趣味高压静电实验的制作与研究

摘 要 高压静电是生活中常见的电磁学现象，设计五则趣味高压静电实验，演示现象生动有趣，所需器材方便简单，适合学生动手实践操作，增加对电磁学有关概念的理解和认识。

关键词 高压静电；电磁学；实验

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）20-0124-02

Fabrication and Study of Funny High-voltage Electrostatic Ex-periment//HUANG Wen， GONG Yicheng

Abstract The funny High-voltage Electrostatic Experiment is a usual

phenomenon in people’s life. The 5 High-voltage Electrostatic Ex-

periments are designed. All of those are funny and vivid in presen-ting phenomenon， and simple in using instrument， and that’s suitable for students to operate experiment by themselves and enhance the cognition and understanding of electromagnetism concepts.

Key words high-voltage； electrostatic electromagnetism； experiment

1 前言

摩擦起电是生活中常见的现象，例如：手指接触金属门把、水龙头等器物时会有电击感；穿化纤衣服在地毯上行走，有针刺般的触电感。两种不同材质的物体接触，会发生电荷转移和积累，一种物质失去电子而带正电，另外一种物质得到多余的电子而显示出负电。静电对人体有一定的危害：静电电压达到2000伏，手指有麻麻的感觉；超过3000伏出现火花，手指有针刺的痛感；超过7000伏，人有强烈的电击感。日常生活中产生的静电压有时高达数万伏，但是摩擦起电的时间极短，产生的电流量很小，不会对人体造成生命危险。

为了防止静电的发生，室内要保持一定的湿度，消除人体表面积聚的静电荷。冬天脱衣服后，摸金属门把手前用手摸一下墙，将体内静电放出去。人们应选择柔软、光滑的棉纺织或丝织衣裤，尽量不穿化纤类衣物，使静电危害降低到最低限度。

以下介绍几则高压静电实验，实验现象生动有趣，所需器材方便简单，适合学生动手实践操作，增加对电磁学有关概念的理解和认识。

2 飞盘触电实验

把塑料飞盘用洗衣粉洗刷晒干，准备一块圆形铁片，面积比飞盘略小，铁片中央打钻一小孔，用20厘米长的丝线穿过小孔。将一块干燥的毛皮用力摩擦圆盘的内侧，然后迅速拿开，再用手提着丝线的一端。为了不使手与铁片接触，将铁片放入圆盘内，圆盘上的电荷聚集到铁片上，用手指靠近鐵片，会有微麻的感觉，同时看到电火花，听见放电响声。

本实验的效果受环境影响较大，干燥的天气比空气潮湿时容易成功，室外通风比在室内容易成功。实验者站立在一块较厚的干燥泡沫塑料上，一只手与放在桌子上的塑料块摩擦数下，人体带了电，人体与塑料摩擦起电的效果很好。只要人不与其他导体接触，人体上的电荷就不会跑掉，人成为一个带电体。用带电的手去接近放在桌面上的乒乓球，球就向手滚过来，并能追随手运动。带电体不但可以吸引轻小物体，而且能吸引像乒乓球这样较大的物体。

3 人体高压实验

以下制作人体带电趣味实验，可以增加学生对于静电的认识，掌握电容器的充放电原理。如图1所示，实验器材包括1.5伏的7号电池三个，电池盒一个，按压式开关一个，硬纸板两块，高压脉冲电容器一个，导线若干。实验电路图如图1所示。

选用的电容器为脉冲高压电容器。人体在生活中通过摩擦而产生的静电能够达到上万伏，如果用一般的电容器，很难使人体产生上万伏的静电电压，因此使用一个高压脉冲电容器。给电容器的输入端输入3～6伏的直流电，通过高压脉冲，可以瞬间在输出端得到上万伏的高压电位，很好演示人与人接触时产生电击的情况。

根据给出的电路图连接好实物图，将电池与开关连接到高压脉冲电容器的输入端。为了防止线路的混乱，可以将线路放在一块纸板上；为了更好模拟人体在行走时产生的静电，在纸板上放小一点儿的纸板，模拟人的拖鞋。在脉冲电容器的正向输出端引出一条线路，穿过上面的纸板，与人的脚接触；从电容器的负向输出端引出一条线路，穿过下面的纸板，与地面接触，相当于与大地构成回路。为了方便控制开关，将开关安放在上面的纸板上，用人脚的大拇指来控制开关。连接好线路后，甲踩在纸板上，用拇指踩一下开关，这时给电容器充电；当甲与乙接触时，构成闭合回路，电容器处于放电过程，这时乙就会有触电的感觉，就很好地演示了人与人接触时触电的情况。

