大学物理实验30低压气体直流放电击穿特性研究报告.docx

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1、大学物理实验研究报告实验名称：低压气体直流放电击穿特性姓名：孙富 学号：* 指导教师：*班级：化*班实验时间：2014年04月03日l 引言气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早、理论最为成熟、应用最为广泛的放电现象。气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持放电到自持放电的过渡现象称为击穿过程。l 实验摘要通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了氩气的气压与击穿电压的关系，在放电极板间隙及极板材质不变的情况下，得到了氩气的

2、帕邢曲线，给出了氩气的最小击穿电压和最佳击穿条件，并讨论最小电压的成因。正文一、 实验目的（1）通过实验了解低气压的实验和维持方法，掌握气体压强的测量原理方法。（2）了解低气压气体直流击穿现象，掌握气体击穿的判定方法，研究放电条件与击穿电压的关系，体会实验探索物理规律的研究过程。（3）探索帕邢定律的局限性。二、 实验原理与内容气体放电分为非自持放电和自持放电，自持放电是在没有外电离作用下可以维持放电的现象，而非自持放电是指在有外电离作用下才可以维持放电。气体首先在外电离因素的支持下可以在电场中传导电流，当电场增大到一定的程度。电流迅速增加，即使没有外界的电离作用，放电仍可以维持，此时气体从非自

3、持放电转化为自持放电，这种现象就叫做气体的击穿，此时所需要的电场强度就是击穿场强，相应的电压就是击穿电压。上述的这类过程就叫做汤森放电，汤森认为，气体在宇宙射线或者其它因素的影响下，本身就有一定的电离，称为剩余电离。当外加电场不够大时，点电流很小，电流密度很低，在空间的分布是均匀的，此时电流随着电压的增大是线性增加，趋于饱和。这个过程是暗放电，不发光。当电场足够大时，电子的能量越来越大，发生电子碰撞，从而电子的数量进一步提高，电流快速增加，与此同时，会产生光辐射，从而有光电效应的产生。同时也会产生离子，随着电场的增加离子的能量增加，会轰击阴极产生二次电子发射，极大的提高了阴极发射电子的速率，当

4、阴极发射足够强时发生电子击穿，条件如下：1889年帊刑经过一系列的实验发现了帊刑定律 A和B为实验常数，其中击穿条件可以表示为： 这一关系说明击穿电压仅是Pd的函数，由于A、B和等常数与气体种类和电极材料有关，因此研究不同气体的帕邢曲线是很有意义的。三、 实验仪器与设备直流辉光等离子体实验装置该装置是一台辉光放电综合实验装置，可以完成4项实验项目，本次实验内容档设定在“击穿电压测量”一档。该装置由四部分组成：（1）放电管：用于实现氩气的击穿与放电。（2）放电电源：可以提供01000V的可调电压输出，为放电管提供电场。（3）氩气的送气与调节系统，以及气压的测量。（4）基于二极管导通特性的击穿电压

5、测量系统。此外，为了保持放电管的温度恒定，必须对放电实验进行冷却，装置还附带了循环水冷却系统。四、 实验方法与步骤（1）测量两电极之间的实际距离；（2）检查放电管与电源电极之间的连接是否可靠；电源调压旋扭是否最小位置；气体流量调节旋扭是否最小位置；（3）打开电源开关预热，开启循环水泵，检查循环水是否正常；（4）打开真空计开关；（5）打开机械泵进行抽气，抽真空至23Pa，大约需要15分钟；（6）调节减压阀，使得流量计前气压在01 大气压之间；（7）调节流量计的通气流量，至放电管内气压为20Pa；（8）实验仪的功能选择开关调至“击穿电压”测量档 ；（9）打开高压电源开关；（10）调节电压输出，快速

6、增至250V，然后缓慢的增加电压值，至发生气体击穿，读取发生气体击穿时的电压值，然后缓慢把电压降到0V以下，为下一次测量做准备。注意：a.增加电压的过程中，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数b.在每个气压下，至少要重复三次测量，以三次击穿电压测量值之间的 偏差不大于10%为成功测量，以得到可靠击穿电压。c.在气压较高时，击穿前后，放电管的电压会有明显下降。接近击穿时的放电管电压为气体击穿电压。（11）增加气体流量至30pa左右，重复（10）的测量；（12）依次增加气体流量，每次增加10Pa左右，重复（10）直至压强调到了100pa；（13）减小气压至20Pa，重复（10）；（14）依次

