自制驗電器的設計及思考

陳飛飛

(西南大學物理學院科學教育研究中心 重慶 400715)

由于電學中靜電演示實驗的敏感性，很多自制驗電器存在著不能長期使用和靈敏性低的問題.本文將介紹一種自制低成本驗電器，效果明顯，妥善保存后能多次重復使用，大大提高了其使用性.

1 自制驗電器的設計

1.1 材料和工具

空玻璃罐(水果罐頭瓶)，電烙鐵，鉆孔器，粗砂紙，8cm長的銅棒，6cm長的細銅絲，膠水，錫箔紙(香煙盒中取，點燃后把紙燒掉剩下一層錫紙)，小刀，剪刀，蠟燭，泡沫塑料塊(厚度大于2cm).

1.2 制作步驟

(1)將玻璃罐清洗干凈，給罐底加熱除去罐內的濕氣，并保持干燥.

(2)用小刀將泡沫塑料塊切成玻璃罐罐口大小，并使各表面光滑.

(3)用粗砂紙將粗1cm，長8cm的銅棒打磨成兩頭和棒身光滑.

(4)用鉆孔器在銅棒一端約0.5cm處鉆出小孔，將打磨光滑的細銅絲穿入并把銅絲在銅棒的兩側彎成對等的三角形，三角形的底邊向下，如圖1.

(5)用電烙鐵焊接三角形頂端與銅棒的連接處，注意焊接處用砂紙打磨光滑.

(6)把錫箔紙用小刀裁成上寬0.3cm，下寬0.6cm，長2.5cm的紙條2根(邊角處用剪刀修剪光滑).折后分別用膠水粘合在兩個細銅絲三角形的底邊上,保證錫箔紙條的上端能繞銅絲轉動，如圖2.

(7)用鉆孔器將泡沫塑料塊中間鉆出小孔，將銅棒從另一端穿進去，并把棒身豎直放進玻璃罐中(銅棒冒出罐口約為2.5cm).

(8)用蠟燭油將泡沫塑料塊和罐口的接觸處密封.

制作完畢的驗電器如圖3.

圖3 制作完畢的驗電器

2 自制驗電器的思考

2.1 實驗設計的相關思考

(1)靜電實驗成功的關鍵取決于絕緣情況，要盡量避免電荷的流失.因此，驗電器表面應清潔干燥，銅棒表面應光潔無銹蝕，實驗臺等都應用絕緣性能良好的材料，如有機玻璃、石蠟、塑料等.

(2)驗電器的重要部位是絕緣塞，所以本驗電器中的泡沫塞厚度大于2cm,并用蠟燭油密封更能比其他簡易驗電器保證絕緣性能[1].

(3)實驗中銅棒的上下端要用砂紙打磨成半橢球狀，并且細銅絲彎成三角形邊緣和錫箔紙的邊緣都要處理光滑.因為，在導體上面電荷密度的大小與表面的曲率有關.導體表面凸出而尖銳的地方曲率較大，電荷的分布比較密集.又由于導體外表面附近空間的場強E與導體表面的面密電荷度σ成正比,即

所以導體尖端附近的場強大，電場特別強，它會導致一個重要的后果，就是尖端放電[2].因為在尖端附近強電場的作用下，空氣中殘留的離子會發生激烈的運動，在激烈的運動過程中它們和空氣分子相碰時，會使空氣分子電離，從而產生大量新的離子，使空氣變得易于導電.空氣中與尖端上電荷異號的離子受到吸引而趨向尖端，最后與尖端上的電荷中和，使尖端上的電荷逐漸消失.而驗電器是為了接受、存儲電荷并使其均勻分布，故在制作中將材料表面處理光滑，能防止尖端放電，便于電荷的傳遞和儲存.

(4)細銅絲彎成的兩個三角形大小和形狀要對等[3]，這是為了接受和存儲等量的電荷，使電荷均勻分布在兩片正對的錫箔紙上，產生更好的實驗效果.

(5)本實驗中錫箔紙的形狀能保證其上端更容易繞銅絲轉動，錫箔紙下端能分布更多的電荷，使實驗中的張角更加明顯.

2.2 實驗說明

(1)實驗中驗電器要保持水平放置.因為驗電器水平放置才能使錫箔紙受到的重力和電荷排斥力達到平衡.

(2)在潮濕的空氣中驗電器效果不明顯是因為潮濕天氣空氣中有大量水蒸氣，它們在溶解了一些空氣中離子，此時空氣就會導電，帶走驗電器上的電荷.

3 結語

本實驗通過加大絕緣塞的厚度和加入蠟燭油密封的兩個處理提高了驗電器的絕緣性能，使其更適于重復使用和長期保存;在制作中對實驗材料的防止尖端放電處理，更保證了電荷的傳遞和儲存，使實驗能順利進行;此外，實驗中對錫箔紙形狀的細節處理能使驗電器更靈敏，產生更好的實驗效果.總之，制作驗電器是一項既要動手也要動腦的活動，它從問題出發，要經歷一系列主客體的互動過程，是一個靈活運用知識和經驗進行主體發揮的過程.由于本實驗的敏感性，制作過程不但要求耐心細致，更要勇于探索和思考.通過制作低成本驗電器，學生的思想和意志得到磨練，知識得到內化和鞏固，實驗動手能力得到提高，科學精神和科學態度得到培養，對學生的全面發展具有一定的實際意義.

參考文獻

1 孟桂成. 驗電器制作與使用的實驗設計. 物理教學探討，2005，23(243)：60

2 趙凱華，陳熙謀. 電磁學(第1版). 北京：高等教育出版社，2003. 47

3 康利民. 談驗電器的保養和維修方法. 教學儀器與實驗，2002，18(3)：32