一种探究气体放电现象及气体化学性质的综合演示仪的制作方法

本发明涉及物理化学教学演示设备，具体涉及一种探究气体放电现象及气体化学性质的的综合演示仪。

背景技术：

气体放电现象在生活中较为常见，例如：雷雨天气里的闪电，霓虹灯里的辉光放电等。

现有的气体放电演示仪，cn103247204a公开了“一种探究气体放电现象的演示平台”，能展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象，若需要探究其它气体的放电现象时，例如氧气、氦气、汞蒸气、氖气、氢气、氧气等，只需先把真空钟罩中的空气抽出，再通过通气阀门将待探究气体充入真空罩中便可进行下一步试验。其存在如下缺点：其气体放电演示中的改变电极间距涉及的演示部分，须打开演示平台的真空罩，通过人工进行调整极间距，调整好极间距后，再关闭玻璃展示罩，这种人工调整间距的方法，很不方便，费时费力，调节精度差，间距测量误差大，并且多次调节间距将使外壳的密封原件受损，从而影响外壳的密封性，影响演示装置的使用寿命。外部储气装置通过通气阀门与真空钟罩连通，使得装置结构复杂，应用较为单一。

在中学教材中，涉及到高电压条件的化学反应：氧气在放电的情况下可以转化为臭氧，但对其反应机理只字未提。大部分现有的演示仪器，可以探究的因素比较单一，多为直接检验产物的化学性质，不涉及高电压条件下气体间化学反应、产物的化学性质检测的一体展示，也不能在同一个装置中实现各种气体高压条件下的反应和产物检测。

在中学教材中，涉及到气体化学性质的检测，往往是通过比色卡、检验试剂的变色现象来判断物质的化学性质，其效果基本上不明显、展示不直观，也不能在同一装置中实现多种气体性质的检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种探究气体放电现象及气体化学性质的的综合演示仪，其能够完整的展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象，并且能够控制电压、气压、电流、极间距、不同气体等因素，来观察影响气体放电时各因素间的关系，还能有效观察不同气体与检验试剂的变色现象。

本发明所述的探究气体放电现象及气体化学性质的综合演示仪，包括操作台和储气瓶，设在操作台内的真空泵、真空计、直流高压电源和电动喷雾器水泵电源，设在操作台上面的固定台，所述固定台呈“t”形，与操作台上面密封配合的第一真空玻璃罩，与固定台上面密封配合的第二真空玻璃罩，还包括设在操作台内的四通管和阀门控制器，在所述第一真空玻璃罩内设有气体放电真空系统，在所述第二真空玻璃罩内设有气体化学性质检测真空系统；所述气体放电真空系统包括设在第一真空玻璃罩内的两个电极头，两个电极头分别与设在操作台内的直流高压电源的正负极连接，一个电极头通过绝缘杆固定在操作台的上面，另一个电极头安装在三维调整机构上，由三维调整机构带动可做x、y、z三个方向移动，三维调整机构安装在操作台上；所述真空泵、储气瓶、第一真空玻璃罩和第二真空玻璃罩分别通过带有阀门的连接管与四通管连接，所述阀门通过导线与所述阀门控制器连接。

进一步，所述电极头与直流高压电源之间串联有数字电流表，所述直流高压电源的正负极之间并联有数字电压表。

进一步，所述三维调整机构包括x向移动模块、y向移动模块和z向移动模块，所述x向移动模块包括一个x向移动块和一个x向滑轨，所述y向移动模块包括一个y向移动块和一个y向滑轨，所述z向移动模块包括一个z向移动块和一个z向滑轨，所述x、y、z向移动块通过驱动电机分别沿着所述x、y、z向滑轨作直线运动，所述x向滑轨固定于操作台上，所述y向滑轨与所述x向移动块固定连接，所述z向滑轨与所述y向移动块固定连接，所述z向移动块和绝缘杆上设有用于固定电极头的插槽。

