自制验电器的设计及思考

陈飞飞

(西南大学物理学院科学教育研究中心 重庆 400715)

由于电学中静电演示实验的敏感性，很多自制验电器存在着不能长期使用和灵敏性低的问题.本文将介绍一种自制低成本验电器，效果明显，妥善保存后能多次重复使用，大大提高了其使用性.

1 自制验电器的设计

1.1 材料和工具

空玻璃罐(水果罐头瓶)，电烙铁，钻孔器，粗砂纸，8cm长的铜棒，6cm长的细铜丝，胶水，锡箔纸(香烟盒中取，点燃后把纸烧掉剩下一层锡纸)，小刀，剪刀，蜡烛，泡沫塑料块(厚度大于2cm).

1.2 制作步骤

(1)将玻璃罐清洗干净，给罐底加热除去罐内的湿气，并保持干燥.

(2)用小刀将泡沫塑料块切成玻璃罐罐口大小，并使各表面光滑.

(3)用粗砂纸将粗1cm，长8cm的铜棒打磨成两头和棒身光滑.

(4)用钻孔器在铜棒一端约0.5cm处钻出小孔，将打磨光滑的细铜丝穿入并把铜丝在铜棒的两侧弯成对等的三角形，三角形的底边向下，如图1.

(5)用电烙铁焊接三角形顶端与铜棒的连接处，注意焊接处用砂纸打磨光滑.

(6)把锡箔纸用小刀裁成上宽0.3cm，下宽0.6cm，长2.5cm的纸条2根(边角处用剪刀修剪光滑).折后分别用胶水粘合在两个细铜丝三角形的底边上,保证锡箔纸条的上端能绕铜丝转动，如图2.

(7)用钻孔器将泡沫塑料块中间钻出小孔，将铜棒从另一端穿进去，并把棒身竖直放进玻璃罐中(铜棒冒出罐口约为2.5cm).

(8)用蜡烛油将泡沫塑料块和罐口的接触处密封.

制作完毕的验电器如图3.

图3 制作完毕的验电器

2 自制验电器的思考

2.1 实验设计的相关思考

(1)静电实验成功的关键取决于绝缘情况，要尽量避免电荷的流失.因此，验电器表面应清洁干燥，铜棒表面应光洁无锈蚀，实验台等都应用绝缘性能良好的材料，如有机玻璃、石蜡、塑料等.

(2)验电器的重要部位是绝缘塞，所以本验电器中的泡沫塞厚度大于2cm,并用蜡烛油密封更能比其他简易验电器保证绝缘性能[1].

(3)实验中铜棒的上下端要用砂纸打磨成半椭球状，并且细铜丝弯成三角形边缘和锡箔纸的边缘都要处理光滑.因为，在导体上面电荷密度的大小与表面的曲率有关.导体表面凸出而尖锐的地方曲率较大，电荷的分布比较密集.又由于导体外表面附近空间的场强E与导体表面的面密电荷度σ成正比,即

所以导体尖端附近的场强大，电场特别强，它会导致一个重要的后果，就是尖端放电[2].因为在尖端附近强电场的作用下，空气中残留的离子会发生激烈的运动，在激烈的运动过程中它们和空气分子相碰时，会使空气分子电离，从而产生大量新的离子，使空气变得易于导电.空气中与尖端上电荷异号的离子受到吸引而趋向尖端，最后与尖端上的电荷中和，使尖端上的电荷逐渐消失.而验电器是为了接受、存储电荷并使其均匀分布，故在制作中将材料表面处理光滑，能防止尖端放电，便于电荷的传递和储存.

(4)细铜丝弯成的两个三角形大小和形状要对等[3]，这是为了接受和存储等量的电荷，使电荷均匀分布在两片正对的锡箔纸上，产生更好的实验效果.

(5)本实验中锡箔纸的形状能保证其上端更容易绕铜丝转动，锡箔纸下端能分布更多的电荷，使实验中的张角更加明显.

2.2 实验说明

(1)实验中验电器要保持水平放置.因为验电器水平放置才能使锡箔纸受到的重力和电荷排斥力达到平衡.

(2)在潮湿的空气中验电器效果不明显是因为潮湿天气空气中有大量水蒸气，它们在溶解了一些空气中离子，此时空气就会导电，带走验电器上的电荷.

3 结语

本实验通过加大绝缘塞的厚度和加入蜡烛油密封的两个处理提高了验电器的绝缘性能，使其更适于重复使用和长期保存;在制作中对实验材料的防止尖端放电处理，更保证了电荷的传递和储存，使实验能顺利进行;此外，实验中对锡箔纸形状的细节处理能使验电器更灵敏，产生更好的实验效果.总之，制作验电器是一项既要动手也要动脑的活动，它从问题出发，要经历一系列主客体的互动过程，是一个灵活运用知识和经验进行主体发挥的过程.由于本实验的敏感性，制作过程不但要求耐心细致，更要勇于探索和思考.通过制作低成本验电器，学生的思想和意志得到磨练，知识得到内化和巩固，实验动手能力得到提高，科学精神和科学态度得到培养，对学生的全面发展具有一定的实际意义.

参考文献

1 孟桂成. 验电器制作与使用的实验设计. 物理教学探讨，2005，23(243)：60

2 赵凯华，陈熙谋. 电磁学(第1版). 北京：高等教育出版社，2003. 47

3 康利民. 谈验电器的保养和维修方法. 教学仪器与实验，2002，18(3)：32