浅析雅各布天梯演示实验
不得不说，电磁学部分的演示实验极为精彩，现象很美妙，但其内在的原理却大都可以由我们平时所学的知识解释。其中的雅各布天梯引起了我的兴趣，圣经中有这样一个故事：雅各布梦见天使上下天堂的梯子是闪闪发光的，后人便把这梦想中的梯子，称之为雅各布天梯。在此对其中的原理做简单的分析。实验时，打开电源开关，可看到高压弧光放电沿着“天梯”向上“爬”，同时听到放电时的滋滋声，直到上移的弧光消失，天梯底部将再次产生弧光放电，如此周而复始。无论是在稀薄气体、金属蒸汽或大气中，当回路中电流的功率较大时，能够提供足够大的电流，使气体击穿，伴随有强烈的光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。电弧是空气中的原子核外电子从激发态跃迁回基态时，多余的能量以光子的形式放出。给存在一定距离的两电极之间加上高压，若两电极间的电场达到空气的击穿电场时，两电极间的空气将被击穿，并产生大规模的放电，形成气体的弧光放电。雅格布天梯中的两电极构成为一梯形，两极间电压有几万伏，下端间距小，因而场强大。其下端的空气最先被击穿，产生大量的正负离子，同时产生光和热，即电弧放电。由于电弧加热，空气的温度升高，空气就越易被电离击穿场强就下降，并随着离子热空气的上升，其上部的空气也被击穿放电，结果弧光区逐渐上移，犹如爬梯子一般的壮观。当弧光区上升至一定的高度时，由于两电极间距过大，两极间场强太小，不足以击穿空气，电极提供的能量不足以补充声、光、热等能量损耗，弧光因而熄灭。此时高压再次将电极底部的空气击穿，发生第二轮电弧放电，如此周而复始，形成实验中的现象。注意到实验中总是仅有一个电弧，放电弧光没有出现在两处或多处，是因为高压放电时候正负极各有一个势点，两个势点聚集正负电荷，到一定程度就会击穿空气，产生放电现象，在放电之前，电荷只会向各自的尖端聚集，生电弧后，就是一个导体了，电荷直接在导体中移动，所以只会有一个电弧。自然界的闪电也是电弧放电，与上面所说的弧光放电非常相似，只不过闪电是转瞬即逝，而电极之间的火花却可以长时间存在。因为在两根电极之间的高电
f压可以人为地维持很久，而雷雨云中的电荷经放电后很难马上补充。当聚集的电荷达到一定的数量时，在云内不同部位之间或者云与地面之间就形成了很强的电场。电场强度平均可以达到几千伏特厘米，局部区域可以高达1万伏特r