避雷针
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演示实验报告 避雷针
2007年05月13日 星期日 00:17
演示实验报告
实验名称:避雷针
演示内容:演示尖端放电原理的应用:避雷针。
仪器装置:高压电源、模拟避雷针装置。
实验原理:
导体棒的尖端部曲率半径很小,电荷密度将很大,则其附近的电场将很强。
若电场强到足以使空气击穿时,就会产生尖端放电,电荷就从尖端处飞向空气中。
因此一旦产生了尖端放电,导体上的电荷就不能再继续积累,导体的电势就不会
再升高了,导体向空气中的剧烈的火花放电就可以不发生。在建筑物上安装上这
种导体尖端,在雷雨季节,就可以避免建筑物上有过多的电荷积累而遭受雷击破
坏了。安装在建筑物的顶端防止雷击的导体尖端就是避雷针。本实验演示避雷针
的工作原理,仪器装置由放电球、放电尖端以及表示云层和建筑物的两个导体板
(上下板)组成。两导体板加上静电高压后,若它们之间有放电尖端时,则只在
尖端处有电晕放电;若它们之间有放电球时,球附近会有剧烈的火花放电。
实验步骤及结果:
1.调节尖针端与金属球等高(此处球模拟建筑物,尖针模拟避雷针)。
2.上下极板接通电源,由于尖端放电的作用,避免了球对上铝板的放电。
3.若取下尖端(或使尖针端低于球的高度),接通电源,则看到金属球对
上铝板放电(模拟建筑被雷击)。
4.演示完毕后,将上下两级完全放电。
讨论:
1.尖端放电跟火花放电
孤立的导体处于静电平衡时,它的表面各处的面电荷密度与各处表面的曲率
有关,曲率越大的地方,面电荷密度也越大。
尖端上的面电荷密度很大的时候,尖端周围的电场就会很强。空气中离散的
带电粒子(电子或者离子)在这强电场的作用下作加速运动时就可能获得足够大
的能量,以致它们和空气分子碰撞时,能使后者离散成电子或离子。这些新的电
子或离子与其他空气分子相碰,又能产生新的带电粒子。这样就会产生大量的带
电粒子。与尖端上的电荷异号的带电粒子受尖端电荷的吸引,飞向尖端,使尖端
上的电荷被中和掉;与尖端上电荷同号的带电粒子受到排斥而从尖端附近飞开。
从外表看,就好像尖端上的电荷被“喷射”出来放掉一样,所以叫做尖端放电。
而电火花放电是电极间的气体被击穿,形成电流在气体中的通道中呈现明显
的电火花,故叫做电火花放电。电晕放电属于尖端放电,电晕放电时,电极间的
气体还没有被击穿,是电荷在高电压的作用下发生移动而进行的放电。并且,火
花放电的电流都很大,而电晕放电的电流就比较小。
放电尖端与放电球的区别正是在此。放电尖端或者放电球与顶端的导体板形
成一个电容器,由于放电尖端比较尖,即放电尖端形成的电容器的两极板的正对
面积比较小,所以尖端形成的电容器的电容就要小于放电球形成的电容器的电
容,前者所容纳的电荷就要小于后者,当两者聚集相同的电荷时,前者就更容易
放电,释放电荷,形成导体通路。云层的电荷就可以通过这个通路导入大地。所
以避雷针要采用尖端装置。
2.避雷针
明白了上述尖端放电及火花放电的原理,也就知道了避雷的原理。其实所谓
的“避雷”,并不是阻挡,相反是靠“吸引”来中和电荷,似乎叫“引雷针”更
合适。所以避雷针一定要高于被保护的建筑物的突出部分,因为在突出部分能形
成畸形的电场,在雷电形成的电路导向地面时就会受到畸形电路的影响,从而改
变方向,转向避雷针,而避免了击中建筑物。这样,在避雷针的一定高度下也就
形成了一定的安全保护区。保护区的范围跟避雷针的高度是有关的。
3.跟避雷针类似原理
跟避雷针原理相同的还有雷雨天一些参天大树容易被雷击倒。突出的大树受
带大量电荷的云层的感应也带了大量的电荷,积累的电荷过多时就被击倒了。同
样,雷雨天在空旷的地面上行走是很危险的,也是容易成为云层跟地面的导体。