雅各布天梯

在2万伏高压下，两电极最近处（越0.5厘米）的空气首先被击穿，产生电弧放电，空气流动加上电动力的驱使，使电弧上升。随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大，维持空气电离所需的电压更高、能量更大时，电弧就会自行熄灭。

1. 用形象的方法显现雅各布天梯周围的空气流动状况，以此来显现电弧加热空气，热空气上升如何推动电弧上升。
2. 衡量热空气和电动力在推动电弧上升过程中所起到的作用。

1. 空气染色
2. 粉尘颗粒
3. 纹影摄影

空气染色法 污染空气；

粉尘颗粒法 在较为密闭的空间中雅各布天梯产生的电弧易引起爆炸；

纹影摄影法 观察空气较为间接只能在镜子中观察到。

综合以上考虑选择纹影摄影观察空气流动。

图1.纹影原理示意图

点光源发出的光通过前面透镜变成平行光透过样品室并透过后面的透镜重新汇集到一点。但由于样品室中样品由于流动导致各点密度分布不均匀，透过后面透镜的光不会全部汇集到一点。在后方透镜焦点处放置一光阑，可使得样品室中密度的变化通过进入相机光的强弱来反应

图2.最基本纹影装置

优点：透过样品室的光线为直线，可以做成便携装置。

缺点：观察点位于焦点处，无法看清原本图像。（在本实验中可以看清空气流动但无法同时看清雅各布天梯）

图3.改进纹影装置

优点：可以在镜子中看到纹影像，在镜子前看到原本的像。

缺点：非平行光，镜子中像的移动不能真实反应空气流动（会有一定放大效果），无法做成便携装置。

　　手电筒　　　　 手机光源　　　　　白色led灯　红色led灯　　　　　

图4.光源电路示意图

图5.光源颜色区域示意图

图6.实验中所用光刀

图7.相机结构示意图

亚克力镜 凹面镜 反射式天文望远镜主镜　　　　　　

电弧是如何产生的？

参考 Paschen‘s law （wiki）、Townsend discharge（wiki）

图8.雅各布天梯周围电场分布示意图

在最下端处间距约0.5cm处加2万伏高压，电场强度为

电子在此电场下加速约平均自由程的距离，此时若电子动能大于空气中氮气分子的第一电离能，可电子加速后撞击氮气分子会再次电离出电子，从而引起链式反应造成空气在高压下导电，雪崩效应会导致大量的电子像阳极快速移动，留下一团缓慢向阴极移动的正离子云。

最终雪崩产生的大多数正离子会到达阴极表面，在表面重新结合，在某些情况下会释放出一个电子。当维持平衡时，放电可自我维持。（对于Fe阴极上的Ne，大约每45个离子中就有一个产生一个电子。然而，如果电子雪崩产生超过45个电子，那么就会有足够的正离子来取代原先离开阴极(或从其他地方进来)的电子。）

利用Paschen‘s law可以计算出2万伏最大可击穿距离约为

利用tracker追踪电弧上升轨迹和镜子中热空气上升轨迹，可得到以下图像。

图9.热空气与电弧上升情况

从以上图像可以看到除去最后一次外，电弧上升和热空气上升基本相吻合。最后一次热空气仍和之前一样上升但电弧却没有和热空气以相同的规律上升而是缓慢上升。

从视频中可以看到电弧最多上升到热空气处，用电吹风从一旁去掉热空气后电弧不再上升。

实验现象：

1. 电弧弯曲方向由热空气决定，向热空气上升的地方突起
2. 装置正着放时，电弧上升
3. 装置倒着放时，电弧仍然上升
4. 装置斜着放时，电弧上升到一定距离保持不变，电弧与上方电极接触处一条电弧会分裂为多条电弧与电极接触

结论：电弧只会向着热空气上升的方向上升，即使装置倒过来也如此。

电磁力由来

图10.电磁力示意图

羊角电极上的电流产生的磁场使得电弧上升

利用弱磁场探测器探测雅各布天梯电流产生磁场大小为,远远小于地磁场大小，故此次实验中主要考虑地磁场对装置的影响。

将装置分别朝南和朝北放置，测量电弧上升得如下图像（其中绿线为装置正面向南所得电弧上升位移时间图像，红线为装置正面向北所得电弧上升位移时间图像）由于热空气扰动使得图线有一定展宽。

由此可见地磁场位置的不同对电弧上升的快慢有一定的影响，但热空气上升仍是电弧呈现上升趋势的主要因素，磁场只影响电弧上升快慢。