一种气体放电装置和实验操作方法与流程

本发明涉及放电装置领域，特别是涉及一种气体放电装置和实验操作方法。

背景技术：

电流通过气体时，电离的气体产生各种放电现象，例如自然界的闪电、人造气体放电光源(日光灯、高压钠灯、高压汞灯、激光器)。气体放电的形式多样，包括辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电、高频微波放电。

实验室常见的气体放电装置主要使用升压变压器产生高压，激发放电玻璃管内的气体发光，例如使用感应圈、高压直流电源、火花发生器等。这些实验装置存在高压触电风险，操作时需要保证接地良好，只能够单纯演示气体放电，无法改变操作条件而获得不同的实验结果。

技术实现要素：

本发明提供一种气体放电装置和实验操作方法，具有操作安全，能够进行改变参数实验的高校实验教学装置和操作方法，解决现有放电装置高风险和无法改变操作条件而获得不同的实验结果的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

一种气体放电装置，包括静电高压发生器、空气电荷收集器和实验装置，实验装置设置在静电高压发生器的上方，空气电荷收集器设置在静电高压发生器的周边，其特征在于，所述静电高压发生器包括玻璃球壳体、电源、高压电路板、金属电极、真空泵、抽气阀、真空表、真空管和绝缘外罩；

所述高压电路板设置在玻璃球壳体内，所述金属电极设置在高压电路板上，所述高压电路板通过导线与玻璃球壳体外的电源连接，所述真空泵通过真空管与玻璃球壳体连通，所述真空管上设置有抽气阀，所述真空表设置在真空管上，所述绝缘外罩设置在玻璃球壳体的外部。

本发明进一步限定，空气电荷收集器包括支撑架、金属球壳、金属管、导线、氖管、电容器和火花放电器；所述金属管横向设置在支撑架顶部，所述金属管两端均设置有金属球壳，所述导线的一端与金属探头连接设置在金属管内部，另一端分别与电容器和火花放电器的一端连接，所述电容器和火花放电器的另一端均接地。

本发明进一步限定，实验装置包括灯管、金属支架、上下滑动金属夹子、左右滑动金属夹子和导线，所述灯管通过上下滑动金属夹子横向设置在金属支架上，左右滑动金属夹子设置在灯管上，通过导线与金属支架连接。

本发明进一步限定，高压电路板为正离子发射电路板或负离子发射板。

本发明进一步限定，正离子发射电路板包括电阻r1、r2、r3，若干个电容和若干个二极管，电容相互串联连接形成电容回路，电源一端经电阻r1与电容回路一端连接，电源另一端与电容回路另一端连接，电容回路折中位置断开接入一个二极管，金属电极的输入端经电阻r3和电阻r2与电容回路的折中位置的一个二极管一端连接，二极管相互串联连接形成串联二极管折链，串联二极管折链输入端与电容回路折中位置的二极管输出端连接，串联二极管折链的输出端与电阻r1的与电容连接端连接，串联二极管折链相邻两个二极管的输入端与输出端间与电容回路中的两个电容连接处连接。

本发明进一步限定，高压电路板使用绝缘塑料盒封装起来，金属电极直竖塑料盒上端。

本发明进一步限定，金属电极的长度为8厘米-12厘米，玻璃球壳体顶端与绝缘外罩顶端的距离为5厘米-10厘米。

一种气体放电装置的实验操作方法，首先关闭真空泵，使玻璃球壳内的气体处于常压(1个标准大气压)，启动高压电路板，观察并记录金属电极发生火花放电情况；打开真空泵，对密闭的玻璃球壳体内抽取真空，观察并记录真空表的数据和对应金属电极发生火花放电情况。

本发明对实验操作方法进一步限定，首先静电高压发生器处于工作状态，用上下滑动金属夹子固定日光灯管，沿着金属支架在a端、b端之间上下移动，日光灯管通过上下滑动金属夹子经金属支架接地，把日光灯管的d端接触静电高压发生器的玻璃球壳体，记录日光灯管的发光情况；把日光灯管慢慢远离静电高压发生器的玻璃球壳体，记录日光灯管的发光情况和日光灯管与静电高压发生器的玻璃球壳体的距离；把固定上下滑动金属夹子和日光灯管，靠近静电高压发生器的玻璃球壳体5厘米处，记录灯管放光情况，把左右滑动金属夹子套在日光灯管的一端位置，通过导线连接金属支架接地，记录日光灯管的d端和c端间的发光情况和日光灯管c端后边的发光情况。

