中国科技馆展厅中的“高压放电”展区分为表演区和观看区(看台)。为了保证安全,表演区的设备安装在一个巨大的扇形屏蔽笼内,表演项目包括:雅各布电梯放电、沿面放电、高频高压长间隙放电、手指放电和环状放电。
第一项表演:雅各布电梯放电
在屏蔽笼内试验区下方并排竖立着两根很高的金属杆状电极,这两根电极的形状下窄上宽,顶部呈羊角形。一个电极接到高压上,当电压升到2~3万伏时,两电极下端距离最近处首先拉出电弧,电弧在气流和电磁力作用下沿电极向上爬升,随着电极距离的增大,电弧也随之拉长。电弧拉长到一定限度时将会消失,下面电极最近处又会产生新的电弧并重复以上过程。
出现这种放电现象的原因是当两电极间电压升高时,在电极最近处空气中的正负离子被电场加速,在移动的过程中与其它空气分子碰撞产生新的离子,这种离子大量增加的现象称为“电离”。空气被电离的同时,温度随之急剧上升产生电弧,这种放电称为弧光放电。弧光放电一般不需要很高的电压,属于低电压大电流放电。
在19世纪,人们还不了解弧光放电的原理,把这种放电产生的火焰看成是“圣火”。希腊神话故事中有一个叫做雅各布的人做梦沿着登天的梯子取得了圣火。而这项表演的电弧沿着梯形电极向上运动,所以取名为雅各布电梯。雅各布电梯表演形象地说明了弧光放电产生的条件是小间隙和大电流,如果增加间隙或减小电流,电弧将会消失。
弧光放电现象在电力系统和日常生活中也常常见到,最常见的弧光放电是电弧焊接和老式电影放映机的光源。
第二项表演:沿面放电
沿面放电是沿着固体介质表面的放电现象。
在高压屏蔽笼内左上方空中悬挂着一块正方形的玻璃板,在玻璃板的两侧有两个圆形电极,一个电极接到高压上,另一个接地。当电极间的电压升到2~3万伏时,可以看到圆形电极附近出现蓝色光晕,称为电晕放电;电压继续升高到5~6万伏,蓝光也随之增强,称为辉光放电;当电压升高到7~8万伏时,在玻璃板表面上将会出现树枝状的放电现象,这种放电称为滑闪放电;电压继续升高到9~10万伏时,沿玻璃板表面出现弧光放电。
为什么会出现这种放电现象呢?这是因为:玻璃板是固体绝缘介质,绝缘性能很好,虽然很薄,但不会被击穿。在强电场的作用下,玻璃表面的空气被击穿形成放电通道,出现“绕”过玻璃板放电的现象。
在高压输变电系统中,由于灰尘和雨水,绝缘子表面的绝缘强度往往比内部低得多,沿面放电是造成绝缘子破坏的主要原因。为了避免沿面放电的发生,高压绝缘子往往设计成多级环状结构,以增加表面长度。另外,人们发现,遭雷击破坏的建筑物或被伤害的人及牲畜,电伤的痕迹也大多分布在表面上。为了防止沿面放电的危害,人们正在对这种放电现象进行深入的试验研究。
第三项表演:高频高压长间隙放电
在试验区的中央有一个头顶大圆盘的圆柱形设备,称为高频高压发生器。它的发明人是美国著名发明家泰斯拉,这个设备也称为泰斯拉变压器,这种变压器的放电称为泰斯拉放电。高频放电与工频、直流或中击高压放电有着不同的特点。由于它的频率比较高,约100kHz,在同等电压牙口放电间隙情况下,高频放电电流要大于直流和工频,因此放电火花比较明亮。这里表演的泰斯拉放电,电压约有100万伏,比起工频变压器、直流高压发生器,体积小、重量轻、结构设计新颖、合理,能够连续放电。它的放电现象犹如雷电放电,而其连续性又优于雷电放电。
泰斯拉变压器顶部有一个圆盘形电极,称为均压环。当均压环上的两个电极向接地电极放电,放出连续的蓝色火光。电压足够高时,可以击穿l~2米的空气间隙发出白色的光带,恰似雷电一般。雷电就是最常见的高频高压放电,不过电压要高得多,可达到几千亿伏以上。
第四项表演:手指放电
吊绳开关徐徐下降将泰斯拉变压器与试验用的模特的手连接起来,启动泰斯拉变压器,泰斯拉的高压将使穿着高压防护服的模特手指发出长长的亮光。如果是真人也可以做这项试验,因为电流的绝大部分从防护服通过,人体不会受到伤害。
第五项表演:环状放电
另一个吊绳开关将泰斯拉变压器与变压器左侧风车状电极连接起来,启动泰斯拉变压器,随着风车电极的旋转,电极在尖端放电的作用下顶尖发出环状的火花。
泰斯拉变压器的放电使大家看到了空气长间隙的放电现象。泰斯拉高频高压发生器不仅用于绝缘的试验,还用于无线电、电视机、胶片工业及其他电子设备中。