进一步，所述电极头的形状为针形、球形或板形，材质为铁或铜。

进一步，所述气体化学性质检测真空系统包括电动喷雾器水泵、弥雾喷头和检验试剂瓶；所述电动喷雾器水泵设在第二真空玻璃罩上方，通过导线与设在操作台内的电动喷雾器水泵电源连接，所述弥雾喷头设在第二真空玻璃罩内且位于第二真空玻璃罩的顶部，通过导管与电动喷雾器水泵出液口连接，所述检验试剂瓶设在第二真空玻璃罩外，通过导管与电动喷雾器水泵进液口连接。

进一步，所述气体化学性质检测真空系统还设有废物处理机构，其包括废料盘、排污管和洗气池；所述废料盘设在固定台上；所述排污管一端与气体化学性质检测真空系统连接，另一端穿过固定台与洗气池连接，所述排污管设有内置橡胶密封圈的排气管阀门；所述洗气池设于固定台和操作台之间的空隙内，所述洗气池内设有洗气试剂，用于对气体化学性质检测真空系统中反应后的气体进行尾气处理。

进一步，所述真空泵通过带有第一阀门的第一连接管与四通管连接，所述储气瓶通过带有第二阀门的第二连接管与四通管连接，所述第一真空玻璃罩通过带有第三阀门的第三连接管与四通管连接，第二真空玻璃罩通过带有第四阀门的第四连接管与四通管连接，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门分别通过导线与阀门控制器连接。

进一步，所述操作台的前侧面上设有真空泵面板、电控阀面板、控制器面板、直流高压电源面板和电动喷雾器水泵电源面板；所述真空泵面板上设有真空泵开关、-0.3档、-0.1档和真空计，所述真空计通过橡胶管分别与气体放电真空系统和气体化学性质检测真空系统连接，用于测量这两系统内的真空度；所述电控阀面板上设有电控阀开关、阀门按钮，所述阀门按钮用于控制连接管上的阀门的开闭，按下时阀门开启，弹出时阀门关闭；所述控制器面板上设有三维调整机构开关、x轴电极开关按钮、y轴电极开关按钮、z轴电极开关按钮、示数增按钮、示数减按钮和数字显示器；所述直流高压电源面板上设有直流高压电源开关、电压调节按钮和电压示数板；所述电动喷雾器水泵电源面板上设有电动喷雾器水泵电源开关、档位一和档位二；所述操作台的后侧面上设有电源插槽、电源总开关和排气孔。

实验前，取两个电极头，打开第一真空玻璃罩，将两个电极头插入电极插槽里，插上电源，打开电源总开关，检查直流高压电源面板，确保直流高压电源的电压为零，按下控制器面板三维调整机构开关按钮，按动示数增、减按钮，保证示数表读数为零，盖上第一真空玻璃罩，保证操作台与第一真空玻璃罩形成密闭环境，可在密闭容器外边缘涂抹一层凡士林，确保其气密性，按下电控阀面板上的电控阀开关按钮，保证四通管密封，储气瓶连接在第二连接管上，在检验试剂瓶中加入检验液，在洗气池中加入洗气液，检查排污管阀门的气密性；

