气体放电实验【气压对气体放电影响的实验探究】
时间：2019-01-30 03:37:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：作者设计了一种观察气体放电的简便实验方法；并结合实验，进行了有关气压与放电电压关系的分析及相关探究。 关键词：简易器材；气压；气体放电；辉光放电；平均自由程
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2006)12(S)-0051-3
1 引言
气体放电在自然界中经常发生，例如，雷雨天气里的闪电；日常生活中也有广泛的应用，如霓虹灯中的辉光放电等。在中学里，主要采用的是范氏起电机和感应起电机观察气体放电现象――操作简便、直观，但放电很不稳定――测量也较难。有的大学也利用真空镀膜机的轰击装置研究气体放电电压和气压的关系［1］，进行较为精确的测量。但仪器较为昂贵，推广此实验存在不小的困难。为了更好地研究气体放电，我们使用了一些较为常见的器材，设计了如下实验：
2 实验内容
2.1 实验器材：
真空钟罩（罩内有两个电极用于与电源相连）、球形电极、±2500V稳压电源、2X-4型真空泵等。仪器的连接如图1所示。
2.2 实验步骤：
（1）打开真空钟罩阀门，接着进行抽气，直至真空计的示数不再有明显变化，约为4000Pa（此时抽气速率与钟罩向外界渗漏气的速率相当）。
（2）打开稳压电源，逐渐调大稳压电源电压值，约为900V时开始放电。
（3）随后撤掉抽气机电源。随着钟罩缓慢地*本文为西南大学本科生创新基金资助课题
渗漏气，钟罩内气压随之增大，两电极间放电所需的电压也随之增大，并记下每个状态（时刻）的气压和电压值（刚好达到放电的那一时刻），以便分析。
2.3 实验现象：
气压约为4000~7000Pa时，发生辉光放电，放电现象也较为稳定，且可持续进行。由于放电中使用的是球型电极，因此放电火花呈现为锥型，如图2。
当气压增大到约7500Pa，稳定的辉光放电过渡到较不稳定的火花放电阶段，放电声音加强，放电也较不稳定了，火花也不是规则几何图形，类似于闪电，如图3所示。
3 实验分析
由以上实验现象可得，当只有气压与电压作为变量（外界其它因素尽量保持不变）的情况下，气压在一定范围
（本实验为4000~26000
Pa），气压越大，放电所需最小电压越大，即放电电压与气压成正相关［2］。
其原理可简要叙述如下：根据平均自由程［3］的知识，我们可以得出，在实验中气压越低，即气体分子密度越小，电子与气体碰撞平均自由程越大。这就意味着被电压加速的电子碰撞前所获得的动能越大，从而更容易使气体分子激发，进而更容易产生放电。以上分析我们可知，当平均自由程增大时，放电所需的最低电压减小。即说明气压越低，放电电压越小。但是当气压非常小时，平均自由程很大，这样就导致碰撞几率很小，这也必然影响放电。此时只能增大电压使电子速率进一步增大。另一方面，气压低，放电容易，但这并不意味着放电越激烈，因为平均自由程增大后，其碰撞频率就减小了；相反，当气压大一些时，平均自由程减小，碰撞频率增大，从而使得放电很激烈。这也为实验现象所证实--当气压逐渐增大时，辉光越来越明亮，最后还伴随激烈的响声。
为使实验达到较好研究效果，我们采用了如下方法：
首先，我们必须保证足够的真空度，以便尽可能的减小放电电压。我们采用了取掉橡胶圈的做法（橡胶圈会因钟罩内外气压差过大而被压入罩内），直接在真空钟罩和底座之间均匀的涂上1~2mm厚的凡士林，这样即刻实现了较高的真空度，而且也未达到钟罩耐压的极限。但是由于受到实验仪器系统本身的限制，我们的真空度只达到了4000Pa。其次，我们还须保证放电时极间电压在实验状态下尽可能地稳定，以便测量。为此，我们采用了一个量程为±2500V的稳压电源，该电源上有自带的电压表，利用稳压电源的电压可读性从而实现了电压的测量，但电压的准确度还不够高，现阶段的最小刻度值为100V。然而，由于放电电压明显要高很多，由电压测量的精度导致的误差不大。但我们必须尽可能的减少外部条件的干扰，比如：应尽量减小电源外部除电极之外的其他器件的电阻，以实现较准确的记录数据。
再次，我们需要确保瞬间放电时的电压与相应的真空度的一一对应性。我们主要研究了球形电极在一定的极间距离下，气压与放电电压的关系。气压和放电电压的值均为瞬间同时读取。通过数次实验，我们得出距离恒定条件下，气压与放电电压的关系，如图4所示。
最后，在电极间距离的控制上，目前我们采用的是先将一定厚度的规则物品放在两电极中间，再把电极固定，将规则物品缓慢移开，并尽量不改变极间距离，再测量该规则物品厚度的方法，以提高测量精度。
我们重点研究了辉光放电，正常辉光放电现象［4］的定性分析外貌图如图5所示。本次实验中采用的是球形电极，极间距离都在2cm以下，放电区域形成的是非均匀电场。实验中正流柱和法拉第暗区都已经消失。观察到的只有阿斯顿暗区［2］、阴极光层、阴极区与负辉区等。造成这一现象的原因可以作如下解释：在辉光放电的各个亮区中，负辉区最亮，阴极光层最弱。辉光放电的外貌有许多形式，与气体的种类、压强、放电管规格、电极材料及形状和阴极材料等有关。当气压和其它条件不变，而阳极和阴极距离改变时：放电的区域纵向尺寸不变，而正柱区改变。只要所加的电压足够维持放电，正柱区的长度可以任意增减。若阳极向阴极移动，最初是正柱区逐渐缩短到消失，然后法拉第暗区缩短到消失。导致实验中所出现法拉第暗区和正流柱消失的现象。
通过本实验统计数据我们发现，在距离一定的情况下，球形电极间的电压与真空度成一定的线性关系。在电压值在±2500V范围内，放电形式主要是辉光放电，随着气压的升高，达到放电所需的电压也逐渐增大，放电形式也逐渐转变为火花放电。在辉光放电的时候，可以明显的观察到暗区的存在。在从辉光放电到火花放电的过渡阶段，会出现中间没有辉光而单在两个球形电极上出现红紫色亮斑的现象。
4 实验讨论
4．1 该实验所需的实验仪器，在高中和大学的实验室都可以找到，且可初步实现观察放电现象及其发展和过渡过程。
4．2 气体放电现象十分复杂，因此可以进行另外的一些创新实验探究，如研究放电电压与极间距之间的关系，放电电压与电极的曲率的关系（从球形电极过渡到平行板电极），与电极表面状态及气体种类的关系等。
4．3 从实验的设计和进行过程本看，大自然中还有许多有趣的现象值得我们深入探究；该实验对提高同学们实验的主动性、发现和解决问题的能力有显著的帮助。
参考文献：
［1］侯清润.气体放电实验与帕邢定律［J］.物理实验，2004,24（1）：
［2］胡志强、甄汉生、施迎难.气体电子学［M］.电子工业出版社. 1985，75-98
［3］李椿、章立源、钱尚武 . 热学［M］. 高等教育出版社. 1979，111-116
［4］杨津基.气体放电［M］.科学出版社. 1983，18-28
(栏目编辑王柏庐)
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