科学体验馆实验报告~雅各布天梯

科学体验馆实验报告

实验名称：雅各布天梯（——大气中的电压击穿现象）

观察与思考：

1、当你按下控制按钮后，看到了什么现象？

答：当我按下控制按钮后，我观察到了两个电极之间产生明亮的电弧，同时电弧从两个电极的最底端快速向上爬，当电弧到达电极的顶端后消失，然后从电极底部又会产生新的电弧，形成周而复始的电弧爬梯现象。

2、正常情况下，大气（干燥空气）的电击穿场强是106伏/米，当空气被击穿时，二电

极之间将产生电弧，其发光的机理是什么？

答：两个电极通电，使得两极之间的电压升到5万伏左右时，两极之间的空气被击穿，空气被电离，形成大量等离子体，被电离的空气中的原子核外电子从激发态跃迁回基态时，多余的能量以光和热量的形式放出，从而电弧发光。

3、显然，“天梯”的二电极棒之间有较高的电势差，从你观察到的现象估测，二电极间

的电势差有多大？

答：由于在正常情况下，大气（干燥空气）的电击穿场强是106伏/米，两电极最底端之间的距离是5cm左右，最顶端两电极之间的距离是20cm左右，所以两电极之间的电势差

U min=106V/m×0.05m=5×104V，U max=106V/m×0.2m=2×105V，即两电极之间的电势差大约在5万伏至20万伏。

4、为什么放电电弧会沿“天梯”上爬？

答：两根电极之间的高电压使极间最狭窄处的电场极度强。巨大的电场力使空气电离而形成气体离子导电，电弧是等离子体，本质就是空气，我们看到的电弧是空气中的原子核外电子从激发态跃迁回基态时，多余的能量以光和热量的形式放出。电弧所在区域内的密度其实就是空气密度，所以会被热空气带动上升。所以放电电弧会沿“天梯”向上爬。

空气对流使电弧向上升，随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大，当电流送给电弧的能量小于由弧道向周围空气散出的热量时，电弧就会自行熄灭。在高压下，电极间距最小处的空气还会再次被击穿，发生第二次电弧放电，如此周而复始。

5.腊神话中有这样一个故事：雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”。后人便把这梦想中的梯子，称之为"雅各布天梯"。

“雅各布天梯”则展示了电弧产生和消失的过程。二根呈羊角形的管状电极，一极接高压电，另一个接地。当电压升高到5万伏时，管状电极底部产生电弧，电弧逐级激荡而起，如一簇簇圣火似地向上爬升，犹如古希腊神话故事中的雅各布天梯。

空气被电离后电弧一旦形成，相对于通过未被电离的空气形成新的电弧，电流就比较容易沿着已经形成的电弧流动。然而，已被电离的空气由于热和膨胀，密度比周围的空气要大，因此，会使电弧象从火中喷出的火焰一样在空气中上升。电弧上升并被拉长，随着电弧被拉长，电弧通过的空气的电阻加大，当电流送给电弧的能量小于由电弧向周围空气散出的热量时，电弧就会自行熄灭。

雅各布天梯圣经中创世纪二八章11-19节中，雅各布做梦见到从天堂来的天梯。后人便把这梦想中的梯子，称之为雅各布天梯。

雅各布天梯则展示了电弧产生和消失的过程。二根呈羊角形的管状电极，一极接高压电，

另一个接地。当电压升高到5万伏时，管状电极底部产生电弧，电弧逐级激荡而起，如一簇簇圣火似地向上爬升，犹如古希腊神话故事中的雅各布天梯。

在2－5万伏高压下，两电极最近处的空气首先被击穿，形成大量的正负等离子体，即产生电弧放电。

空气对流加上电动力的驱使，使电弧向上升，随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大，当电流送给电弧的能量小于由弧道向周围空气散出的热量时，电弧就会自行熄灭。

说明：在高压下，电极间距最小处的空气还会再次被击穿，发生第二次电弧放电，如此周而复始。

确切的说，电弧比羽毛还轻。

羽毛是实体，有质量，密度比空气大。而电弧是等离子体，本质就是空气，我们看到的电弧是空气中的原子核外电子从激发态跃迁回基态时，多余的能量以光子的形式放出。所以，电弧所在区域内的密度其实就是空气密度，所以会被热空气带动上升。

雅各布 (James)

西庇太的儿子，使徒约翰之兄；当时被称为「大雅各布」。在与主第一次相遇大约十七年后，这位缄默的使徒，成为教会的领袖。圣经记载：「希律王下手苦害教会中几个人，用刀杀了约翰的哥哥雅各布。」(徒十二：1-2)雅各布就成了第一位殉道的使徒。相传在他殉道之前，那些作假见证害他的人，见他喜乐盈溢，宛如英雄凯旋，毫无畏惧，乃深信真神基督必与他同在，竟感动了一位审判官与他一同受死

“太神奇了，太奇特了........”在博物馆里，同学的感叹声让我按耐不住好奇心，不由自主的走了过去。原来，是雅各布天梯，这种奇特的现象才是的同学们都惊叹不已。在感叹神奇的同时，我心中的疑问也一个个蹦了出来。什么是雅各布天梯？这是谁发明的？为什么要发明它？它的原理是什么？雅各布天梯的现象是怎样产生的？

通过我自己的研究与查资料，终于解除了心中的疑惑。

什么是雅各布天梯？

希腊神话中有一个故事，雅各布做了一个美好的梦，他梦见沿着天梯去得了圣火，后人便把这梦想中的梯子称之为天梯，雅各布天梯有变压器，羊角电极等部分组成。

雅各布天梯是谁发明的？

泰斯拉放电也称高频高压放电，在屏蔽网的中央有一个头顶时大圆盘的圆柱形设备，成为高频高压发生器，它的发明人是美国著名发明家泰斯拉，因此这个设备成为泰斯拉变压器。它的频率较高，约100KHZ.在同等电压和放电间隙情况下，放电电流非常大，电弧非常明亮，这里表演的泰斯拉放电，电压就有100万伏，能够持续放电，他的放电现象犹如雷电放电雅各布天体的现象

一簇簇火花在两个铁丝组成的梯形上爬升，爬到顶端就自行熄灭。这成为雅各布现象。这种现象的形成是，由于两电极构成一个梯形，下段间距小，其段空气最先被击穿，电弧加热，空气对流，驱使电弧向上升，随着电弧被拉长，电弧通过的电阻增大，当电流送给电弧的能量小于沪导向周围空气散出的热量时，电弧就自行熄灭，其实在高压，极间距最小处的空气还会再次被击穿，发生第二次电弧放电，如此周而复始。确切的说，电弧比羽毛还轻，羽毛是实体，有质量，密度比空气还大。而电弧是等离子体，本质就是空气，我们看到的点忽视空气中的原子核外电子从激发态跃迁回基态时，多余的能量以光子的形式放出，所以，电弧所在区域内的密度其实就是空气密度，会被热空气带动上升

雅各布天梯真的是很奇特，通过我的搜查与研究，我懂得了雅各布天梯带给我的疑惑。在科学发展的道路上，需要我们发现问题，解决问题。让我们怀着滴水穿石的精神去钻研吧。实验目的：通过演示来了解气体弧光放电原理实验操作与现象：打开电源，观察弧光的产生、移动及消失雅各布天梯实验改进：可以是设置成多道电弧的