本发明的优点与效果是：

本发明静电高压发生器具有很好的绝缘安全保障，防止高压触电风险，在进行实验演示的过程中能够根据实验需要来调整实验的条件，根据实验的条件的改变来获取不同的实验结果，非常合适高校学生实验。

附图说明

图1是本发明放电装置的结构示意图；

图2是本发明高压电路板原理图。

图中标号：1玻璃球壳体、2电源、3高压电路板、4金属电极、5真空泵、6抽气阀、7真空表、8真空管、9绝缘外罩、10支撑架、11金属球壳、12金属管、13导线、14氖管、15电容器、16火花放电器、17灯管、18金属支架、19上下滑动金属夹子、20左右滑动金属夹子、21导线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括静电高压发生器、空气电荷收集器和实验装置，实验装置设置在静电高压发生器的上方，空气电荷收集器设置在静电高压发生器的周边。静电高压发生器用于产生高压静电情况，为本设备的核心部分，空气电荷收集器通过进行收集电荷实验的设备，空气电荷收集器可以根据需要进行设置多个。实验装置主要是用于在实验条件改变部分，根据实验的需要进行不同的改变。

静电高压发生器包括玻璃球壳体1、电源2、高压电路板3、金属电极4、真空泵5、抽气阀6、真空表7、真空管8和绝缘外罩9。高压电路板3设置在玻璃球壳体1内。金属电极4设置在高压电路板3上。高压电路板3通过导线与玻璃球壳体1外的电源2连接。真空泵5通过真空管8与玻璃球壳体1连通。真空管8上设置有抽气阀6。真空表7设置在真空管8上。绝缘外罩9设置在玻璃球壳体1的外部。玻璃球壳体1为密闭的高强度玻璃球壳。在密封的高强度玻璃球壳体1内，设计能够产生高压的电路板3，电路板上固定一根金属电极4，电极4的长度约为10厘米左右，根据球壳的大小(直径约为20厘米)适当调节，电路板3和外接220伏交流电源连接。玻璃球壳的中间部分开有小孔，与真空泵5连接。通过抽气阀门对密闭的球壳进行抽气，减小球壳内的气体压强与密度。真空表7可以显示球壳内的气体压强，抽气装置通过真空橡皮管连接起来。整个静电高压装置被绝缘透明的pvc材料包裹，玻璃球壳与pvc外罩上端的距离控制在5—10厘米。

如图2所示，正离子发射电路板包括电阻r1、r2、r3，若干个电容和若干个二极管，电容相互串联连接形成电容回路，电源2一端经电阻r1与电容回路一端连接，电源2另一端与电容回路另一端连接。电容回路折中位置断开接入一个二极管，金属电极4的输入端经电阻r3和电阻r2与电容回路的折中位置的一个二极管一端连接，二极管相互串联连接形成串联二极管折链。串联二极管折链输入端与电容回路折中位置的二极管输出端连接。串联二极管折链的输出端与电阻r1的与电容连接端连接，串联二极管折链相邻两个二极管的输入端与输出端间与电容回路中的两个电容连接处连接。把交流电压峰值提高到3600伏特。实际电路中相应增加升压级数，产生更高的输出电压。金属电极4用来发射离子。整个高压电路搭建到pcb(印刷线路板)，用绝缘塑料盒封装起来，使金属电极4直立在塑料盒的上端。各个电容器c1——c13采用串联方式，它们通过输出放电，金属电极4的电压是全部电容器两端的电压之和。通过连接电阻r1，r2，r3，限制电路中的电流大小。电容器设定范围：采用0.1uf(微法)到0.5uf(微法)的电容器，它的大小决定电路中产生离子数量的多少。

具体的电路元器件：

d1——d10：采用型号1n4007通用硅材料整流二极管。利用二极管单向导电性，把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。

