回首頁中興大學物理系
實驗演示/ 實驗原理/ 問題思考/ 相關連結

    凡得瓦球

正常人都害怕被電,而你有想過當電荷充滿全身時會是什麼感覺嗎?


實驗演示


演示影片1(實驗演示影片)


演示影片2(實驗演示影片)



實驗原理


凡得瓦爾球是一種很受歡迎且有用的高電壓靜電產生器。在圓柱型的絕緣支架上頂著一個金屬空心圓球,支架裡面有一圈由馬達驅動的橡皮帶,它轉動時會觸碰到下方一組梳狀物,藉摩擦產生靜電。橡皮帶上的電子隨著轉動上升進入空洞的金屬圓球內部,因圓球頂的內表面上連結一支金屬針,於是橡皮帶上的電子就被金屬針吸走。然而電荷之間會互相排斥,所以電子便移動到球殼的外表面上。於是球殼的內表面維持著未充電狀態,因此能夠繼續接受更多自橡皮帶運送上來的電子。這個連續性的過程可以使電荷建立起非常高的電壓,可達到25萬伏特以上。且圓球的半徑越大,球上的電壓就可以繼續提高。

問題一:影片中的背影女為何可摸著這麼高電壓的靜電球卻一點事也沒有?她的頭髮為何都飄起來了?

問題二:影片中的眼鏡女試圖以手指去碰觸背影女,卻聽到""的一聲,兩人觸電了!

解答

一開始背影女站在一保麗龍板上,並用手按著金屬球,接著才開始充電,整個過程中背影女的手不曾離開過金屬球,這代表背影女與凡得瓦爾球始終維持著等電位的關係,既無電位差,當然就不會遭到電擊。但此時若有一站在地面上的人用手指與背影女接觸,就會造成一條電流的通道,會將背影女體內累積之靜電荷藉由站在地面上的人導出,因此兩人都會有觸電的感覺。

雖然凡得瓦爾球的電壓很高,但是由於摩擦起電的電荷量極小,故不會引起較大的持續電流。人體組織(尤其是心臟)最怕的是「持續大電流」通過,以電流0.07安培而言,只要持續通過人體超過1秒鐘,就有致命的危險!所以囉,在電量極小的情況下,以手指靠近凡得瓦爾球只會有點麻電的感覺!

再者,由於人的身體可導電,所以當啟動凡得瓦爾球時,電荷便傳到背影女的身體上。而因為頭髮上的電荷互相排斥,頭髮便豎立起來。因此在野外時若發現頭髮出現這種情形,要趕緊離開並找躲避的房屋,因為閃電就要產生了喔!

問題三:如果眼鏡女不是用手指而是用整隻手掌與背影女接觸的話,還會有觸電的感覺嗎?

解答:

答案是不會!這是尖端放電的原理。

一般而言,空氣是不會導電的,但在強電場作用下,物體表面曲率大的地方(如尖銳、細小物的頂端),等電位面密,電場強度劇增,當電場強度到達約3×106 V/m時,空氣分子就會產生電離的現象,產生帶負電的電子和帶正電的正離子,此時空氣中就有自由移動的電荷。所以,電離後的空氣就可以導電了,並使得空氣中離子加速運動,進而撞擊空氣分子,使得更多空氣分子電離,於是產生了尖端放電現象。

問題四:圓柱筒內的錫箔球為何會上下激烈地跳動著?

解答:


 

此圓柱形容器之兩端是由金屬所構成的,因此當放在圓球表面上一起充電時,電荷可以傳送到容器下端的金屬盤,進而傳送到錫箔球上,所以會有一向上的電荷排斥力作用在錫箔球上(如圖中之右球)。當靜電排斥力>重力時,錫箔球就會開始向上移動。因容器頂連接一尖狀物,故當錫箔球向上碰觸到金屬盤時,便可將錫箔球所帶的電荷傳導至空氣中,錫箔球失去電荷就向下運動( 如圖b中左球)。如此周而復始,我們就會看到錫箔球一直上下激烈地跳動著。

更多詳情請見 物理觀念通-電位

問題思考


1.當一個不帶電的金屬小球移近凡得瓦爾球時會被吸引,你知道原因嗎?

2.凡得瓦爾球可以用來產生電風使「風車」旋轉,你知道為什麼嗎?

3.拿一根日光燈管靠近凡得瓦爾球,日光燈會像電影「星際大戰」中「絕地武士」所持的「光劍」般發亮,你知道原因嗎?

相關連結


高空會放電