一種多功能氣體放電裝置及實驗操作方法與流程

本發明涉及放電裝置領域，特別是涉及一種多功能氣體放電裝置及實驗操作方法。

背景技術：

電流通過氣體時，電離的氣體產生各種放電現象，例如自然界的閃電、人造氣體放電光源(日光燈、高壓鈉燈、高壓汞燈、激光器)。氣體放電的形式多樣，包括輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電、高頻微波放電。

實驗室常見的氣體放電裝置主要使用升壓變壓器產生高壓，激發放電玻璃管內的氣體發光，例如使用感應圈、高壓直流電源、火花發生器等。這些實驗裝置存在高壓觸電風險，操作時需要保證接地良好，只能夠單純演示氣體放電，無法改變操作條件而獲得不同的實驗結果。并且現有的放電裝置功能性單一，只能進行單一實驗，而不能進行其他實驗，從而使得設備的實用性非常低。

技術實現要素：

本發明提供一種多功能氣體放電裝置及實驗操作方法，具有操作安全，能夠進行改變參數實驗的高校實驗教學裝置和操作方法，并且一個設備能夠進行多個實驗的用途，解決現有放電裝置高風險和無法改變操作條件而獲得不同的實驗結果和設備功能性單一的問題。

本發明通過以下技術方案解決上述問題：

一種多功能氣體放電裝置，包括靜電高壓發生器、空氣電荷收集器和實驗裝置，所述靜電高壓發生器用于產生高壓靜電，空氣電荷收集器設置在靜電高壓發生器的周邊用于收集靜電高壓發生器產生的電荷，實驗裝置用于實驗條件改變，其中，所述靜電高壓發生器包括玻璃球殼體、電源、高壓電路板、金屬電極、真空泵、抽氣閥、真空表、真空管和絕緣外罩；

所述高壓電路板設置在玻璃球殼體內用于產生高壓，所述金屬電極設置在高壓電路板上用于釋放高壓電離子使空氣導電，所述高壓電路板通過導線與玻璃球殼體外的電源連接，電源為高壓電路板提供220v交流電，所述真空泵通過真空管與玻璃球殼體連通用于抽空璃球殼體內的空氣，所述真空管上設置有抽氣閥，用于對真空管的空氣進出控制，所述真空表設置在真空管上，用于檢測玻璃球殼體內的壓強，所述絕緣外罩設置在玻璃球殼體的外部，用于防止做實驗過程中觸電。

本發明進一步限定，空氣電荷收集器包括支撐架、金屬球殼、金屬管、導線、氖管、電容器和火花放電器；所述金屬管橫向設置在支撐架頂部，金屬管兩端均設置有金屬球殼，用于吸收靜電高壓發生器空氣周圍電荷，所述導線的一端與金屬探頭連接設置在金屬管內部，金屬探頭用于把金屬球殼上的吸附電荷進行導流到導線，另一端與氖管一端連接，氖管另一端分別與電容器和火花放電器的一端連接，所述電容器和火花放電器的另一端均接地。

本發明進一步限定，實驗裝置包括燈管、金屬支架、上下滑動金屬夾子、左右滑動金屬夾子和導線，所述燈管通過上下滑動金屬夾子橫向設置在金屬支架上，左右滑動金屬夾子設置在燈管上，通過導線與金屬支架連接。

本發明進一步限定，高壓電路板為正離子發射電路板或負離子發射板。

本發明進一步限定，正離子發射電路板包括電阻r1、r2、r3，若干個電容和若干個二極管，電容相互串聯連接形成電容回路，電源一端經電阻r1與電容回路一端連接，電源另一端與電容回路另一端連接，電容回路折中位置斷開接入一個二極管，金屬電極的輸入端經電阻r3和電阻r2與電容回路的折中位置的一個二極管一端連接，二極管相互串聯連接形成串聯二極管折鏈，串聯二極管折鏈輸入端與電容回路折中位置的二極管輸出端連接，串聯二極管折鏈的輸出端與電阻r1的與電容連接端連接，串聯二極管折鏈相鄰兩個二極管的輸入端與輸出端間與電容回路中的兩個電容連接處連接。