电解电容器：0.3uf,400v。

电阻r1：100欧姆，1w。

电阻r2、r3：10兆欧(mω)，0.125w。

空气电荷收集器包括支撑架10、金属球壳11、金属管12、导线13、氖管14、电容器15和火花放电器17。金属管12横向设置在支撑架10顶部。金属管12两端均设置有金属球壳11。导线13的一端与金属探头连接设置在金属管12内部，另一端分别与电容器15和火花放电器的一端连接，所述电容器15和火花放电器的另一端均接地。在高压球壳周围空间，存在大量被电离的带电粒子。空气电荷收集器能够吸附空间的带电粒子，把它们收集到特定的电容器。通过电容器与火花放电线圈连接，产生断续的电火花，由于放电线圈之间的电场强度较大，在强电场作用下空气击穿而发生尖端放电。

用长度为30厘米的金属管12(铜、铝)充当金属探头，负责捕获空气中的电荷，金属管两端各焊接半圆形的金属球壳11，球壳的直径约为5厘米。电荷密度与导体表面的曲率半径有关，导体半径越大，电荷密度越大，附近的电场强度也越大，容易击穿空气形成放电。加入金属球壳11，与金属管12形成封闭的空腔导体，空气中的流动电荷容易集中在导体外表面，避免尖锐物体的电场强度过大，形成尖端放电而损失电荷。

在金属管12的几何中心位置，用中空的绝缘材料管(如pvc管)作为支撑架，支撑架固定在绝缘的底座上。支撑架的高度要比金属管长度略大一些，根据需要和设计规模而确定。在金属管探头的几何中心位置，焊接一个金属螺丝钉，固定一根高压绞合导线13的上端接头，导线13的下端用电工胶带缠绕在支撑杆的外表面，连接到氖管14和电容器15，在电容器两端设计一个火花放电器16，保证电容器15接地良好。

实验装置包括灯管17、金属支架18、上下滑动金属夹子19、左右滑动金属夹子20和导线21，所述灯管17通过上下滑动金属夹子19横向设置在金属支架18上，左右滑动金属夹子20设置在灯管17上，通过导线21与金属支架18连接。本装置包括金属支架18，底部和地面良好接触；长度为70厘米的红色日光灯管17(红色发光现象比较明显)，沿着金属支架上下移动的金属夹子19，套在灯管17上自由移动的金属夹子20，连接金属夹子20与金属支架18的导线21。

一种气体放电装置的实验操作方法，首先关闭真空泵，使玻璃球壳内的气体处于常压(1个标准大气压)，启动高压电路板，观察并记录金属电极发生火花放电情况。打开真空泵，对密闭的玻璃球壳体内抽取真空，观察并记录真空表的数据和对应金属电极发生火花放电情况。封闭玻璃球壳内有空气，高压电极上产生直流高压，极间电压达到几千伏特，气体中的正、负离子在强电场的作用下，产生快速的定向移动。离子与其他气体分子碰撞，产生新的离子，导致离子数量急剧增加。在通常状态下，空气分子的平均自由程很小，每秒钟一个分子要与其他分子发生几十亿次的碰撞，难以在两次碰撞之间发生电子跃迁。当气体压强过小，例如低于0.0001毫米汞柱(约为0.0133帕斯卡)，气体分子很少发生碰撞，没有辉光产生。当气体压强在0.01毫米汞柱(约为1.33帕斯卡)，气体分子的平均自由程为5毫米，离子在两次碰撞之间获得足够动能，电子发生跃迁并且放出辉光。首先关闭真空泵，使玻璃球壳内的气体处于常压(1个标准大气压)，启动电路，观察到金属电极4发生火花放电。电火花长度和电压以及空气湿度有关，作为一个经验数字，大约1万伏电压引发火花跳动1厘米；2万伏电压时，电火花的长度为0.5厘米。打开真空泵5，对密闭的玻璃球壳抽取真空，当玻璃球壳内的气体压强下降到200帕斯卡，金属电极出现辉光放电。辉光放电是高电压、小电流的连续放电状态，电流约为0.5毫安到几十毫安，极间电压为100伏到几百伏特。辉光放电以金属电极为中心，向玻璃球壳发射出去，形成立体辐射状的辉光，类似点电荷激发的电场线分布。通过对玻璃球壳抽取真空，减小球壳内的气体压强，金属电极由火花放电，转变到低气压下的辉光放电。

常见的日光灯(荧光灯)管的内表面涂有一层荧光粉，荧光粉受到紫外光的照射，能发射出可见光，是一种固体的光致发光现象。通常将日光灯管内空气抽出，充入少量的汞和惰性气体，提高显色指数和光效。本实验可以进行日光灯的辉光放电实验，通过改变不同的条件，可以得到变化的实验现象。

