跨步电压演示装置再改进

黄卫良

摘 要：本文针对以往一些跨步电压演示装置的缺点进行了改进，模拟假人采用电平检测模块制作，具有微安级电流检测灵敏度，仿真地面用电阻网络形成稳定跨步电压，能长时间稳定工作，能让学生了解跨步电压及如何避免其危害。

关键词：LM3915; 跨步电压; 电平检测模块; 假人

中图分类号：G633.7              文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）2-012-002

为了让学生理解跨步电压的形成、危害以及自救方法，一些教师自制了跨步电压演示装置，但这些演示装置在教学使用中存在两个缺点。其一，仿真地面的制作比较复杂，需要采用电阻率适合的导电纸，或者用碳粉胶水等材料自己配置[1]。其二，检测跨步电压的假人灵敏度太低，基本都采用几个发光二极管（即LED）串联后连接到假人双脚[2]，如图1所示。假人需要从仿真地面汲取较大的电流（几毫安到几十毫安之间）才能点亮LED并让其亮度发生明显变化，这会对仿真地面内的恒定电流场产生较大的影响。且这类假人无法在真实地面上检测跨步电压，因为实际地面的电阻很大，能提供的电流一般都在微安级别，根本无法点亮LED。

针对以上缺点，笔者分别制作了高灵敏度检测假人和改进型仿真地面，具体介绍如下。

1.高灵敏度检测假人制作

这里采用了音响领域的10段LED电平显示LM3915电路模块，如图2所示。它能检测到低于0.1V的跨步电压，且从仿真地面汲取的检测电流只要几个微安，灵敏度非常高，甚至能直接利用真实的户外地面进行跨步电压实验演示。它还能把检测到的跨步电压等分成为10段强度显示出来，LED亮起的数目越多，表明跨步电压越高。该模块使用非常简单，供电端接3-12V电源，因为静态电流非常低，故可直接采用纽扣电池或干电池供电。模块检测端引出两根导线接假人脚底即可。更难能可贵的是该模块上配有电位器，能直接调节检测灵敏度以适应不同的仿真地面或真实地面。

用亚克力加工一片人形塑料片，在上面钻10个和模块上LED对应的圆孔，确保10个LED穿过圆孔露出來，这样也就把模块固定在亚克力板上了，如图3所示。

为了安装方便，笔者把LM3915模块上的方形LED都换成了圆形LED，且第1-2为绿灯，3-8为黄灯，9-10为红灯，并安装在了电路板的背面。

在亚克力假人的头部，用热熔胶固定一个圆形纽扣电池电池盒，并把电池盒的正负极用导线连接到模块的供电端，如图4所示。该电池盒非常小巧，可放入3粒纽扣电池，给LM3915模块提供4.5V电压，还自带电源开关，使用非常方便。

截取两段金属弯管，把两根导线穿过弯管，一端焊接到模块的电平检测端，另一端焊接到两个香蕉插头上。再用热熔胶把金属弯管固定在亚克力板上。因为金属弯管可以弯折，所以可按需改变假人两脚间的距离。

2.仿真地面制作

切割一块直径为60cm的白色亚克力圆盘作为底板，用5种颜色的塑料贴皮剪成圆环贴在圆盘上如图5所示，其中圆心处为黑色，向外依次是红色、深黄色、浅黄色、绿色，表示电位依次变低。在各色环上钻一些小孔用于安装孔径为4mm的电学插孔，用于插入模拟假人的双脚。

在底板上竖立一根PVC电线管来制作模拟电线杆，电线杆上下垂一段红色导线模拟生活中断裂的电线。该红色导线下垂端焊接一个香蕉插头，并插入仿真地面圆心处插孔，另一段接3V电池盒的正极。

为了在底板上各色环间形成电位差（跨步电压），需要在底板反面的接线柱焊接导线和电阻，如图6所示。其中圆弧a对应底板上的绿色圆环，其接电池盒负极，电位是0V;圆弧b对应底板上的浅黄色圆环，电位是0.2V;圆弧c对应底板上的深黄色圆环，电位是0.6V;圆弧d对应底板上的红色圆环，电位是1.4V;圆弧e对应底板上的黑色区域和圆心处中心孔相连，当圆心处插入下垂电线时，其电位是3.0V。可以发现，越靠近圆心，相邻两色环间的电位差（跨步电压）越大，和生活中的实际跨步电压完全吻合。

3.调试并实验

打开仿真地面的3V电源，打开模拟假人电源，先把假人双脚分别插入最靠近圆心的黑色和红色圆环上的插孔，此时两脚间跨步电压最大。用螺丝刀调节模块上的电位器，直到假人上的红灯亮起，则假人调试完成。

然后把假人慢慢沿半径方面远离圆心（即生活中远离电线与地面的接触点），保持双脚插入对应插孔，可发现亮起的LED灯逐渐变少，表明跨步电压在变小。

如果沿半径方向增加双脚间距，可发现亮起的LED数目变多，表明跨步电压变大。

如果把假人双脚沿垂直半径方向触地，即把假人插在同一个颜色的圆环上，可发现只有绿灯亮，表明跨步电压很小，甚至为零。

如果让假人单脚触地，则无论在何处，都只亮最下方的1个绿灯，表明没有跨步电压经过人体，这是避免跨步电压危害的正确处理方式。

基金项目：本文为苏州市教育科学“十三五”规划重点课题“（191001003）农村高中理科STEM校本课程的建构研究”阶段性成果

参考文献：

[1]龙锋.自制“跨步电压模拟演示仪”[J]实验教学与仪器，2020，37（05）：50-51+57

[2]白秀英，李芳菊，梁凡凡，李晓红.跨步电压模拟演示仪的自制与创新[J]中学物理教学参考，2018，47（Z1）：42-44