本实验电容器的输入电压为3～6伏，电容器产生的脉冲高压电压不宜太高，太高时产生的电击效果太强烈，会形成比较疼痛的针刺感，太小则达不到触电效果，一般选择脉冲高压在10万伏就可以。要注意区分脉冲电容器正负输入端和输出端。由于电容器功率较大，内部不易散热，每次充电时间不要超过10秒钟。用纸板将人体与大地隔绝，要在纸板上铺一层绝缘胶布或者透明胶，因为纸板有一定的湿度，比人的拖鞋更容易导电，能将电荷从纸板上泄露到大地去；也可以选用绝缘性能更好的PVC塑料板或泡沫板。

4 简易莱顿瓶制作

该实验可以让学生了解莱顿瓶的工作原理，明白电容器如何储存电荷。如图2所示，所需实验器材包括塑料杯、锡箔纸、PVC塑料管。将锡箔纸分别包在两个塑料杯的外缘，尽量使锡箔纸平整紧贴塑料杯，不要有皱褶；将两个贴好锡箔纸的塑料杯套起来，两层锡箔纸之间不要有接触的地方，在内层锡箔纸上延伸出一条锡箔；叫几个学生走上讲台，手牵手拉着一起，让第一个学生用空手接触塑料杯的外缘；这时教师开始用干燥的纸快速反复摩擦PVC塑料管，摩擦10秒钟后，将PVC塑料管靠近用锡箔纸包好的塑料杯，注意不要让塑料杯与PVC管碰到，靠近三四秒后移开；如此重复20次左右，然后让最后一个学生用手接触内层锡箔纸延伸出来的锡箔条，这时全体学生会因为轻微触电而同时有反应动作。

本实验的原理：塑料杯可以形成一个能存储电荷的莱顿瓶，刚开始时塑料杯呈电中性，用干燥的纸片摩擦PVC塑料管，塑料管带上负电荷；将塑料管靠近塑料杯时，会产生感应起电，电荷具有异性相吸、同性相斥的特性，塑料杯外层锡箔纸上的负电荷经过人体被传导流失，只保留正电荷，外层锡箔纸带上正电荷，經过反复多次之后积累大量正电荷；两层锡箔纸之间有塑料杯隔开，锡箔纸之间形成一个电位差；当最后一个学生用手接触内层锡箔纸条时，构成一个闭合回路，电荷就能流通而形成电流，人体就有轻微触电感。

这个实验在干燥的空气中才能成功，潮湿环境中电荷容易泄露而导致实验失败。用纸片与塑料管摩擦时，手掌套上塑料手套等绝缘材料，防止电荷流失。电解液能够很好地存储和传导电荷，因此可在瓶内倒入浓盐水，在瓶内引出一根导线，这样会储存更多的电荷，电压增加，人体触电感觉也更强。

5 金属片的静电高压

所需实验器材包括五号干电池两节，开关一只，20瓦日光灯用的镇流器（非电子镇流器）一个，铜片两块，大小木板各一块，导线若干。按图3所示电路连接好电路元件，开关断开；然后接通开关，让学生把两手指分别按在两只铜片上，断开开关的一瞬间，学生会感受到强烈的电击体验。为什么两节小小的电池能产生如此高的电压呢？当开关接通时，电池和镇流器构成闭合电路，产生稳定的电流；在开关断开的一瞬间，镇流器中的线圈产生很大的自感电动势，与镇流器相连的两个铜片间形成瞬间高压。

6 静电摆

所需器材包括两只金属易拉罐，一个气球，一只回形针，细线，三块绝缘性很好的有机玻璃或是塑料板。制作前将它们洗干净，再暴晒干燥；实验最好在晴朗、干燥的环境下进行，空气潮湿时实验不容易成功；把两块绝缘板放在桌上，每块板上放一个易拉罐；在第三块板上穿线悬吊一只回形针，把这块板像桥梁一样架在两个易拉罐上；调整实验装置，使回形针位于两罐当中，与每个罐子距离保持在一厘米左右；把气球吹大并扎紧，用干燥的毛衣或尼龙布等材料摩擦气球，然后把气球接触一个罐子，回形针就开始像钟摆一样左右摆动。这是因为气球经摩擦后带上静电荷，靠近或接触罐子时，一部分静电荷转移到罐子

上；这时原本不带电的回形针受到带电罐子的吸引，使它靠近并接触带电罐子而获得电荷，带电罐子的吸引力消失，回形针受重力作用回到原位；但是所获得的电荷又使它受到另一个不带电罐的吸引，向另一方向摆动，这样反复几次，直到三者之间的静电荷接近中和，无法再引起回形针摆动为止。