用上下滑动金属夹子19，固定日光灯管17，沿着金属支架18在a端、b端之间上下移动。使静电高压发生器处于工作状态，把灯管17的d端接触高压球体，灯管17发出红色的辉光。这是由于高压球体表明存在高电势，灯管通过上下滑动金属夹子19与大地连通，电势为0，灯管内部存在较大的电势差，能够激发灯管内的气体分子跃迁而发出辉光。把灯管17的d端离开高压球体1，灯管的亮度减小，移动距离大约30厘米处，灯管的发光红色消失。这说明高压球体1的电场和电势变化，距离越远则电势越小，最终灯管内部的电势差(电压)减小到无法激发气体分子发出辉光。

第二，固定上下滑动金属夹子19和灯管17，靠近高压球体5厘米左右，使灯管发出红色辉光。把金属夹子20套在灯管17的一端位置，通过导线21连接金属支架18。此时，灯管只有c端和d端之间的部分区域发出红色辉光，其余区域显示为不发光状态。这是由于左右滑动金属夹子20的c端与大地连通，电势为0，c端和d端之间的灯管区间存在电势差(电压)，能够激发气体分子发光。但是c端和上下滑动金属夹子19同样处于接地状态，它们之间的电压为0，无法激发气体分子定向移动，因此不会发出辉光。

实验中的日光灯管17没有连接到完整的闭合回路，这是气体辉光放电现象，它的发光强度要小于连接到电路中的发光情况。对于报废的日光灯管，只要它的玻璃外壳没有破裂，也有类似的实验现象。虽然由于报废灯管两端的灯丝断裂，或者阴极发射物质消耗完毕，难以正常加热发射热电子启动，但是灯管里面还有少量气体分子和汞原子，在强电场作用下发生电离，同样可以发出辉光。

把金属支架18替换为人体，用手拿住灯管17的一端，由于人体与大地的良好接触，同样有类似的日光灯发光现象。它适合进行人体带电的实验，通过人体的电流极小，不会有任何不良反应，具有极大的趣味性和刺激性。

本发明还可以用做静电场屏蔽实验：

常见静电屏蔽实验使用金属笼(法拉第笼)，连接高压静电电源，当金属笼外表面粘贴的丝线张开，表明丝线带电后相互排斥而散开；笼子内部的丝线不张开，表明内部电场强度为零。该实验必须保证高压电源良好接地，以防发生触电危险。通过丝线张开以及角度大小，说明电场的存在及其变化情况，现象不够生动直观，对比程度不明显，容易受到外界环境的干扰，例如空气潮湿、空气流动等因素的影响。

本实验用日光灯的发光变化来显示电场屏蔽，效果明显，对比度强烈，实验成功率高，不受外界环境的影响变化，可以多次反复操作，能够对比电介质、导体在静电场中的性质特点。

第一，在高压球壳的pvc外罩9上，放置一块绝缘材料(塑料板、纸板、木板等)，将日光灯管17的d端接触绝缘材料，日光灯管的发光亮度没有明显变化，表明前后两次电场变化微小。塑料板、纸板等是绝缘材料(电介质)，电介质处于静电场中，会出现电荷的极化现象，同样在电介质表面有电荷分布，周围空间存在电场与电势分布。

第二，在高压球壳的pvc外罩9上，放置铜板(或铝板、铁板)等金属，出现明显的差异现象。当铜板与地面不接触时，日光灯接触铜板或者离开铜板，发光都比接触绝缘材料更亮，表明金属板对电场具有会聚作用，使得该区域的电场和电势增加。但是，当铜板连接导线接地时，铜板没有和玻璃球壳接触，依靠空间电场分布而形成的电势差，铜板和地面的电势都为零，无论日光灯管是否接触铜板，都没有发光，显示铜板具有良好的屏蔽电场作用。

本装置可以作为各级学校的电磁学专业实验器材，用来说明气体放电的多种类型，包括辉光放电、尖端放电、电晕、电火花等不同形态。它们可以作为各类科技场馆公开展示的实验器材，具有安全系数高，现象生动直观，成本低廉和维护方便，容易携带移动等特点。尤其利用日光灯进行的人体带电实验，没有高压触电危险，只有极小的电流通过人体，适合广大观众亲自体验和操作。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。