本發明進一步限定，高壓電路板使用絕緣塑料盒封裝起來，金屬電極直豎塑料盒上端。

本發明進一步限定，金屬電極的長度為8厘米-12厘米，玻璃球殼體頂端與絕緣外罩頂端的距離為5厘米-10厘米。

一種多功能氣體放電裝置的實驗操作方法，首先關閉真空泵，使玻璃球殼內的氣體處于常壓(1個標準大氣壓)，啟動高壓電路板，觀察并記錄金屬電極發生火花放電情況；打開真空泵，對密閉的玻璃球殼體內抽取真空，觀察并記錄真空表的數據和對應金屬電極發生火花放電情況。

本發明對實驗操作方法進一步限定，首先靜電高壓發生器處于工作狀態，用上下滑動金屬夾子固定日光燈管，沿著金屬支架在a端、b端之間上下移動，日光燈管通過上下滑動金屬夾子經金屬支架接地，把日光燈管的d端接觸靜電高壓發生器的絕緣外罩，記錄日光燈管的發光情況；把日光燈管慢慢遠離靜電高壓發生器的絕緣外罩，記錄日光燈管的發光情況和日光燈管與靜電高壓發生器的絕緣外罩的距離；把固定上下滑動金屬夾子和日光燈管，靠近靜電高壓發生器的絕緣外罩5厘米處，記錄燈管放光情況，把左右滑動金屬夾子套在日光燈管的一端位置，通過導線連接金屬支架接地，記錄日光燈管的d端和c端間的發光情況和日光燈管c端后邊的發光情況。

本發明的優點與效果是：

本發明靜電高壓發生器具有很好的絕緣安全保障，防止高壓觸電風險，在進行實驗演示的過程中能夠根據實驗需要來調整實驗的條件，根據實驗的條件的改變來獲取不同的實驗結果，非常合適高校學生實驗。

附圖說明

圖1是本發明放電裝置的結構示意圖；

圖2是本發明高壓電路板原理圖。

圖中標號：1玻璃球殼體、2電源、3高壓電路板、4金屬電極、5真空泵、6抽氣閥、7真空表、8真空管、9絕緣外罩、10支撐架、11金屬球殼、12金屬管、13導線、14氖管、15電容器、16火花放電器、17燈管、18金屬支架、19上下滑動金屬夾子、20左右滑動金屬夾子、21導線。

具體實施方式

以下結合實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，包括靜電高壓發生器、空氣電荷收集器和實驗裝置，實驗裝置設置在靜電高壓發生器的上方，空氣電荷收集器設置在靜電高壓發生器的周邊。靜電高壓發生器用于產生高壓靜電情況，為本設備的核心部分，空氣電荷收集器通過進行收集電荷實驗的設備，空氣電荷收集器可以根據需要進行設置多個。實驗裝置主要是用于在實驗條件改變部分，根據實驗的需要進行不同的改變。

靜電高壓發生器包括玻璃球殼體1、電源2、高壓電路板3、金屬電極4、真空泵5、抽氣閥6、真空表7、真空管8和絕緣外罩9。高壓電路板3設置在玻璃球殼體1內。金屬電極4設置在高壓電路板3上。高壓電路板3通過導線與玻璃球殼體1外的電源2連接。真空泵5通過真空管8與玻璃球殼體1連通。真空管8上設置有抽氣閥6。真空表7設置在真空管8上。絕緣外罩9設置在玻璃球殼體1的外部。玻璃球殼體1為密閉的高強度玻璃球殼。在密封的高強度玻璃球殼體1內，設計能夠產生高壓的電路板3，電路板上固定一根金屬電極4，電極4的長度約為10厘米左右，根據球殼的大小(直徑約為20厘米)適當調節，電路板3和外接220伏交流電源連接。玻璃球殼的中間部分開有小孔，與真空泵5連接。通過抽氣閥門對密閉的球殼進行抽氣，減小球殼內的氣體壓強與密度。真空表7可以顯示球殼內的氣體壓強，抽氣裝置通過真空橡皮管連接起來。整個靜電高壓裝置被絕緣透明的pvc材料包裹，玻璃球殼與pvc外罩上端的距離控制在5—10厘米。

