內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市阿魯科爾沁旗天山一中(025550) 馬潤(rùn)生

感應(yīng)起電機(jī)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)有強(qiáng)烈的電火花冒出,實(shí)驗(yàn)者用手觸摸有刺痛感。這一現(xiàn)象引起了筆者的思考,這種起電會(huì)不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者的安全有影響,能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量分析這種影響的強(qiáng)度。

1 感應(yīng)起電器工作原理及其研究

首先,我們需要明確感應(yīng)起電機(jī)的起電原理。感應(yīng)起電器通過(guò)兩個(gè)靠近的圓盤(pán)上圓心處固定電刷與圓盤(pán)上呈中心對(duì)稱(chēng)的多個(gè)鋁片的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦而起電,起電后電荷將被導(dǎo)入至兩側(cè)的萊頓瓶中,兩小球中會(huì)因此感應(yīng)出頓性相反的電荷,兩小球相互靠近時(shí)即放電。感應(yīng)起電器實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)起電器實(shí)物圖

當(dāng)筆者用手接觸感應(yīng)起電器的小球時(shí),一瞬間手指刺痛感很強(qiáng),而且刺痛感跟搖柄的轉(zhuǎn)速及手與小球之間的距離有關(guān)。很明顯,這是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程?，F(xiàn)在要探究的是,這個(gè)瞬時(shí)過(guò)程有多長(zhǎng),瞬時(shí)最大電壓的大小,這個(gè)過(guò)程的能量水平的高低,對(duì)人體安全性的影響如何。

探究過(guò)程從暫態(tài)開(kāi)始著手。暫態(tài)指電路從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)由于某種作用,經(jīng)由一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)進(jìn)入到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),這個(gè)過(guò)渡狀態(tài)就稱(chēng)為暫態(tài)。盡管感應(yīng)起電的放電過(guò)程并不是完整的穩(wěn)態(tài)變化,但我們對(duì)于暫態(tài)研究得到的結(jié)論可以用于這個(gè)過(guò)程的研究。早在上世紀(jì),鄭州紡織工學(xué)院的路立老師已經(jīng)進(jìn)行過(guò)紡織物靜電放電時(shí)間的實(shí)驗(yàn)探究。2011年,在陜西電力科學(xué)研究院吳健等5位教師發(fā)表的文章中,已將此過(guò)程稱(chēng)為暫態(tài)電擊。關(guān)于這兩個(gè)問(wèn)題,我們將會(huì)在后面的部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

現(xiàn)在先來(lái)解決第一個(gè)問(wèn)題,靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中電壓?jiǎn)栴}的測(cè)算,使用電壓表測(cè)算當(dāng)然是荒謬的,我們可以測(cè)算萊頓瓶能攜帶的最大電荷量以及理論估算萊頓瓶電容來(lái)計(jì)算。

Q由靜電場(chǎng)測(cè)試儀可以測(cè)定,C＝Εs/4πkd,從而測(cè)出電壓U。

然后,我們要測(cè)算出放電時(shí)間,路立老師的研究為我的實(shí)驗(yàn)提供了很好的思路,因?yàn)榭椢锱c感應(yīng)起電器都是孤立放電且起電原理相同,筆者猜想感應(yīng)起電器的放電時(shí)間也滿(mǎn)足:

U0為最大電壓,電壓隨時(shí)間按指數(shù)遞增,x為放電時(shí)間常數(shù)。

最后,來(lái)測(cè)算放電能量水平。筆者注意到,并非直接接觸才會(huì)有觸電感,所以還要測(cè)算人體感應(yīng)起電的電能量水平。U1＝U0/(C1＋C2),由Q＝CU推導(dǎo),

當(dāng)然,必須同樣要測(cè)定直接接觸的放電能量水平,能量水平由能量守恒定律可知。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定暫態(tài)電壓。

實(shí)驗(yàn)儀器:接觸式靜電場(chǎng)測(cè)試儀,9 V,6 F22鎳電池,感應(yīng)起電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)原理;靜電場(chǎng)測(cè)試儀廣泛應(yīng)用于紡織品靜電性能的測(cè)試,精度范圍正負(fù)1 k V,在本實(shí)驗(yàn)中用于測(cè)量萊頓瓶所攜帶的最大電量。

實(shí)驗(yàn)流程:

(1)取下感應(yīng)起電機(jī)上萊頓瓶。

(2)估算來(lái)頓瓶電容C。

(3)使用靜電場(chǎng)測(cè)試儀測(cè)試出電荷量,重復(fù)5次,取最大電荷量Q。

(4)計(jì)算電壓U。

(5)得出電壓U的大約值。(6)記錄數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定暫態(tài)電擊時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)儀器:導(dǎo)線(xiàn)若干,感應(yīng)起電機(jī),示波器,放大器,時(shí)間函數(shù)記錄儀。

