出電壓U的大約值。(6)記錄數(shù)據(jù)。

2.2 實驗二

實驗?zāi)康?測定暫態(tài)電擊時間。

實驗儀器:導(dǎo)線若干,感應(yīng)起電機,示波器,放大器,時間函數(shù)記錄儀。

實驗原理:孤立電容的放電時間滿足

U0為最大電壓,電壓隨時間按指數(shù)遞增,x為放電時間常數(shù)。

通過連接(并聯(lián))放大器,示波器,記錄儀與感應(yīng)起電機。計算出函數(shù)關(guān)系式。

實驗流程:

(1)用軟皮導(dǎo)線將感應(yīng)起電機與放大器示波器記錄儀并聯(lián)。

(2)轉(zhuǎn)動感應(yīng)起電機至放電。

(3)根據(jù)時間函數(shù)記錄儀圖像得U/2與U之間對應(yīng)的t2與t1之間差即為感應(yīng)電壓半衰期。

(5)由實驗一測定的U0帶入到中,且U＝0。

(6)計算出放電時間t0。

(7)記錄數(shù)據(jù)。

2.3 實驗三

實驗?zāi)康?計算放電能量水平。

實驗儀器:感應(yīng)起電機。

實驗流程:

(1)畫出等效電路圖。

(2)查詢資料并估算人體電容。

(3)按照公式U1＝U0/(C1＋C2),由Q＝CU推導(dǎo),,計算出W。

(4)按照W0＝QE計算出靜電能量,由于此過程時間極短,可以將過程中的放熱完全忽略。由能量守恒定律知靜電能量即為直接接觸時放電能量水平。

(5)比較W與W0大小,取較大值。

(6)記錄數(shù)據(jù)。

2.4 實驗四

實驗?zāi)康?測定非致命性武器電擊器的能量水平。

實驗原理:無論是靜電放電還是直流電放電,單位時間內(nèi)放電能量水平都是衡量對生物體效應(yīng)的有效標(biāo)準(zhǔn)。對于直流電擊器,可以通過W＝UIt計算放能總和P＝IU計算單位時間能量水平。

實驗儀器:電擊器,電壓表,電流表,導(dǎo)線。

實驗流程:

(1)用導(dǎo)線將電擊器的放電處與電流表,電壓表相連接。

(2)啟動電擊器。

(3)測出放電時電壓U1電流I1,重復(fù)5次。

(4)取P＝UI,取P最小值。

(5)記錄數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果整合

利用實驗一、實驗二、實驗三測定的數(shù)據(jù),計算出單位時間內(nèi)放電能量水平,并與實驗四所得數(shù)據(jù)比較。接下來用測定的靜電放能總和等效為電擊器放電時間。由電擊器相關(guān)實驗數(shù)據(jù)可知電擊等效時間為0.8 s會造成痙攣,肌肉劇烈收縮;超過1.2 s成大腦不清醒,意識混亂,失去方向感,不能站立;3 s以上則人體不能做任何動作;5 min以上導(dǎo)致人體昏迷。經(jīng)過計算,本實驗單位時間放電等效電擊器電擊時間約為0.5 s左右。

4 關(guān)于靜電武器的構(gòu)想

既然已經(jīng)得到如上結(jié)論,筆者開始構(gòu)想靜電武器的理論可能性。如同實驗證明的那樣,靜電對人體造成的瞬時傷害很顯著,但對人體的機體損傷卻比直流電擊器小很多。結(jié)合近幾年發(fā)生的各類安全事件,可見其向低齡化、群體化發(fā)展。群體性哄搶事件中常規(guī)民用安防電擊器由于只能作用于單個目標(biāo),效果不佳,而靜電特有的感應(yīng)性使它格外突出。

在前面進(jìn)行的幾次試驗中,筆者親身嘗試了瞬時靜電電擊的效應(yīng),在換算數(shù)據(jù)之后,無論從能量節(jié)約還是從便利性的角度考慮,靜電武器都是民用安防用具中的佼佼者。以下提出兩個快速產(chǎn)生靜電的方法。

(1)方法1

利用起電器原理,用高速電動機代替手搖傳動,在電容器制作時,以氫氧化鈉為正極,活性炭為負(fù)極,制成超大容量電容器,將產(chǎn)生的電荷貯存以備急用。

(2)方法2

當(dāng)電動機除濕后,向帶有正負(fù)電荷的兩極板上用高壓噴嘴噴高速油滴,使兩極板帶電,快速將電荷傳導(dǎo)至電容器。

以上兩種方法,方法一可行性更強,有關(guān)實驗設(shè)計正在進(jìn)行。高速電動機轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000 r/s以上,而超大容量的電容器滿足了對快速充電防電的需求。結(jié)合實驗數(shù)據(jù),此種靜電武器是完全可行的。