淺析在絕緣物體上使用試電筆氖管發(fā)光的問題

張論李莉

（1、宿州九中安徽·宿州234000；2、宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院安徽·宿州234000）

淺析在絕緣物體上使用試電筆氖管發(fā)光的問題

張論1李莉2

（1、宿州九中安徽·宿州234000；2、宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院安徽·宿州234000）

在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常用到試電筆，用來檢驗低壓導(dǎo)體和電器設(shè)備的金屬外殼是否帶電，辨別家庭電路中的火線和零線等最基本用途。使用時安全可靠，具有體積小、攜帶方便、檢驗簡單等優(yōu)點，是電工必備工具之一?？扇藗冊趯嶋H操作中發(fā)現(xiàn)，即使穿皮鞋或塑料底鞋，甚至站在木凳上，檢查火線或是某些帶電體時依然能看到氖管發(fā)光。皮鞋、塑料鞋、木凳都是絕緣體，形成不了電流的回路但氖管依然發(fā)光。諸如此類問題，使很多人感到困惑。本文就其相關(guān)問題進行分析和解釋。

試電筆 氖管發(fā)光 問題分析

試電筆作為一種常用的檢測帶電工具,它的種類和形式很多。通常按電壓高低和接觸方式進行分類的。按照接觸方式來分類,可分為接觸式試電筆和感應(yīng)式試電筆。它們不但接觸方式不同而且使用方法及工作原理都不同。接觸式試電筆依靠氖管發(fā)光判斷物體帶電情況；感應(yīng)式試電筆采用感應(yīng)式測試,無需物理接觸,采用數(shù)字信號展現(xiàn)出控制線、導(dǎo)體和插座上的電壓或沿導(dǎo)線檢查斷路位置。本文中所研究的是低壓接觸式試電筆（又稱低壓驗電器,測電筆,簡稱電筆）[1],著重分析試電筆結(jié)構(gòu),發(fā)光原理及實際使用中存在的問題。

一、低壓試電筆結(jié)構(gòu)和工作原理

低壓試電筆由氖管、高值電阻、彈簧、金屬筆尖和金屬筆尾等部分組成,它的測量電壓范圍是60～500V之間[2]。在正確使用時,接觸60～500V之間的帶電體時,試電筆中的氖管能發(fā)光。這是因為氖管是裝有兩個電極的小玻璃管,管內(nèi)充有低壓的氖氣。當(dāng)兩極間電壓增大到一定值（一般大于60V）時稱作起輝電壓,氣體發(fā)生電離,產(chǎn)生自由電荷,管內(nèi)氣體導(dǎo)電,發(fā)生了美麗的輝光放電現(xiàn)象。輝光放電的特點是電流小溫度低,在輝光放電時,亮度會隨著電流的大小而變化。這就說明,被測物體帶電,并且超過了一定的電壓值[1]。從發(fā)光的強度,也能粗略的反映帶電體的電壓大小。試電筆的工作電壓主要由氖管的起輝電壓、內(nèi)部高值電阻的大小以及安全用電等因素確定。低于60V不能發(fā)光,而高于500V,流經(jīng)人體電流大；另外也存在高壓電弧觸電的危險,對人體不安全。

二、實際使用低壓試電筆中的存在的困惑

現(xiàn)在以家庭電路為例,照明電路中火線與大地之間電勢差V=220V,人們在使用試電筆接觸火線或與火線相連的電器元件時,火線--高值電阻—氖管--人體—大地,就形成一段電流的通路。人體的電阻范圍,而試電筆內(nèi)部的高值電阻范圍[3]。利用歐姆定律：I=V/R可計算出這部分電路中的電流（也是流經(jīng)人體中的電流）很小,通常小于,這樣大小的電流流經(jīng)人體時,不會對人體形成傷害,因為人體安全電流是小于。而這樣小的電經(jīng)過氖管時,氖管就能發(fā)光。在檢測零線時,零線與大地之間的電勢差V=0,形成不了電流I= 0,也就沒有電流經(jīng)過氖管,氖管不發(fā)光。根據(jù)氖管是否發(fā)光,從而判斷所檢測是那根導(dǎo)線。檢測其他物體或電器設(shè)備是否帶電時,也是這個道理。以上這種對試電筆使用的理解和認識是普遍存在。但在實際使用中出現(xiàn)許多問題與這種認識形成鮮明沖突時,許多人就感到很困惑、不解。

