“鸟笼”演示静电屏蔽 实验报告

实验背景：

法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，他并未受到任何影响。在使用大的法拉第笼时，金属笼上接高压电，外部接地导体接触笼壁时可以观察到电火花，而笼内的人没有感觉；用小型法拉第笼（鸟笼）实验时，可以观察到通电鸟笼外部的纸条飘起，而内部的纸条并没有明显变化。

实验原理：

本实验运用了静电屏蔽原理：导体的外壳对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响。

因为在电场中，电子会因电场力而运动。而在静电平衡状态中的导体内部电场处处为0.由此可知处于静电平衡的导体，其净电荷只能分布在导体外表面。这样，导体外表面对其内部起到保护作用，使其不受电场影响。因此，在大型法拉第笼通电时，电荷分布在笼子的外表面，用接地导体触碰时可以看到电火花，而内部的人没有感到电流存在；小笼的外部布满电荷，纸条因带电而飘起，内部的纸条却没有此现象。

实验应用

1. 电工穿的均压服，就是在衣服中编织入金属丝，将人和衣服看成同一物体，则金属

丝就相当于导体的外壳，在工人进行高压带电作业时，对人体起到保护作用。

2. 有些电子仪器的工作条件要求非常高，要杜绝外部电场影响，就可以将其放入法拉

第笼中对其进行电场屏蔽，消除外部电场对其影响。

3. 在一些高磁场、高电场环境中工作的人，为了保证身体健康，可以穿编入金属丝的

衣服，以减轻环境中的电磁场对身体影响。

 

第二篇：物理实验演示报告

物理演示实验原理

一、电磁炮

   在参观的演示实验中，电磁炮给我的印象最深，将小圆柱放入填弹口，按下开关，小圆柱就会以很高的速度射出，砸在墙壁上并发出“啪”的声音以反映速度。

   参观的电磁炮真正的运用是在军事上，它是利用电磁发射技术制成的一种动能杀伤武器．它利用电磁系统中电磁场的作用力，大大地提高弹丸的速度和射程．

   电磁炮主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的装置。目前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机，其中单极发电机是近期内最有前途的能源。加速器是把电磁能量转换成炮弹动能，使炮弹达到高速的装置，主要有：使用低压直流单极发电机供电的轨道炮加速器和离散或连续线圈结构的同轴同步加速器两大类。开关是接通能源和加速器的装置，能在几毫秒之内把兆安级电流引进加速器中。演示用的电磁炮的加速器应该就是环绕弹道的磁线圈。

二、电磁炮实验原理：

电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现了法拉第电磁感应定律。根据这一定律人们发明了发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。 一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。

电磁炮分类为线圈炮（交流同轴线圈炮）、轨道炮、电热炮、重接炮四种。

其中线圈炮是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成．根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的．加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流．感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去．

轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出．

演示实验用的电磁炮是线圈炮，也就是交流同轴线圈炮。

三、技术问题

将这一理论上的可能变为实际，还需要解决以下几个问题：首先，那台实验电磁炮的加速度太大，人无法承受。这个问题只有一个解决方法，那就是延长加速时间。然而这必须以采用更长的轨道为代价。由于人体只能承受大约3倍重力加速度的长时间加速，满足人体耐受能力的电磁炮所需的轨道长度(经计算，为达到第一宇宙速度，约需1000千米！)在技术上难以实现。 第二，如果把电磁炮水平安装在地面上，飞出炮口后的炮弹仍然会在大气阻力下很快减速，难以顺利达到环绕地球轨道，为此，用于航天发射的电磁炮必须将出口设置在空气稀薄的高山之巅。 第三，目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大，这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比，要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术，但超导磁体需要冷却到很低温度(如液氦温度，约-269°C)才能发挥作用，这对于军事应用是个问题，因为会大大降低发射装置的灵活性，但作为固定使用的航天发射装置，基本上可以不必考虑这些，而且如果高温超导强磁体能够研制成功，对低温条件的要求也可放宽。

