物理爱好者

漫步云涧

验电器



王宗田



　　验电器主要用于检验物体是否带电，带正电还是带负电，演示感应带电现象等。它是根据异性电荷相互吸引、同性电荷相互推斥这一原理制成的。



　　最常用的金箔验电器，其构造如图3－2所示。在玻璃瓶口处有一橡胶塞，塞中插一根金属杆，杆的上端有一金属球。下端悬挂一对金箔（或铝箔）。当带电体和验电器的金属球接触时，就有一部分电荷分布到验电器的两箔片上，它们因带同种电荷相互推斥而立即张开，所带电荷越多，张角就越大。

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与门

图10－13甲是与逻辑一例，只有当开关A与B都闭合时（条件），灯泡才亮（结果）；A与B中只要有一个不闭合，灯泡就不亮。与逻辑可以概括为：当条件A与B与C与……都具备时，事件才能发生。图10－13乙是由二极管VDA、VDB组成的与门，A、B是两个输入端（实际可以有多只二极管、多个输入端），设输入脉冲的低电势为0伏，高电势为3伏，Y是输出端。输入信号的电势有4种组合： 　　（1）A、B都是高电势3伏，两只二极管都导通，输出端Y的电势等于A（或B）的电势加二极管（设为硅管）的正向压降0．7伏（若为锗管正向压降是0．3伏），即等于3．7伏。 　　（2）A是3伏、B是0伏、二极管VDB导通，使Y的电势为0．7伏（二极管VDA处于反向偏置）。 　　（3）A是0伏、B是3伏，VDA导通，VDB截止，Y仍为0．7伏。 　　（4）A、B都是0伏，VDA、VDB都导通，Y为0．7伏。 A B Y 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 　　用“1”表示高电势、“0”表示低电势，可得图10－13乙与门电路的真值表。图丙是与门的图形符号，丁是曾用过的与门图形符号。

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静电计

王宗田

如果把验电器的玻璃瓶改为鼓形铁壳（盒上留一面作观察用的玻璃窗，另一面上是带有刻度的毛玻璃），金属箔改为一根可偏转的指针，就制成一个能测量电势差的静电计，如图3－3所示。若把静电计的铁壳接地，静电计就可以测量导体的电势（以地为参考点）。 　　用静电计测量两个导体的电势差时，只需将两个导体分别与静电计的金属杆及铁壳相连，于是杆与壳间便产生电场，指针表面的电荷受电场力的作用，使指针偏转。被测两导体电势差越大，盒内电场越强，指针偏角就越大。静电计之所以能测量两导体的电势差或一导体的对地电势，是因为静电计的金属杆、指针与铁壳构成了电容基本不变的电容器。指针、金属杆上的电量越大，指针偏转角也越大。在分析用静电计所作的有关静电实验时，不要忘记这一点。

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或门

或门图10－14甲是或逻辑一例。开关A闭合或开关B闭合，灯都会亮。或逻辑可以概括为：当条件A或B或C或……有一个或一个以上具备时，事件就能发生。图10－14乙是由二极管VDA、VDB组成的或门，两个输入端A、B输入的脉冲的电势也有四种组合。仿照上面对图10－13乙的分析可知，A、B中只要有一个输入为高电势（3伏），输出端Y就是高电势（3伏－0．7伏－2．3伏），只当A、B都是低电势（0伏）时，Y才是低电势（－0．7伏）。图丙是或门的图形符号，丁是曾用过的或门图形符号。 或门真值表 A B Y 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 非门真值表 A Y 1 0 0 1

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用短氖管做正负电荷检验器



王宗田



　　在静电实验中，常常要检验带电体上电荷的电性。用验电笔中的短氖管做成一个正负电荷检验器，使用起来十分方便。

　　其实短氖管本身就可作为带电体电性检验器。当氖管一端接触带电体，另一端接地，若氖管的辉光发生在接地端的电极，则表明带电体带正电荷；反之，若氖管的辉光发生在靠近带电体一端的电极，则表明带电体带负电。这样，通过观察辉光在氖管中出现的位置，就能准确地检验带电体上电荷的电性。

　　为了使用时简便、安全，可把短氖管固定在长约40厘米的胶水棒上，并在短氖管的另一端焊接一段长2～3厘米的硬导线作为尖端，如图3－4所示。使用时，用手握棒，使其尖端接触带电体，根据氖管发光的位置就可判断带电体的电性。



