1、- 1 -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
2、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Umin=106V/m0.05m=5104V，Umax=106V/m0.2m=2105V，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
3、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
4、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
5、 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，- 2 -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 25 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
6、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
7、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
8、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
9、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