比如在實際使用中,人們往往站在一個相對絕緣的物體上來使用的。檢測家庭電路中的火線時氖管依然能發(fā)光。這是斷路電路,形成不了電流的回路,氖管怎么還能發(fā)光呢？很多人認為絕緣體沒有嚴格的界限,也就說在火線和大地之間的220V電壓下,像塑料、干燥的木頭等中會有微弱的電流通過,足以使氖管熒光了。還有一部分人認為,這是因為人處在空氣中,空氣中有水分可以導(dǎo)電,形成氖管發(fā)光的。事實真是這樣？做個實驗,在同樣的環(huán)境下（空氣的濕度一樣）,在手指與試電筆的金屬筆尾接觸的地方,隔著一塊塑料板,人站在地上氖管是不發(fā)光的。而把同樣的朔料板放在腳下,再次檢測時氖管卻發(fā)光了。這就說明了不是通過空氣或是朔料板形成的電流,使它發(fā)光的。

在沒有絕緣體時,火線—驗電筆—人體—地—零線所構(gòu)成的回路。有很小電流經(jīng)過氖管,可以發(fā)光。若腳下站在絕緣體上時,就相當(dāng)于在這個電路中又串聯(lián)一個相當(dāng)大的電阻,這個巨大的電阻的存在可使電路不通（或電流極?。?。由于人體是導(dǎo)體與火線相連,大地也是導(dǎo)體與零線相連,相當(dāng)于一個電容。如圖1在接通交流電時,有不斷向電容的充電、放電過程,就形成一個交流電流,人體與大地之間的電容對50Hz的交流電雖然產(chǎn)生很大的阻礙作用,但仍然能產(chǎn)生足夠大的電流使氖管發(fā)光。因為電筆中的氖泡用的是輝光放電原理,只要有電位差感應(yīng)電流起主要作用就會亮,不需要構(gòu)成回路。

如果人站在或者被吊在非常高的懸空地方,使用試電筆接觸火線時,氖管依然發(fā)光。這也是人體和大地形成的電容,產(chǎn)生一定電位差使氖管發(fā)光？極限考慮當(dāng)人體與大地之間距離很大時就不能認為它們之間形成電容了,而應(yīng)認為人體是導(dǎo)體,也可以視為一個孤立的大電容,有充電放電本領(lǐng)?；鹁€與人體間的電場隨交流電方向的改變而不斷改變方向,并給氖泡形成感生一個不斷改變方向的電壓,從而導(dǎo)致人體電容不斷地充電放電,氖泡中的感應(yīng)電流得以維持,并激發(fā)出輝光。輝光電流微弱,無傷人體。

至于人站在地上或站在塑料凳上不接觸試電筆后面金屬也可以形成電容,但氖管卻不發(fā)光,這是由于人和大地作為一部分與測電筆尾部的金屬體之間形成的電容實在是太小了。根據(jù)電容的公式：C=εS/（4πkd）,試電筆尾部的金屬體面積太小了,所以它與人體之間形成的電容非常小[3]。小到可以忽略不計,所以幾乎不能通過交流電,所以氖管不發(fā)光；而人體的面積相對要大得多,所以人與地的電容很大,交流電可以對這個電容充電,所以氖管就會發(fā)光。

綜合以上的分析可以發(fā)現(xiàn),使氖管發(fā)光的機制,一般有兩種情況；（一）氖管中形成電流的回路,這也是人們普遍了解的形式。（二）氖管兩端形成電容,在充放電過程中,是氖管發(fā)光。組成電容的形式有很多種可能,在使用過程中,不需要刻意操作,就自然形成。因而造成一些難以理解的現(xiàn)象,給人們帶來諸多困惑。其實,在某些特殊的條件下,試電筆中的氖管發(fā)光,還存在其他形式。如：不接觸只靠近具有一定高壓帶電體,氖管就能發(fā)光。有時在陰雨、閃電的天氣,試電筆就自行發(fā)光。因為氖管兩端只要滿足一定的電勢差就能發(fā)光。

[1]趙樹青，章芝.測電筆及使用[J].初中生世界，2011（5）：7-9.

[2]王水成.驗電筆的妙用[J].電子世界，1998（1）：12-13.

[3]楊玲.電工常識[M].北京：高等教育出版社，2005：67-71.

TM 933.1

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1009-8534（2014）04-0171-02

2014-04-28

宿州學(xué)院教學(xué)研究項目（szxyjyxm201232）

張論（1979—）,男,安徽靈璧人,宿州九中教師,中教二級。研究方向：物理教育。李莉（1978—）,女,安徽六安人,宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院講師,碩士。研究方向：凝聚態(tài)物理,物理教育。