雅各布天梯

雅各布天梯

Jacob's Ladder

希腊神话中，有个名叫雅各布的人做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”。后人便把这梦想中的梯子，称为雅各布天梯。物理中的雅各布天梯实验展示了电弧放电（arcdischarge）现象。两个电极之间的电压达到一定值时，极间空气被击穿，两极导通产生明亮的弧光柱和电极斑点，并伴有几千至上万摄氏度的高温，此即电弧放电。

实验装置

高压发生器、管状羊角电极、透明罩。

图1　雅各布天梯演示实验装置和结构示意图

现象观察

按住开关K约10秒，注意观察电弧的产生和结束的位置，以及电弧的运动特点。休息10秒后可以再次按开关，但按开关时间不要过长，以免产生太多臭氧，污染实验室内的空气。实验时，手应远离电极，以免电击。

现象解密

该实验中高压发生器提供数十万伏的高压给两根管状羊角电极，羊角电极间距最小处（即下端）负极表面的电子在电场的作用下首先被拉出负极表面而形成自由电子。在强电场作用下，自由电子向阳极加速运动，动能越来越大，在途中不断地与空气中的中性分子或原子发生碰撞，使束缚在它们原子核外的电子释放出来。新产生的电子和正离子分别向正负极加速运动，它们同样会使碰撞到的中性分子或原子产生电子和正离子。上述过程导致电极间的空气充满电子和离子，具有很大的电导，在外电场作用下，极间空气可能被击穿而形成电弧。电弧的温度很高，空气中的分子在高温下，产生剧烈的无规则运动，相互碰撞又产生新的自由电子和正离子，维持电弧的燃烧。

电弧形成后，由于空气对流加上电动力的驱使，使电弧逐级激荡而起，像一簇簇圣火似地向上爬升，犹如古希腊神话故事中的雅各布天梯，该实验也由此而得名。

在实验中，当电弧被拉长到一定长度时（不同实验设备长度有所不同），电弧通过的电阻较大。此时，电流传送给电弧的能量小于由弧道向周围空气散出的热量，电弧就会自行熄灭。但接着羊角电极底部又会产生新的电弧，形成周而复始的电弧爬梯现象。

应用拓展

焊条电弧焊是工业生产中应用最为广泛的焊接方法，它的基本原理是利用电弧放电所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固的接头。

思考题

1.你能举出几个电弧放电现象在生产和生活中应用的实例吗？

2.电弧形成后，为什么会上升？空气对流是电弧上升的唯一原因吗？

3.上述演示实验中，电弧产生的电压要几万伏，可在电弧焊接机中的电压并不高，有24V、50V、75V的等等，为什么？

4.在雅各布天梯演示实验装置中，如果改变羊角电极的管径和极间距离，请分析会给实验带来哪些影响？