7、减小气压，每隔23Pa测量一组数据，直至3Pa ；（15）实验完毕后，调节气体流量控制旋钮至最小位置，调节电压最小值，依次关闭电压、机械泵、冷却水、电源开关。五、 实验数据与分析d=50.0mm六、 实验结果与讨论根据数据分析结果，绘制氩气帕邢曲线，如图所示：由图得，曲线最低点为（700,270.33），因而气体发生击穿时最低电压为270.33V，临界气压值为14Pa。帕邢曲线在特定的气压值时，有最小的击穿电压。帕邢定律在一定气压范围有效。气压过高或过高真空中，帕邢定律不适用。氩气压强太大或太小都不利于气体起辉，当压强较大时，放电管内中性粒子束较多，当电压较小时，已电离的粒子碰撞中性粒子，由于

8、粒子在单位路程内碰撞的粒子束多，很难使中性粒子电离，因此必须提高极板电压，而当气体压强过小时，带电粒子碰撞中性粒子的概率大大降低，也很难起辉。在读数过程中发现，电压值在击穿后会出现下降，当气压值较高时尤为明显，这是由于击穿后，电流电流自动增加，放电电压借助回路自动适应调整，特别是亚辉光放电模式下的伏安特性呈现负阻性，导致电压降低.另外，在气压较低时，可以观察到辉光放电发光先在阳极附近建立，随着气压的增大，击穿时辉光放电逐渐向阴极附近扩散。七、 思考题1.击穿电压是气体从非自持放电到自持放电的击穿电压，放电的熄火则是反过程，熄灭电压为什么与击穿时的电压不同？熄灭电压是击穿之后再减小电压，直到放电

9、结束的那个电压，而击穿电压是放电从非自持状态过渡到自持的那个电压，熄灭电压的环境是存在了很多很多的电子离子，而击穿过程发生在电子数不断增加的过程，因而需要电压不断增高，以积累足够电荷，以至电荷产生的电场影响了外加电场，故击穿电压要高于熄灭电压。2.简述判断击穿的原理。你对提高实验中击穿状态的判断精度还有什么建议？气体击穿后电路中形成电流，使二极管流过的电流迅速增大，电流表示数显著增大从而判断击穿。可进行多次测量，剔除不合理数据。3.第一组数据为什么从20Pa开始测量？而且为什么首先向气压较高方向继续测量？20Pa左右出现了最低击穿电压，继续向高气压方向进行是为了减小管内气体成分的影响，并在高气

10、压实验过程中把管内空气稀释，尽量接近真空。4.为什么在20Pa以上气压范围内的气压步幅大于20Pa以下气压范围的步幅？小于20Pa时，击穿电压的变化较小，而由于气体并不是完全在真空状态下充入，气体本身会产生一定压强，为减小这些压强的作用，故在20Pa以下采取小步幅。5.重复测量20Pa的击穿电压，会有什么不同，什么原因？真空机不断进行抽气，放电管内氦气浓度发生变化。每次进行击穿实验后放电管内都有剩余的已电离气体粒子。这些都会使结果发生变化。6.较高气压时，气压击穿后放电管电压为什么会突然下降？这是由于击穿后电流自动增加，放电电压借助回路自动适应调整，特别是亚辉光放电模式下的伏安特性呈现负阻性导

11、致电压降低。另外气压较低时，可以观察到辉光放电发光先在阳极附近建立，随着气压的增大击穿时辉光放电逐渐向阴极附近扩散。7.每次重复测量之前，为什么把电源电压调到50V以下？在每次读取完击穿电压值后必须先调回50V以下使放电熄灭去除部分电离的粒子。参考文献1余虹，张家良，等.大学物理实验.北京：科学出版社2011：1951992余虹，张家良，等.大学物理实验.北京：科学出版社2011：1992043 赵永莉. 变气压直流辉光放电的数值模拟，20084龙珏，胡振辉等，低气压直流辉光等离子体实验装置J，大学物理实验，2009，22（1）：75785侯清润，茅卫红等.气体放电实验与帕邢定律J，物理实验，2004，24（1）：35