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        高壓放電裝置的改進(jìn)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

        2021-10-15 15:18:52
        物理教師 2021年9期

        馮 蘭

        (吳江中學(xué),江蘇 蘇州 215200)

        中學(xué)所用的手搖感應(yīng)起電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)高壓放電,完成相關(guān)的靜電實(shí)驗(yàn),利用零電壓開關(guān)驅(qū)動電視機(jī)上的高壓包產(chǎn)生的高壓,可以持續(xù)高壓放電.將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電流,輸入零電壓開關(guān),再推動高壓包放電,可制作等離子音響,如圖1所示,演示熱、光、電、聲等現(xiàn)象,通過對高壓端的改進(jìn)可以演示反沖、模擬閃電等中學(xué)物理實(shí)驗(yàn).

        圖1 等離子音響裝置圖

        1 原理

        兩個電極間具有高壓,在兩極間形成很強(qiáng)的電場,空氣分子在強(qiáng)電場作用下,容易電離形成等離子氣體,等離子氣體在兩極間放電,發(fā)熱,發(fā)光,同時使得空氣急劇膨脹,擠壓周圍的空氣.若脈沖電流高壓放電,形成空氣振蕩可發(fā)聲.將音頻信號通過逆變器轉(zhuǎn)化為脈沖信號,再輸入零電壓開關(guān)驅(qū)動高壓包產(chǎn)生高壓,就會形成高壓脈沖信號,高壓放電的頻率與輸入聲音的頻率相同,因此可以產(chǎn)生同頻率的聲音.將兩根銅管制成V型電極,由于下端距離近,根據(jù)場強(qiáng)與電壓、距離關(guān)系可知,由于下方距離小,場強(qiáng)大,空氣首先被擊穿,形成等離子氣體放電,周圍的空氣由于放電發(fā)熱膨脹,密度小,受向上浮力和安培力作用上升,隨著距離增大,場強(qiáng)減小,當(dāng)距離足夠大時,斷路,又開始從下端放電,因此可以看到電火花從底端產(chǎn)生,并緩慢上升,到一定高度消失,同時又從底端產(chǎn)生、升起,形成跳躍的電弧.

        2 實(shí)驗(yàn)元器件及材料、工具

        電視機(jī)高壓包(行輸出變壓器),零電壓開關(guān),24 V電源(帶有音頻輸入),MP3(音頻信號),銅管,亞克力板,電木板,緊固螺釘若干,開關(guān),導(dǎo)線及音頻連接線.臺鉗,銼,鉗子,鋼鋸,螺絲刀,電鉆,電烙鐵,激光雕刻機(jī)等工具.

        3 裝置結(jié)構(gòu)

        成品包含以下幾個主要部分:高壓產(chǎn)生器,銅管放電極.附件包括:靜電反沖葉輪,閃電模擬器.

        4 制作過程

        4.1 等離子音響的制作

        (1)設(shè)計好盒子尺寸,用激光雕刻機(jī)按尺寸切割亞克力板,用切割好的板制作盒子.

        (2)在高壓包的磁芯鐵氧體上繞制初級線圈12圈.

        (3)把逆變調(diào)制模塊、零電壓開關(guān)電路、高壓包粘在底座上.

        (4)將高壓輸出接線柱安裝在電木板上,電木板安裝在盒蓋上.

        (5)將兩根30 cm的銅管固定在底座上,底端距離2 cm,分別向外側(cè)傾斜約10°,形成V型,用以演示放電發(fā)生裝置.

        (6)用導(dǎo)線把幾個模塊連接起來,安裝好開關(guān)與電源線,將銅管放電極的接線柱與高壓發(fā)生器的高壓接線柱相連,完成等離子音響的制作(如圖1所示).

        4.2 靜電反沖葉輪的制作

        在電腦上用CDR軟件作圖,用激光切割機(jī)切割銅片(100×6×1 mm),用激光切割機(jī)切割完畢,在中間打孔固定支撐點(diǎn),用鉗子將葉輪彎曲成如圖2所示形狀,在亞克力底座上固定一根長8 cm的針,用針通過葉片的支撐點(diǎn)將葉片支撐起,作為一個放電極,在葉片的四周用銅片彎曲成另一個圓形放電極,并在底座上打孔制作接線柱,將兩個放電極與接線柱連接好.

        圖2 靜電反沖葉輪裝置圖

        4.3 閃電模擬器的制作

        將兩根銅導(dǎo)線彎曲成如圖3所示的形狀,下端固定在用亞克力板制作的底座接線柱上,在兩個接線柱間接一個高壓薄膜電容器(30 k V 2700 p F),接線柱用一端帶鱷魚夾的導(dǎo)線連接好.

        圖3 閃電模擬器裝置圖

        5 器材演示及效果

        5.1 新型等離子音響

        將組裝好的設(shè)備接通電源,閉合開關(guān),電源對音頻調(diào)制逆變模塊提供24 V直流電,音頻播放器的弱音頻信號經(jīng)音頻調(diào)制逆變模塊變?yōu)楹幸纛l信號的交流電,零電壓開關(guān)電路,再接高壓包,高壓包產(chǎn)生的高壓連到銅管放電極,播放動感舞曲,兩銅管間出現(xiàn)電弧,電弧上下移動,電弧形狀隨著聲音變化,聽覺和視覺效果都很好,電弧可以點(diǎn)燃紙張等物品,說明高壓放電溫度很高.此現(xiàn)象涉及的高中物理知識有:變壓器、電勢差與電場強(qiáng)度關(guān)系、機(jī)械振動、查理定律等,可用于相關(guān)知識的教學(xué).

        5.2 靜電反沖

        如圖4所示,將葉輪放電組件與高壓接線柱連接,閉合開關(guān),因葉輪尾部是尖的,放電銅環(huán)間產(chǎn)生高壓放電,形成離子風(fēng),對葉輪產(chǎn)生反向推力,使葉輪快速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到120 r/min以上.相比較傳速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到120 r/min以上.相比較傳統(tǒng)的反沖器材,簡單易操作,現(xiàn)象明顯,方法新穎.此現(xiàn)象涉及的高中物理知識有:尖端放電、反沖現(xiàn)象等,可用于相關(guān)知識的教學(xué).

        圖4 靜電反沖示意圖

        5.3 閃電模擬

        將閃電模擬器和高壓發(fā)生器的接線柱連接,閉合開關(guān),產(chǎn)生的高壓對電容器充電,當(dāng)銅絲尖端達(dá)到擊穿電壓,產(chǎn)生火花放電,由于電容器儲存電荷,放電電流大,將產(chǎn)生閃光和啪啪響聲,發(fā)出聲音大,光也更亮,像閃電和雷聲.此現(xiàn)象涉及的高中物理知識有:電容器充、放電等,可用于相關(guān)知識的教學(xué).

        6 演示注意事項(xiàng)

        (1)直流電源電壓對實(shí)驗(yàn)影響.電壓可以選擇12~24 V之間,電壓越高放電銅管間的火花越粗,發(fā)出的聲音越大,靜電反沖葉輪的轉(zhuǎn)速越大,閃電模擬演示的聲響越大.

        (2)放電銅管間距對實(shí)驗(yàn)影響.距離越小,電銅管間的火花越粗,發(fā)出的聲音越大.

        (3)電容器對閃電模擬器的影響.電容越大則放電時電火花越粗,聲音越大,電容器可以多個并聯(lián),并且需要高壓電容器,否則容易擊穿損壞.

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