用輝光球與日光燈開展趣味氣體放電實驗

摘要:介紹一種新型電子產(chǎn)品——輝光球，論述了輝光球的結(jié)構(gòu)及工作原理，介紹輝光球及日光燈在開展趣味的物理實驗中的應(yīng)用，并論述了這種放電方式的主要特點。

關(guān)鍵詞:輝光球;電子產(chǎn)品;物理;實驗

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)8(S)-0054-2

輝光球是近年來新開發(fā)的一種娛樂電子產(chǎn)品，它能放射出絢麗多彩的輝光，許多科技展覽館和學(xué)校將其作為科學(xué)展示器材。其實，利用輝光球和生活中常見的日光燈，可以開展多種氣體放電的趣味實驗。

1 氣體放電與輝光球發(fā)光

通常情況下氣體不導(dǎo)電，但是在適當條件下氣體分子發(fā)生電離產(chǎn)生自由移動的帶電粒子，在電場作用下定向運動形成電流，稱為氣體放電。氣體放電的微觀機制大致分為三階段:帶電粒子被外電場加速后與氣體原子碰撞，電荷動能轉(zhuǎn)移到原子使其激發(fā)，激發(fā)原子返回基態(tài)時吸收的能量以輻射發(fā)光的形式釋放。電子從陰極逸出的方式有加熱、正離子轟擊、施加強電場，相應(yīng)的陰極發(fā)射則稱為熱電子發(fā)射、正離子轟擊發(fā)射、場致發(fā)射。

輝光球主體是一個密閉的玻璃球殼，外觀直徑有4寸、8寸、16寸等。 腔體內(nèi)部被抽成真空并充滿氖氣、氦氣等惰性氣體，通電后底板的環(huán)氧樹脂基線路板將普通220V的交流電或12V的直流電轉(zhuǎn)變成高頻脈沖交流電，電壓可達數(shù)千至一萬伏，頻率高達數(shù)百至數(shù)千赫茲。輝光球的球心由金屬絲彎繞而成，形成一個指向球面的尖端，通電后產(chǎn)生尖端放電。釋放的電子在強電場作用下加速撞擊腔體里的氖氣原子，氣體原子電離成正離子和電子繼續(xù)撞擊其他氣體原子，在金屬堆與玻璃球殼之間形成氣體放電現(xiàn)象，發(fā)出絢麗的弧光。輝光球放電機制主要是正離子轟擊發(fā)射，符合輝光放電高電壓、低電流、線光譜的特點。

透明玻璃殼體內(nèi)充入氣體不同，球內(nèi)真空度不同，產(chǎn)生輝光顏色也不同:充入氖氣呈現(xiàn)紅色，充入氦氣發(fā)出黃色光，充入氬氣呈藍灰色，充入氪氣呈淡紫色等。輝光球通電后，球殼中央的電極周圍形成一個類似點電荷的電場(圖1)。人體電阻遠小于周圍空氣的電阻，用手指接觸玻璃球的外殼時，球殼周圍的電場、電勢分布不再均勻?qū)ΨQ，手指的電勢相對較低，更利于形成從球心而來的電勢降落， 此時電流(即輝光)主要會聚圖 1 輝光球放電在手指尖處，隨著手指的移動而移動。

2 用輝光球和日光燈發(fā)光實驗

對日光燈的構(gòu)造與啟動過程，高中《物理》有比較詳細的說明。通常日光燈的啟動與發(fā)光都要連接到電路中，有的還需要配置啟輝器、鎮(zhèn)流器、開關(guān)等。但是，只有單獨的一根日光燈管，它也能發(fā)光嗎?