进行气体放电实验时，按下电控阀面板上的第一阀门按钮和第三阀门按钮，打开第一阀门和第三阀门，真空泵与第一真空玻璃罩连通，按下真空泵面板上的-0.3档按钮，真空泵开始工作，真空泵将气体放电真空系统内空气抽出，使气体放电真空系统中的气压降低，其内部真空度将在真空计上显示，当真空度保持在3000pa时，弹出第一阀门按钮和-0.3档按钮，再按下第二阀门按钮，储气瓶与第一真空玻璃罩连通，利用储气瓶和第一真空玻璃罩之间7000pa的压强差，将储气瓶中的待探究气体充入气体放电真空系统，充入完成后弹出第二阀门按钮和第三阀门按钮。然后按下直流高压电源面板上的直流高压电源开关按钮，转动电压调节旋钮，以改变两电极头的电压，瞬时电压和电流示数通过数字电压表和数字电流表读出。在增大电压的过程中，可先后观察到火花放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电，可记录击穿电压以及各种放电现象的电压电流值，并结合现象分析演示数据，得到演示结论。若要探究极间距与气体放电的关系，按下控制器面板上的x轴电极开关按钮，根据示数表读数调节x向移动块的位置，y向移动块、z向移动块的位置调节方式相同，通过三维调整机构电动调节两个电极头的极间距，再进行下一组试验，可记录极间距与击穿电压以及各种放电现象的电压电流值。若需要探究电极头的形状与气体放电的关系，在演示前从电极配件箱中取出需要探究的电极头，更换到电极插槽中，再进行下一组试验，可记录不同形状的电极头与击穿电压以及各种放电现象的电压、电流值，当气体放电演示仪中现象演示完毕，弹出直流高压电源开关按钮。

进行气体化学性质检测实验时是在进行完气体放电实验后，按下电控阀面板上的第一阀门按钮和第四阀门按钮，打开第一阀门和第四阀门，真空泵与第二真空玻璃罩连通，按下真空泵面板上的-0.1档按钮，真空泵开始工作，真空泵将气体化学性质检测真空系统内空气抽出，使气体化学性质检测真空系统中的气压降低，其内部真空度将在真空计上显示，当真空度保持在1000pa时，弹出第一阀门按钮和-0.1档按钮，关闭第一阀门和真空泵。然后按下第三阀门按钮，打开第三阀门，第一真空玻璃罩和第二真空玻璃罩连通，利用气体放电真空系统与气体化学性质检测真空系统间2000pa的压强差，将气体放电真空系统中反应后的气体充入气体化学性质检测真空系统，充入完成后，弹出第三阀门按钮，按下电动喷雾器水泵电源面板上的电动喷雾器水泵电源开关和档位一按钮，检验试剂瓶中的检验液被电动喷雾器水泵吸入导管，压入弥雾喷头后以雾状喷洒到第二真空玻璃罩内，检验液的雾化处理极大增加了检验液与第二真空玻璃罩中气体的接触面积，使得检验效果更加明显，弹起电动喷雾器水泵电源开关，气体化学性质检测真空系统中现象展示完毕。然后打开排污管阀门，将装置中的残留的气体排入洗气池中洗气，将检验液容器中的检验液更换为酒精并利用喷头喷洒酒精，实现对检验容器的清洗，揭开第二真空玻璃罩，取出废料盘清洗，气体化学性质检测试验完成。若需要实现非本演示仪中的产物气体的化学性质检验，按下第二阀门按钮，利用储气瓶与气体化学性质检测真空系统间9000pa的压强差，将储气瓶中的待探究气体充入气体化学性质检测真空系统，再进行下一组试验。

本发明的有益效果是：

1、操作简便，方便演示，能完整的展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象，并且能够控制电压、气压、电流、极间距、不同气体、不同电极头等因素，来观察影响气体放电时各因素间的关系。

2、真空泵、储气瓶、第一真空玻璃罩和第二真空玻璃罩分别通过带有阀门的连接管与四通管连接，使得演示仪的应用更加灵活，能够进行多种对比试验，比如对气体放电实验后的气体产物进行气体化学性质检测实验，或者直接对储气瓶中的待探究气体进行气体放电试验和气体化学性质检测实验。

3、通过三维调整机构的设置，使得电极头的极间距调节更加方便快捷，并且增加了实验的多样性，提高了调节精度。

4、通过弥雾喷头对检验液进行雾化处理，极大增加了检验液与第二真空玻璃罩中气体的接触面积，使得检验效果更加明显。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的后视图；

