對(duì)氣體放電影響因素的探究＊

劉 閏 郭培東 劉少華 梁晶晶 王彪

（重慶市西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

1 引言

人教版高中物理教材選修3-5的“原子的結(jié)構(gòu)”一章提到湯姆孫通過氣體放電管的系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子，人們又通過研究稀薄氣體放電得出氫原子光譜等.可見，氣體放電在原子結(jié)構(gòu)的探索中起到了重要線索的作用.但是，在課本中介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅局限于氣體放電管的單一演示，且缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作與探究.針對(duì)該問題，筆者利用常用器材設(shè)計(jì)了一套演示氣體放電的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)氣體放電全過程予以展示，并定量探究了氣壓、電壓、電流、極間距（放電電極間的距離）等因素對(duì)氣體放電的影響.

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

該實(shí)驗(yàn)采用了真空鐘罩、真空計(jì)、高壓直流電源、旋片式抽氣泵、萬用表，具體連接如圖1所示.實(shí)驗(yàn)步驟見“中學(xué)物理教學(xué)中氣體放電的演示與探究”.［1］

圖1

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.2.1 火花放電

在保持氣壓與極間距一定時(shí)，隨著電壓升高，首先出現(xiàn)火花放電.根據(jù)流注理論的解釋，［2］它是由一個(gè)主電子崩形成多個(gè)次電子崩，次電子崩不斷混入主電子崩并擴(kuò)散到陰極，所以實(shí)驗(yàn)中觀察到火花放電是分叉的，且光是量子化的，則出現(xiàn)了閃爍放電的現(xiàn)象.當(dāng)極間電壓繼續(xù)升高，氣體放電就會(huì)從非自持放電過渡到自持放電，進(jìn)入輝光放電.

2.2.2 輝光放電

火花放電的過程中，小球兩端的電壓達(dá)到著火電壓時(shí)，放電過程由非自持放電過渡到自持放電，此時(shí)，電流I會(huì)繼續(xù)增大，小球兩端的電壓U下降進(jìn)入輝光放電，從陰極到陽極的放電空間出現(xiàn)_了明暗相間的光層分布，如圖2.這是由于帶電粒子從陰極球面發(fā)射出來，不斷向外散射，到達(dá)陽極的帶電粒子密度逐漸減少.由于空氣以氮、氧為主，而氮?dú)獾呢?fù)輝區(qū)呈現(xiàn)藍(lán)色，氧氣的負(fù)輝區(qū)呈黃色.［3］因此，在輝光放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，就可以看到淡紫色的負(fù)輝區(qū).

圖2

2.2.3 弧光放電

當(dāng)電流較大、氣壓較高時(shí)，從電極的陰極到陽極形成耀眼的白色光流柱，就出現(xiàn)了弧光放電，如圖3所示.

圖3

2.2.4 電暈放電

當(dāng)球形電極的間距較大時(shí)，極間就會(huì)形成極不均勻的電場，并在曲率半徑小的電極附近發(fā)生局部電離，發(fā)出大量光輻射，形成電暈放電，如圖4.

圖4

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中，筆者著重選取了輝光放電時(shí)電流與電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，如圖5所示.

圖5

在極間距d＝19.82mm和壓強(qiáng)p＝5500Pa時(shí)，當(dāng)電壓和放電電流很小時(shí)，輝光放電僅發(fā)生在陰極表面的小部分，只有較小的陰極亮斑.隨著放電電流的增大，陰極亮斑也逐漸增大；如圖5所示，電壓隨電流接近線性增長階段，直至放電充滿陰極表面.當(dāng)極間電壓U上升到0.83kV，出現(xiàn)了穩(wěn)定輝光放電，電流I逐漸增大，而U保持不變.直到U＝0.83kV，I＝3.03mA時(shí)，隨電流I的增加，電壓反而逐漸減小.當(dāng)U＝0.4kV，I＝4.02mA時(shí)，再一次出現(xiàn)電流I逐漸增大，小球兩端電壓U保持不變.

目前，中學(xué)尚無探究各種氣體放電現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可以作為教學(xué)儀器，也可用于課外拓展實(shí)驗(yàn).

1 王彪，劉少華.中學(xué)物理教學(xué)中氣體放電的演示與探究［J］.物理教學(xué)探討，2013（8）：28－29.

2 楊津基.氣體放電［M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

3 徐學(xué)基，諸定昌.氣體放電物理［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1996.