手拿日光燈管靠近發(fā)光的輝光球附近(距離約2厘米左右)，日光燈發(fā)出亮光(圖2)。接觸輝光球的玻璃外殼，日光燈發(fā)光亮度增加。另外，不用手拿燈管進行實驗，用絕緣塑料繩懸掛日光燈管緩慢靠近輝光球，燈管也會發(fā)出輝光，但是遠沒有手持燈管時的亮度高。

圖 2 日光燈放電實驗

右手持日光燈管一端接觸輝光球，左手握住燈管在前方緩慢移動，在接觸輝光球的一端和左手之間的燈管發(fā)出輝光，兩手之間的區(qū)域不發(fā)光。若將燈管中央接觸輝光球，左右手各持一端。若兩手到輝光球接觸點距離大致相等時，兩手之間的燈管區(qū)域有輝光產(chǎn)生。若左手距離接觸點較遠，則只有右手和接觸點之間的燈管區(qū)域發(fā)光，反之亦然。輝光球半徑較大時，在玻璃管壁上產(chǎn)生的電場強度與電勢也較大。甲左手觸輝光球，右手持日光燈管遠離輝光球，日光燈管不發(fā)光。若另外一人乙用手觸摸日光燈，日光燈猛地一閃后發(fā)出明亮的輝光，似乎甲成為攜帶高電壓的超級“電人”。

以上幾則實驗，日光燈都沒有連接到完整的閉合回路中，演示的是氣體輝光放電現(xiàn)象。在接觸輝光球一端和手之間的燈管內(nèi)形成電場與電壓降，滿足氣體輝光放電的正離子轟擊發(fā)射與場致發(fā)射的條件。移動觸摸燈管的左右手時，距離較近的手和輝光球之間的電壓降較大，更容易加速電子撞擊氣體分子形成電離，使氣體產(chǎn)生輝光。兩手距離輝光球接觸點大致相等時，兩手之間的區(qū)域電壓降相同，都能激發(fā)原子形成發(fā)光區(qū)域。與正常發(fā)光的日光燈不同，手持日光燈管發(fā)光亮度較小，適合在黑暗或光線較弱的場合演示，對于報廢的燈管同樣有輝光現(xiàn)象產(chǎn)生。這是由于報廢燈管的燈絲或者燒斷，或者陰極發(fā)射物質(zhì)消耗殆盡，難以正常加熱發(fā)射熱電子啟動，但是密閉的燈管內(nèi)仍舊有少量的氣體分子和汞原子，在強電場作用下可以電離與輻射發(fā)光。

利用火花發(fā)生器、范德格拉夫起電機等能夠產(chǎn)生強電場的儀器，也可以進行日光燈輝光放電。火花發(fā)生器開啟后輸出端的金屬針附近有較強的電壓和場強，擊穿空氣產(chǎn)生火花放電。把日光燈管靠近金屬針，管內(nèi)氣體被強電場擊穿放電，發(fā)出明亮的輝光。由于金屬針附近的電場不穩(wěn)定，擊穿空氣后場強和電壓迅速降低，需要等到下一個工作周期重新建立起較強的電場，受日光燈氣體壓力影響，只有靠近金屬針的區(qū)域有輝光斷斷續(xù)續(xù)產(chǎn)生。

方鴻輝在《創(chuàng)造性物理實驗》一書中介紹了“電人”點亮日光燈的方法，值得大家一試。讓甲同學(xué)站在聚苯乙烯絕緣板上，手握8瓦日光燈管一個電極。乙同學(xué)手持一塊透明塑料薄膜或化纖布，向甲同學(xué)身上反復(fù)拍打，不久甲同學(xué)身上帶有高電壓。乙同學(xué)伸手握住日光燈管的另一電極或中部，在光線較暗的環(huán)境下可以觀察到燈管發(fā)生的微弱亮光。

日光燈輝光放電有以下特點:

(1) 存在較大的陰極位降，約100~200V。

(2) 燈管工作電流較小，約100mA左右。

(3) 屬于低氣壓放電，形成不等溫等離子體，電子溫度Te氣體溫度。

(4) 放電管工作電流上升時，工作電壓上升極小。

(5) 燈管的正柱區(qū)電位梯度很小，放電管的管壓降主要由陰極位降決定。

參考文獻:

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[3]蔡祖泉.電光源原理引論[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1988

(欄目編輯 王柏廬)