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1、闪电制作马克斯发生器的研究与实现哈尔滨市第三中学校高一十九班物理研究小组闪电制作马克斯发生器的研究与实现黑龙江省 哈尔滨市 第三中学校 高一十九班 指导教师：高洪峰 组员：殷鹏淇、孙何岚风、李宸、刘丁豪、郭浩然、孟令松、张展、姜哲翰、王 雨桐、田硕实 背景在生活中遇到了许多的问题，其实有很大一部分都和物理有关。这给我们创 造了众多的自主探索的好机会，使我们的聪明才智得到发挥。例如，电影中就会有许多蕴含深奥科学的事物。大家应该还记得钢铁侠 这部电影吧，还记得那个“电弧发生器” （如图 1）吗？那诱人的光芒一直吸引着 我，于是我就在网上搜寻这个东西，幸运的是这个“电弧发生器”并不是虚构出 来的事物
2、，而确有其物，叫做“特斯拉线圈” 。而这个“特斯拉线圈”造价比较 昂贵，最低也要几千元，要做一个像样的需要上万，我们实在负担不起，只能另 寻蹊径。不久，我们便又发现了一种装置叫 “马克斯发生器” ，它其实是“特斯拉线 圈”的基础，同样能产生电弧，幸运的是 造价不贵，所以我们果断选择了“马克斯 发生器。 ”（图 1） 原理探究首先，先说一下“电弧” 。电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间 火花。而电弧产生的条件也很简单，如果电路电压不低于 1020 伏，电流不小于 80100mA，电器的触头间便会产生电弧。 换句话说，只要拥有两个放电针和一 个高压电源，就可以实现
3、放电。那为什么还要研究“马克斯发生器”呢？其实“马克斯发生器”就是要在普通条件下创造一个极高的高压条件。利用 空气间隙中的火花作为开关，把电压一层一层叠加起来，通过对并联的电容的充 电，使其积攒一定电压，然后击穿间隙瞬间变成串联，使其电压骤增，放电针两 端产生极高电压，从而放电。用一句话来说， “马克斯发生器”就是要把电压增高，电弧加长。 实验从实验的器材方面来讲，很简单：万用板，陶瓷电容，碳膜电阻，导线，高 压电源即可。工具只用到了电烙铁和铁钳。规格：陶瓷电容（1nF 6.3kW） 、碳膜电阻（1M 10W 500V） 、碳膜电阻（10M） 、 高压直流电源（5000V） 、单孔万用板。电路
4、图：实验地点：黑龙江省图书馆，哈尔滨市第三中学物理实验室。实验步骤：1、将陶瓷电容按照一定距离固定在万用板上。2、将一个电容的两脚焊接上 2 个 1M 电阻。 （用电烙铁焊接）3、继续上个步骤，将其余的一并焊接上。4、把留出来的电容的“脚”弯曲成 V 字形，分别在中间留 2mm 间隙，此为火 花开关。5、在这个长条的一端焊接一个 10M 的电阻，另一端引出导线，与之前的放电 针相距一段距离。6、接上高压直流电源。 实验时遇到的问题与解决1、对于万用板的选择与使用。万用板分为两种，一种为有连孔，即板上的孔每三个是连一起的，另一个是 单孔万用板，无连孔。选择时，考虑到连孔万用板对连接电路准确程度要
5、求较高，如有失误则当即 短路，所以选择的是单孔万用板。2、焊接技术焊接对于我们来说是完全陌生的，通过大家研究讨论，得出用电烙铁加热熔 化焊锡，从而用焊锡来固定器材的方法。试验成功，成功掌握焊接技术！3、放电第一次放电时，并没有任何效果，无火花，却有电压。第二次放电时，果断 增加电压，进行发电，效果一般。 拓展研究特斯拉线圈：特斯拉线圈（ Tesla Coil）是一种使用共振原理运作的变压器（共振变压器） ，由 美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉 特斯拉在 1891 年发明，主要用来生产超高电压但低电 流、高频率的交流电力。特斯拉线圈由两组（有时用三组）偶合的共振电路组成。特斯拉 线圈难以界定，尼古拉
6、特斯拉试行了大量的各种线圈的配置。特斯拉利用这些线圈进 行创新实验，如电气照明，荧光光谱， X 射线，高频率的交流电流现象，电疗和无线电 力，以便进行电力传输。电源要先给主电容充电，当电压达到打火器的放电阀值时，打火器间隙的空气电离打 火，近似导通，建立初级谐振回路，通过振荡向次级回路传递能量。次级回路随之振荡， 接收能量，放电顶罩的电压逐渐增 ，并电离附近的空气，寻找放电路径，一旦与地 面形成通路 ， 闪电也就出现了，如果没有 闪电 ，几个(次数主要与耦合系数有 关)周波后，初级回路能量释放完毕。较大部分的能量都转移到次级回路上，一部分能量 损耗在回路上。次级回路继续振荡，并反客为主，带动初级回路振荡，以相同的方式把刚 才得到的能量还给初级回路。但又一部分能量损耗在回路上，如此反复（见原理演示图）， 直到损耗掉大部分能量。打火器两端电压和电流都不足后，打火器等效断开，由外部电源 继续给主电容充电。充电过程要比放电过程长得多，大概在310 毫秒左右。所以特斯 拉线圈放电频度都在每秒 100 次以上，也使肉眼看上去为连续放电效果 。