图3是本发明的结构线框图；

图4是本发明的三维调整机构的结构示意图；

图5是本发明的四通管的连接示意图；

图6是本发明的控制面板的结构示意图。

1—操作台，2—固定台，3—第一真空玻璃罩，4—第二真空玻璃罩，5—电极头，6—绝缘杆，7—三维调整机构，8—四通管，9—阀门控制器，10—检验试剂瓶，11—电动喷雾器水泵，12—弥雾喷头，13—废料盘，14—排污管，15—洗气池，16—储气瓶，17—真空泵，18—直流高压电源，19—电动喷雾器水泵电源，20—电源插槽，21—电源总开关，22—排气孔，23—x向滑轨，24—x向移动块，25—y向滑轨，26—y向移动块，27—z向滑轨，28—z向移动块，29—第一连接管，30—第一阀门，31—第二连接管，32—第二阀门，33—第三连接管，34—第三阀门，35—第四连接管，36—第四阀门，37—真空计，38—气体放电真空系统，39—气体化学性质检测真空系统，40—真空泵面板，41—电控阀面板，42—控制器面板，43—直流高压电源面板，44—电动喷雾器水泵电源面板，45—真空泵开关，46—电控阀开关，47—三维调整机构开关，48—直流高压电源开关，49—电动喷雾器水泵电源开关。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作详细阐述。

参见图1至图6，所示的探究气体放电现象及气体化学性质的综合演示仪，包括操作台1和储气瓶16，设在操作台1内的真空泵17、真空计37、直流高压电源18和电动喷雾器水泵电源19，设在操作台1上面的固定台2，所述固定台2呈“t”形，与操作台1上面密封配合的第一真空玻璃罩3，与固定台2上面密封配合的第二真空玻璃罩4，还包括设在操作台1内的四通管8和阀门控制器9，在所述第一真空玻璃罩1内设有气体放电真空系统38，在所述第二真空玻璃罩内设有气体化学性质检测真空系统39。

所述真空泵17通过带有第一阀门30的第一连接管29与四通管8连接，所述储气瓶16通过带有第二阀门32的第二连接管31与四通管8连接，所述第一真空玻璃罩3通过带有第三阀门34的第三连接管33与四通管8连接，所述第二真空玻璃罩4通过带有第四阀门36的第四连接管35与四通管8连接，所述第一阀门30、第二阀门32、第三阀门34和第四阀门36分别通过导线与阀门控制器9连接。

所述气体放电真空系统38包括设在第一真空玻璃罩3内的两个电极头5，所述电极头5的形状为针形、球形或板形，材质为铁或铜。两个电极头5分别与设在操作台内的直流高压电源18的正负极连接，一个电极头5通过绝缘杆6固定在操作台1的上面，另一个电极头5通过三维调整机构7固定在操作台1的上面。所述电极头5与直流高压电源18之间串联有数字电流表，所述直流高压电源18的正负极之间并联有数字电压表。所述三维调整机构7包括x向移动模块、y向移动模块和z向移动模块，所述x向移动模块包括一个x向移动块24和一个x向滑轨23，所述y向移动模块包括一个y向移动块26和一个y向滑轨25，所述z向移动模块包括一个z向移动块28和一个z向滑轨27，所述x、y、z向移动块通过驱动电机分别沿着所述x、y、z向滑轨作直线运动，所述x向滑轨23固定于操作台1上，所述y向滑轨25与所述x向移动块24固定连接，所述z向滑轨27与所述y向移动块26固定连接，所述z向移动块28和绝缘杆6上设有用于固定电极头5的插槽。

所述气体化学性质检测真空系统39包括电动喷雾器水泵11、弥雾喷头12和检验试剂瓶10；所述电动喷雾器水泵11设在第二真空玻璃罩4上方，通过导线与设在操作台1内的电动喷雾器水泵电源19连接，所述弥雾喷头12设在第二真空玻璃罩4内且位于第二真空玻璃罩4的顶部，通过导管与电动喷雾器水泵11出液口连接，所述检验试剂瓶10设在第二真空玻璃罩4外，通过导管与电动喷雾器水泵11进液口连接。