　　为什么由氖管中辉光的位置就能确定带电体上电荷的正负呢？这是由氖管的辉光放电特性决定的。



　　长氖管在标准发光时，从阴极到阳极空间依次是：1．阿斯顿暗区、2．阴极光层、3．阴极暗区、4．负辉区、5．法拉第暗区、6．正柱区、7．阳极暗区、8．阳极光层。如图3－5所示。由气体辉光放电原理可知，在外加电压不变的情况下，当长氖管的两极逐渐靠近时，阳极光层先消失，接着是正柱区缩短以致消失，然后法拉第暗区也缩短、消失，最后负辉区的长度也随着缩短，但靠阴极一端的负辉区的明显界线位置不变。当阳极与这个清楚的界线非常接近时，一般情况下，辉光放电就停止了。但是，如果外加电压很高，辉光放电仍可进行，这时就只能观察到阴极的橙色光层，这就是所谓的阻滞放电。在静电实验中电压较高，短氖管两极又靠得很近，氖管中的辉光放电就是阻滞放电情况，看到的电辉就是阴极光层，它在阴极表面，即氖管电势较低的一端。因此用短氖管检验带电体时，若辉光出现在靠近带电体一端的电极，说明带电体的电势低于地电位，带电体带负电；反之，说明带电体带正电。这样，通过观察短氖管中辉光出现的位置，就能很快地确定出带电体上电荷的正负。

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非门

图10－15甲是非逻辑一例。开关A闭合时，灯灭，开关A断开，灯反而亮。非逻辑可以概括为：当条件A出现时，事件不发生；条件A不出现时，事件反而发生。图10－15乙是由三极管组成的非门电路。当与基极相连的A端输入足够高的电势时，三极管饱和导通，集电极输出端Y为低电势（三极管饱和压降约0．3伏）。当A端输入为低电势时，三极管截止（可视为开路），Y处于高电势。图10－15乙中，基极经R2接－12伏，是为了保证A为低电势时三极管能可靠地截止；集电极经RC接＋12伏、经二极管接＋2．5伏，目的是使输出的高电势为3．2伏：三极管截止时二极管导通，Y点电势等于2．5伏加二极管正向压降0．7伏。图丙是非门的图形符号，图丁是曾用过的图形符号。

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避雷针为什么会有避雷作用？



王宗田



　　所谓雷电现象，就是空中云层积累的电荷达到颇大数量时，它与附近的带电云层或物体间产生很大的电势差，形成很强的电场，两部分异性电荷突破周围空气的阻碍去中和，发生强烈放电，这时在电通过的路径上发出声和光，就是雷电。雷电通常发生在不同的云块之间，或云的下部与地面物之间。我们要避免的只是云和地或地上物之间的雷电。如果这块云的上部带正电，下部带负电，则地面上感应出来的电是正电，此时地面上的凸出物（房屋、树或人体）就有可能与云中电荷发生放电现象，遭到雷击的灾祸。

　　装置避雷针是避免雷击的有效方法。在房屋最高处竖一金属棒，棒下端连一条足够粗的铜线，铜线下端连一块金属板埋入地下深处潮湿处。金属棒的上端须是一个尖头或分叉为几个尖头。有了这样的装置，当空中有带电的云时。避雷针的尖端因静电感应就集中了异种电荷，发生尖端放电，与云内的电相中和，避免发生激烈的雷电、这就是避雷针能避雷的一方面。但这种作用颇慢，如果云中积电很快，或一块带有大量电荷的云突然飞来，有时来不及按上述方式中和，于是有强烈的放电，加雷电仍会发生。但这时由于避雷针高过周围物体，它的尖端又集中了与云中电异号的电荷，如果雷电是在云和地面物之间发生，放电电流主要通过避雷针流入大地，因此，不会打在房屋或附近人的身上，只会打在避雷针上了。由此可见，避雷针的尖端放电作用会减少地面物与云之间打雷的可能性；到了不可避免时，它自己就负担了雷的打击，房屋与人得到了安全。

　　由于避雷针的构造和作用，我们要特别注意保持避雷针的良好导电性。一旦有一处联接不好，或断了，断口以上的一段就成为一个隔离的导电系统。当云中有电荷时，这隔出的部分上部感应出与云中电异号的电荷，而下部感应出与云中电同号的电荷，如果上部和云中电起放电作用时，强大的放电电流只能通过建筑物放出大量热量，于是引起雷击。这样不但不能避雷，反而还招来雷祸。为防意外，高大建筑物最好竖起几条避雷针。另外，每一又避雷针只能保护一定的建筑面积。对于较大的建筑物也需要竖起几条避雷针。