大学物理尖端放电演示实验

实验名称：尖端放电

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】

当避雷针演示仪接通静电高压电源后，绝缘支架上的两个金属板带电了。在极板间电压超过1万伏时，由于导体尖端处电荷密度大于金属球处，所以金属尖端附近形成了强电场，在强电场的作用下，空气分子被电离，致使极板和金属尖端之间处于连续的电晕放电状态，即尖端放电现象。而金属球与极板间的电场不能达到火花放电的数值，故金属球不放电。在实际应用中，尖端导体与大地相连接，云层中的电荷通过导体与大地中和，因而避免了人身和物体遭到雷电等静电的伤害。如高层建筑物顶端都安有高于屋顶物体的金属避雷针。

【实验操作与现象】

1．将静电高压电源正、负极分别接在避雷针演示仪的上下金属板上，把带支架的金属球放在金属板两极之间。接通电压，金属球与上极板间形成火花放电，可听到劈啪声音，并看到火花。若看不到火花，可将电源电压逐渐加大。演示完毕后，关闭电源。

2．用带绝缘柄的电工钳将带支架的顶端呈圆锥状（尖端）的金属物体也放在金属板两极之间，此时金属球和尖端的高度一致。接通静电高压电源，金属球火花放电现象停止了，但可听到丝丝的电晕放电声，看到尖端与上极板之间形成连续的一条放电火花细线。若看不到放电火花细线，将电源电压提高。演示完毕后，关闭电源。

【注意事项】

1．由于电源电压较高，关闭电源后，不能完全充分放电，故每一步演示后都应取下电源任一极与另一极接头相碰触人工进行放电，以确保仪器设备和操作者的安全。

2．晴天演示电源电压应降低些，阴天演示电源电压应提高些。

3．静电高压电源是用一号电池供电，改变电池伏数（即改变电池电压输出电

极位置），高压输出亦随之改变。

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。