實(shí)驗(yàn)原理:孤立電容的放電時(shí)間滿(mǎn)足

U0為最大電壓,電壓隨時(shí)間按指數(shù)遞增,x為放電時(shí)間常數(shù)。

通過(guò)連接(并聯(lián))放大器,示波器,記錄儀與感應(yīng)起電機(jī)。計(jì)算出函數(shù)關(guān)系式。

實(shí)驗(yàn)流程:

(1)用軟皮導(dǎo)線(xiàn)將感應(yīng)起電機(jī)與放大器示波器記錄儀并聯(lián)。

(2)轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)起電機(jī)至放電。

(3)根據(jù)時(shí)間函數(shù)記錄儀圖像得U/2與U之間對(duì)應(yīng)的t2與t1之間差即為感應(yīng)電壓半衰期。

(5)由實(shí)驗(yàn)一測(cè)定的U0帶入到中,且U＝0。

(6)計(jì)算出放電時(shí)間t0。

(7)記錄數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?計(jì)算放電能量水平。

實(shí)驗(yàn)儀器:感應(yīng)起電機(jī)。

實(shí)驗(yàn)流程:

(1)畫(huà)出等效電路圖。

(2)查詢(xún)資料并估算人體電容。

(3)按照公式U1＝U0/(C1＋C2),由Q＝CU推導(dǎo),,計(jì)算出W。

(4)按照W0＝QE計(jì)算出靜電能量,由于此過(guò)程時(shí)間極短,可以將過(guò)程中的放熱完全忽略。由能量守恒定律知靜電能量即為直接接觸時(shí)放電能量水平。

(5)比較W與W0大小,取較大值。

(6)記錄數(shù)據(jù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)四

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定非致命性武器電擊器的能量水平。

實(shí)驗(yàn)原理:無(wú)論是靜電放電還是直流電放電,單位時(shí)間內(nèi)放電能量水平都是衡量對(duì)生物體效應(yīng)的有效標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于直流電擊器,可以通過(guò)W＝UIt計(jì)算放能總和P＝IU計(jì)算單位時(shí)間能量水平。

實(shí)驗(yàn)儀器:電擊器,電壓表,電流表,導(dǎo)線(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)流程:

(1)用導(dǎo)線(xiàn)將電擊器的放電處與電流表,電壓表相連接。

(2)啟動(dòng)電擊器。

(3)測(cè)出放電時(shí)電壓U1電流I1,重復(fù)5次。

(4)取P＝UI,取P最小值。

(5)記錄數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合

利用實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)三測(cè)定的數(shù)據(jù),計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)放電能量水平,并與實(shí)驗(yàn)四所得數(shù)據(jù)比較。接下來(lái)用測(cè)定的靜電放能總和等效為電擊器放電時(shí)間。由電擊器相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知電擊等效時(shí)間為0.8 s會(huì)造成痙攣,肌肉劇烈收縮;超過(guò)1.2 s成大腦不清醒,意識(shí)混亂,失去方向感,不能站立;3 s以上則人體不能做任何動(dòng)作;5 min以上導(dǎo)致人體昏迷。經(jīng)過(guò)計(jì)算,本實(shí)驗(yàn)單位時(shí)間放電等效電擊器電擊時(shí)間約為0.5 s左右。

4 關(guān)于靜電武器的構(gòu)想

既然已經(jīng)得到如上結(jié)論,筆者開(kāi)始構(gòu)想靜電武器的理論可能性。如同實(shí)驗(yàn)證明的那樣,靜電對(duì)人體造成的瞬時(shí)傷害很顯著,但對(duì)人體的機(jī)體損傷卻比直流電擊器小很多。結(jié)合近幾年發(fā)生的各類(lèi)安全事件,可見(jiàn)其向低齡化、群體化發(fā)展。群體性哄搶事件中常規(guī)民用安防電擊器由于只能作用于單個(gè)目標(biāo),效果不佳,而靜電特有的感應(yīng)性使它格外突出。

在前面進(jìn)行的幾次試驗(yàn)中,筆者親身嘗試了瞬時(shí)靜電電擊的效應(yīng),在換算數(shù)據(jù)之后,無(wú)論從能量節(jié)約還是從便利性的角度考慮,靜電武器都是民用安防用具中的佼佼者。以下提出兩個(gè)快速產(chǎn)生靜電的方法。

(1)方法1

利用起電器原理,用高速電動(dòng)機(jī)代替手搖傳動(dòng),在電容器制作時(shí),以氫氧化鈉為正極,活性炭為負(fù)極,制成超大容量電容器,將產(chǎn)生的電荷貯存以備急用。

(2)方法2

當(dāng)電動(dòng)機(jī)除濕后,向帶有正負(fù)電荷的兩極板上用高壓噴嘴噴高速油滴,使兩極板帶電,快速將電荷傳導(dǎo)至電容器。

以上兩種方法,方法一可行性更強(qiáng),有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)正在進(jìn)行。高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000 r/s以上,而超大容量的電容器滿(mǎn)足了對(duì)快速充電防電的需求。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),此種靜電武器是完全可行的。