关于电磁炮的第四个技术问题和第三个相关，因为在磁场不够强的情况下，要想提高加速能力就只能让炮弹通过足够大的电流。于是就产生了大电流发热和炮身烧蚀等麻烦。幸好这些麻烦对于航天发射不太重要，因为作为武器的电磁炮得严格限制长度，而作为发射工具，几千米甚至十几千米的炮身并不算问题，只是对建设施工时的作业精度要求较高罢了。此外，延长轨道也可使炮弹承受的加速度降低。经过计算，用5千米长的轨道使炮弹由静止加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，这已经比普通迫击炮发射时的加速度还小了，可人显然还是无法忍受，而长1000千米的加速轨道在地球上几乎无法建造，因此用电磁炮发射人的想法还是放弃算了。最后，有人觉得建造公里级长度，配备强磁场的加速轨道可能会有技术困难，但这只是不了解人类现有技术水平的臆测，实际上为数众多的粒子加速器、对撞机等多半具有几千米，甚至几十千米长的加速和聚能环。而且它们除了对环道施工的精度要求极高外，各转弯和控制点等处也均需要设置强磁场。换句话说，在建造宇宙电磁炮的基本技术方面，人们早已充分掌握了，仅仅是所用领域不同而已。真正的困难倒是，从来没谁把超级加速器放在高寒山区，而且青藏高原的交通条件目前也不大好。 　　至于电磁炮的发射成本，如果不考虑产生强磁场的低温液体费用，仅仅是电和不可回收的炮弹壳体而已，日常维护成本也大概和同长度的高速地铁相仿，最多开口处一小段需要要配备专职扫雪人员，要么加个活动盖子，也就都解决了。

四、电磁炮分类：

国外所研制的电磁炮，根据结构和原理的不同，可分为以下几种类型：

①线圈炮：线圈炮又称交流同轴线圈炮。它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成．根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的。加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去。

②轨道炮：轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去。它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸。当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理。

③电热炮：电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式。最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端。当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发．蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速。

④重接炮：重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度。其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙。长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进。重接炮是电磁炮的最新发展形式。

五、电磁炮的发展前景：

由于舰艇平台能够为电磁炮提供足够的安装空间，同时可以采用核动力等方式提供不间断的能量供应，因此电磁炮在海军舰艇的应有前景非常广阔：

1、对面火力投射：

美国海军规划中为DDX装备的电磁炮，其炮弹能够以7.5马赫的速度发射，5分钟后击中20海里外的目标。如此高的速度和 远的射程将是电磁炮引领舰炮武器革命的原因，它可以在6秒钟内击中水平范围的内的舰船，在6分钟内打击600海里内的固定和移动 目标。配合其高精度及高杀伤力，将是海军舰艇对面火力投送能力的巨大飞跃，也是炮弹取代导弹的一个标识。而DDX的综合电力系统 将使舰上的各种电能武器和传感器共享电力，并且如果战术态势允许的话，还可以使舰船发动机高速运转，提供充足的电力以满足电磁 轨道炮所需的15-30兆瓦电能，保持每分6-12发的射速。在大规模装备电磁炮以后，海军对面火力投射能力将获得质的飞跃，其火 力密度、反应时间、精度等都将有历史性的突破。

2、对空拦截：

由于电磁炮作为动能武器的特点，其高速、高杀伤力、高精度的特点非常适用于对空目标的拦截。电磁炮弹丸的速度在大气中可 达4～6千米/秒，是各种飞机和导弹速度的2～15倍，当以5千米/秒左右的速度射出时，可拦截速度在4马赫以下的战术导弹。当发 射初速达到5～7千米/秒时，可在中段和末段对战略导弹实施有效拦截，而当速度为6～10千米/时可直接命中300～1000千米 高度的低轨卫星，而当速度超过12千米/秒时，可打击探测、跟踪、导航定位、预警、通信等轨道高度较高的卫星。也就是说，如果将 电磁炮和宙斯盾系统相结合，将会为导弹防御系统提供更高速、更有杀伤力、反应时间更短的火力系统，而且对多目标的拦截能力也将 进一步加强。 由于电磁炮的能量来源于电能，因此在安装了综合电力系统的舰艇上，武器系统将和主动力、指挥系统、传感器等子系统共享能 量，平台的设计将越加灵活。而且由于电磁炮炮弹没有化学爆炸物，因此舰艇设计时可以将原有的弹药库结构取消，优化舰体防护， 大大提高舰艇的战场生存能力。同时，也将大大简化武器系统的后勤保障工作。

物理演示实验报告

姓名：李萍

学号：P111713307

学院：数学与计算机科学学院