所述气体化学性质检测真空系统39还设有废物处理机构，其包括废料盘13、排污管14和洗气池15；所述废料盘13设在固定台2上；所述排污管14一端与气体化学性质检测真空系统39连接，另一端穿过固定台2与洗气池15连接，所述排污管14设有内置橡胶密封圈的排气管阀门；所述洗气池15设于固定台2和操作台1之间的空隙内，所述洗气池15内设有洗气试剂，用于对气体化学性质检测真空系统39中反应后的气体进行尾气处理。

所述操作台1的前侧面上设有真空泵面板40、电控阀面板41、控制器面板42、直流高压电源面板43和电动喷雾器水泵电源面板44。所述真空泵面板40上设有真空泵开关45、-0.3档、-0.1档和真空计37，所述真空计37通过橡胶管分别与气体放电真空系统38和气体化学性质检测真空系统39连接，用于测量这两系统内的真空度。所述电控阀面板41上设有电控阀开关46、阀门按钮，所述阀门按钮用于控制连接管上的阀门的开闭，按下时阀门开启，弹出时阀门关闭。所述控制器面板42上设有三维调整机构开关47、x轴电极开关按钮、y轴电极开关按钮、z轴电极开关按钮、示数增按钮、示数减按钮和数字显示器。所述直流高压电源面板43上设有直流高压电源开关48、电压调节按钮和电压示数板；所述电动喷雾器水泵电源面板44上设有电动喷雾器水泵电源开关49、档位一和档位二。所述操作台1的后侧面上设有电源插槽20、电源总开关21和排气孔22。

所述电极头5的形状为针形、球形或板形，材质为铁或铜，电极头5的长度统一为15mm，球形电极头的球形电极直径为10mm，板形电极头的板形电极长度和宽度均为50mm。所述的z向移动块28和绝缘杆6设有电极插槽，电极头5的底面为三角形，固定在电极插槽内；设有一控制器，所述控制器由内置控制程序的控制芯片连接控制器面板42上的x轴电极开关按钮、y轴电极开关按钮、z轴电极开关按钮、示数减按钮、示数增按钮、数字显示器、控制器面板开关47组成，所述控制器能够调控设置在x向移动块24、y向移动块26、z向移动块28内的驱动电机的转动，驱动电机可改变x向移动块24、y向移动块26、z向移动块28的位置，实现三维电控调节极间距，控制器面板42上的数字显示器能根据驱动电机的转动显示x向移动块24、y向移动块26、z向移动块28的数值，所述的高度为h的绝缘杆6下端固定在离x向滑轨零刻度线30mm处，x、y、z向移动块的数值及h值代入公式能求出两电极头的极间距。

实验前，取两个电极头5，打开第一真空玻璃罩3，将两个电极头5插入电极插槽里，插上电源，打开电源总开关21，检查直流高压电源面板43，确保直流高压电源18的电压为零，按下控制器面板42上的三维调整机构开关47按钮，按动示数增、减按钮，保证极间距示数表读数为零，盖上第一真空玻璃罩3，保证操作台1与第一真空玻璃罩3形成密闭环境，可在第一真空玻璃罩3外边缘涂抹一层凡士林，确保演示仪的气密性，按下电控阀面板41上的电控阀开关46按钮，保证四通管密封，储气瓶16连接在第二连接管31上，在检验试剂瓶10中加入检验液，在洗气池15中加入洗气液，检查排污管14阀门的气密性；

