更新时间:2023-06-29 17:23
尖端放电是在强电场作用下,物体尖锐部分发生的一种放电现象。属于一种电晕放电。导体尖端的等势面层数特别多,尖端附近的电场特别强,就会发生尖端放电。
强电场作用下,物体尖锐部分发生的一种放电现象称为尖端放电,它属于一种电晕放电。
在强电场作用下,物体表面曲率大的地方(如尖锐、细小物的顶端),等电位面密,电场强度剧增,致使它附近的空气被电离而产生气体放电,此现象称电晕放电。尖端放电为电晕放电的一种,专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。故要观察尖端放电的现象,除了要有足够高的电压外,还必须有适当的形状配合,才容易做到。
1.在导体的带电量及其周围环境相同情况下,导体尖端越尖,尖端效应越明显。这是因为尖端越尖,曲率越大,面电荷密度越高,其附近场强也就越强。在同一导体上,与曲率小的部位相比,曲率大的部位就是尖端。因此,设备的边、棱、角相对于平滑表面,管道的喷嘴相对于管线,细导线相对于粗导线,人的手指相对于背部等等,前者都可认为是尖端,都容易产生尖端效应。而且,即使带电体没有尖端,而与之相邻近的接地导体具有尖端,它们之间也会产生尖端效应。此时,由于静电感应,在接地体的尖端处会感应出异性电荷,并容易与带电体之间发生放电。
2.尖端放电的形式主要有电晕放电和火花放电两种。在导体带电量较小而尖端又较尖时,尖端放电多为电晕型放电。这种放电只在尖端附近局部区域内进行,使这部分区域的空气电离,并伴有微弱的荧光和嘶嘶声。因放电能量较小,这种放电一般不会成为易燃易爆物品的引火源,但可引起其它危害。在导体带电量较大电位较高时,尖端放电多为火花型放电。这种放电伴有强烈的发光和破坏声响,其电离区域由尖端扩展至接地体(或放电体),在两者之间形成放电通道。由于这种放电的能量较大,所以其引燃引爆及引起人体电击的危险性较大。
3.火花型尖端放电随两极间距的减小而更易发生。这可由击穿电压随极间距离的减小而下降来说明。
4.尖端放电的发生还与周围环境情况有关。环境温度越高越容易放电。因为温度越高,电子和离子的动能越大,就更容易发生电离。另外,环境湿度越低越容易放电。因为湿度高时空气中水分子增多,电子与水分子碰撞机会增多,碰后形成活动能力很差的负离子,使碰撞能量减弱。再者,气压越低越容易放电。因为气压越低气体分子间距越大,电子或离子的平均自由程越大,加速时间越长,动能越大,更容易发生碰撞电离。
一般的电子打火装置,避雷针,还有工业烟囱除尘的装置都是运用了尖端放电的原理。
高大建筑物上都会安装避雷针,当带电云层靠近建筑物时,建筑物会感应上与云层相反的电荷,这些电荷会聚集到避雷针的尖端,达到一定的值后便开始放电,这样不停的将建筑物上的电荷中和掉,永远达不到会使建筑物遭到损坏的强烈放电所需要的电荷。雷电的实质是2个带电体间的强烈的放电,在放电的过程中有巨大的能量放出。建筑物的另外一端与大地相连,与云层相同的电荷就流入大地。显然,要使避雷针起作用,必须保证尖端的尖锐和接地通路的良好,一个接地通路损坏的避雷针将使建筑物遭受更大的损失。
通常情况下,空气是不导电的,但是如果电场特别强,空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力,有可能被“撕”开,这个现象叫做空气的电离。由于电离后的空气中有了可以自由移动的电荷,空气就可以导电了,空气电离后产生的负电荷就是负离子,失去电子的电荷带正电,叫做正离子。
导体表面有电荷堆积时,电荷密度与导体表面的形状有关。在凹的部位电荷密度接近零,在平缓的部位小,在尖的部位最大。当电荷密度达到一定的量值后,电荷产生的电场会很大,以至于把空气击穿(电离),空气中的与导体带电相反的离子会与导体的电荷中和,出现放电火花,并能听到放电声。
如高压线有轮廓的地方,就会出现尖端放电。由于接到电源上,它一边放电,一边不停的提供放电需要的电荷,这种放电会持续下去。尖端放电有如下弊端:
1.引起火灾爆炸。如上所述,由于火花型尖端放电的放电能量较大,因此很容易引起易燃易爆混合物的燃烧和爆炸,造成重大人身伤亡和财产损失。
2.妨碍生产,损坏设备。火花型及电晕型尖端放电都会对生产过程造成不同程度的妨碍,乃至损坏设备。
3.静电尖端放电也可造成人体电击,如带静电的人触摸金属把手而在手指放电。
模拟静电除尘实验装置如图1所示,取圆形铝板一块固定在绝缘支座上(绝缘支座可用玻璃棒固定在底座上制成,在中学物理实验室中易找到,本文后几个实验中均用到绝缘支座),将缝衣针装上塑料棒后固定在铁架台上,调节铝板与针尖端间距6cm~8cm,用导线将铝板和缝衣针分别与感应起电机相连,将点燃的蚊香放在铝板和针之间。让起电机起电,使铝板和缝衣针带电,蚊香烟被铝板吸附,若停止起电,烟又袅袅上升。
旋转的风车
取两个易拉罐,剪一部分铝皮,将铝皮碾压平整,剪出一直径约8cm的圆,再剪成图2中a样式的风车,尽量使叶片对称,在其中心处打一小孔,嵌上子母扣作支撑轴承,取缝衣针固定于绝缘支座上,针尖端顶在子母扣的凹坑处,实验装置如图2中b所示。实验时,用导线将针与起电机一极相连,转动起电机,起电后,由于叶轮的尖端放电,在反冲作用下,风车旋转起来。