對氣體放電影響因素的探究＊

劉 閏 郭培東 劉少華 梁晶晶 王彪

（重慶市西南大學物理科學與技術學院，重慶 400715）

1 引言

人教版高中物理教材選修3-5的“原子的結構”一章提到湯姆孫通過氣體放電管的系列實驗發現了電子，人們又通過研究稀薄氣體放電得出氫原子光譜等.可見，氣體放電在原子結構的探索中起到了重要線索的作用.但是，在課本中介紹相關實驗時，僅局限于氣體放電管的單一演示，且缺乏相應的實驗操作與探究.針對該問題，筆者利用常用器材設計了一套演示氣體放電的實驗平臺，對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）等因素對氣體放電的影響.

2 實驗介紹

2.1 實驗過程

該實驗采用了真空鐘罩、真空計、高壓直流電源、旋片式抽氣泵、萬用表，具體連接如圖1所示.實驗步驟見“中學物理教學中氣體放電的演示與探究”.［1］

圖1

2.2 實驗現象及分析

2.2.1 火花放電

在保持氣壓與極間距一定時，隨著電壓升高，首先出現火花放電.根據流注理論的解釋，［2］它是由一個主電子崩形成多個次電子崩，次電子崩不斷混入主電子崩并擴散到陰極，所以實驗中觀察到火花放電是分叉的，且光是量子化的，則出現了閃爍放電的現象.當極間電壓繼續升高，氣體放電就會從非自持放電過渡到自持放電，進入輝光放電.

2.2.2 輝光放電

火花放電的過程中，小球兩端的電壓達到著火電壓時，放電過程由非自持放電過渡到自持放電，此時，電流I會繼續增大，小球兩端的電壓U下降進入輝光放電，從陰極到陽極的放電空間出現_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射出來，不斷向外散射，到達陽極的帶電粒子密度逐漸減少.由于空氣以氮、氧為主，而氮氣的負輝區呈現藍色，氧氣的負輝區呈黃色.［3］因此，在輝光放電實驗時，就可以看到淡紫色的負輝區.

圖2

2.2.3 弧光放電

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

圖3

2.2.4 電暈放電

當球形電極的間距較大時，極間就會形成極不均勻的電場，并在曲率半徑小的電極附近發生局部電離，發出大量光輻射，形成電暈放電，如圖4.

圖4

2.3 實驗數據

實驗中，筆者著重選取了輝光放電時電流與電壓的數據進行了處理，如圖5所示.

圖5

在極間距d＝19.82mm和壓強p＝5500Pa時，當電壓和放電電流很小時，輝光放電僅發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.當極間電壓U上升到0.83kV，出現了穩定輝光放電，電流I逐漸增大，而U保持不變.直到U＝0.83kV，I＝3.03mA時，隨電流I的增加，電壓反而逐漸減小.當U＝0.4kV，I＝4.02mA時，再一次出現電流I逐漸增大，小球兩端電壓U保持不變.

目前，中學尚無探究各種氣體放電現象的實驗裝置，該裝置可以作為教學儀器，也可用于課外拓展實驗.

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

2 楊津基.氣體放電［M］.北京：科學出版社，1983.

3 徐學基，諸定昌.氣體放電物理［M］.上海：復旦大學出版社，1996.