进行气体放电实验时，按下电控阀面板42上的第一阀门按钮和第三阀门按钮，打开第一阀门30和第三阀门34，真空泵17与第一真空玻璃罩3连通，按下真空泵面板40上的-0.3档按钮，真空泵17开始工作，真空泵17将气体放电真空系统38内空气抽出，使气体放电真空系统中的气压降低，其内部真空度将在真空计37上显示，当真空度保持在3000pa时，弹出第一阀门30按钮和-0.3档按钮，再按下第二阀门按钮，打开第二阀门32，储气瓶16与第一真空玻璃罩3连通，利用储气瓶16和第一真空玻璃罩3之间7000pa的压强差，将储气瓶16中的待探究气体充入气体放电真空系统38。气体充入完成后，弹出第二阀门按钮和第三阀门按钮，关闭第二阀门32和第三阀门34。然后按下直流高压电源面板上43的直流高压电源开关48按钮，转动电压调节旋钮，以改变两电极头5的电压，瞬时电压和电流示数通过数字电压表和数字电流表读出。在增大电压的过程中，可先后观察到火花放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电，可记录击穿电压以及各种放电现象的电压电流值，并结合现象分析演示数据，得到演示结论。若要探究极间距与气体放电的关系，充入气体前，按下控制器面板42上的x轴电极开关按钮，根据示数表读数调节x向移动块，y向移动块、z向移动块的位置调节方式相同，通过三维调整机构电动调节两个电极头的极间距，再进行下一组试验，可记录极间距与击穿电压以及各种放电现象的电压电流值。若需要探究电极头5的形状与气体放电的关系，在演示前从电极配件箱中取出需要探究的电极头5，所述电极头5形状为针形、球形或板形，材质为铁或铜，更换到电极插槽中，再进行下一组试验，可记录不同形状、不同材质的电极头5与击穿电压以及各种放电现象的电压电流值，当气体放电演示仪中现象演示完毕，弹出直流高压电源开关48按钮，气体放电实验完成。

进行气体化学性质检测实验时是在进行完气体放电实验后，按下电控阀面板42上的第一阀门按钮和第四阀门按钮，打开第一阀门30和第四阀门36，真空泵17与第二真空玻璃罩4连通，按下真空泵面板40上的-0.1档按钮，真空泵17开始工作，真空泵17将气体化学性质检测真空系统39内空气抽出，使气体化学性质检测真空系统39中的气压降低，其内部真空度将在真空计37上显示，当真空度保持在1000pa时，弹出第一阀门按钮和-0.1档按钮，关闭第一阀门30和真空泵17，然后按下第三阀门按钮，打开第三阀门34，第一真空玻璃罩3和第二真空玻璃罩4连通，利用气体放电真空系统38与气体化学性质检测真空系统39之间2000pa的压强差，将气体放电真空系统38中反应后的气体充入气体化学性质检测真空系统39。气体充入完成后，弹出第三阀门按钮，关闭第三阀门34，按下电动喷雾器水泵电源面,44上的电动喷雾器水泵电源开关49和档位一按钮，检验试剂瓶10中的检验液被电动喷雾器水泵11吸入导管，压入弥雾喷头12后以雾状喷洒到第二真空玻璃罩4内，检验液的雾化处理极大增加了检验液与第二真空玻璃罩4中气体的接触面积，使得检验效果更加明显，然后弹起电动喷雾器水泵电源开关49，气体化学性质检测真空系统中现象展示完毕。然后打开排污管14阀门，将第二真空玻璃罩4中的残留的气体排入洗气池15中洗气，将检验液容器中的检验液更换为酒精并利用弥雾喷头12喷洒酒精，实现对第二真空玻璃罩4的清洗，揭开第二真空玻璃罩4，取出废料盘15清洗，气体化学性质检测试验完成。若需要实现非本演示仪中的产物气体的化学性质检验，按下第二阀门按钮，打开第二阀门32，储气瓶16和第二真空玻璃罩4连通，利用储气瓶16与气体化学性质检测真空系统39之间9000pa的压强差，将储气瓶16中的待探究气体充入气体化学性质检测真空系统39，再进行下一组试验。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多的操作组合。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有情形，均应当认为是本发明的保护范围。