如圖2所示，正離子發射電路板包括電阻r1、r2、r3，若干個電容和若干個二極管，電容相互串聯連接形成電容回路，電源2一端經電阻r1與電容回路一端連接，電源2另一端與電容回路另一端連接。電容回路折中位置斷開接入一個二極管，金屬電極4的輸入端經電阻r3和電阻r2與電容回路的折中位置的一個二極管一端連接，二極管相互串聯連接形成串聯二極管折鏈。串聯二極管折鏈輸入端與電容回路折中位置的二極管輸出端連接。串聯二極管折鏈的輸出端與電阻r1的與電容連接端連接，串聯二極管折鏈相鄰兩個二極管的輸入端與輸出端間與電容回路中的兩個電容連接處連接。把交流電壓峰值提高到3600伏特。實際電路中相應增加升壓級數，產生更高的輸出電壓。金屬電極4用來發射離子。整個高壓電路搭建到pcb(印刷線路板)，用絕緣塑料盒封裝起來，使金屬電極4直立在塑料盒的上端。各個電容器c1——c13采用串聯方式，它們通過輸出放電，金屬電極4的電壓是全部電容器兩端的電壓之和。通過連接電阻r1，r2，r3，限制電路中的電流大小。電容器設定范圍：采用0.1uf(微法)到0.5uf(微法)的電容器，它的大小決定電路中產生離子數量的多少。

具體的電路元器件：

d1——d10：采用型號1n4007通用硅材料整流二極管。利用二極管單向導電性，把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈沖直流電。

電解電容器：0.3uf,400v。

電阻r1：100歐姆，1w。

電阻r2、r3：10兆歐(mω)，0.125w。

空氣電荷收集器包括支撐架10、金屬球殼11、金屬管12、導線13、氖管14、電容器15和火花放電器17。金屬管12橫向設置在支撐架10頂部。金屬管12兩端均設置有金屬球殼11。導線13的一端與金屬探頭連接設置在金屬管12內部，另一端分別與電容器15和火花放電器的一端連接，所述電容器15和火花放電器的另一端均接地。在高壓球殼周圍空間，存在大量被電離的帶電粒子。空氣電荷收集器能夠吸附空間的帶電粒子，把它們收集到特定的電容器。通過電容器與火花放電線圈連接，產生斷續的電火花，由于放電線圈之間的電場強度較大，在強電場作用下空氣擊穿而發生尖端放電。

用長度為30厘米的金屬管12(銅、鋁)充當金屬探頭，負責捕獲空氣中的電荷，金屬管兩端各焊接半圓形的金屬球殼11，球殼的直徑約為5厘米。電荷密度與導體表面的曲率半徑有關，導體半徑越大，電荷密度越大，附近的電場強度也越大，容易擊穿空氣形成放電。加入金屬球殼11，與金屬管12形成封閉的空腔導體，空氣中的流動電荷容易集中在導體外表面，避免尖銳物體的電場強度過大，形成尖端放電而損失電荷。

在金屬管12的幾何中心位置，用中空的絕緣材料管(如pvc管)作為支撐架，支撐架固定在絕緣的底座上。支撐架的高度要比金屬管長度略大一些，根據需要和設計規模而確定。在金屬管探頭的幾何中心位置，焊接一個金屬螺絲釘，固定一根高壓絞合導線13的上端接頭，導線13的下端用電工膠帶纏繞在支撐桿的外表面，連接到氖管14和電容器15，在電容器兩端設計一個火花放電器16，保證電容器15接地良好。

實驗裝置包括燈管17、金屬支架18、上下滑動金屬夾子19、左右滑動金屬夾子20和導線21，所述燈管17通過上下滑動金屬夾子19橫向設置在金屬支架18上，左右滑動金屬夾子20設置在燈管17上，通過導線21與金屬支架18連接。本裝置包括金屬支架18，底部和地面良好接觸；長度為70厘米的紅色日光燈管17(紅色發光現象比較明顯)，沿著金屬支架上下移動的金屬夾子19，套在燈管17上自由移動的金屬夾子20，連接金屬夾子20與金屬支架18的導線21。

一種多功能氣體放電裝置的實驗操作方法，首先關閉真空泵，使玻璃球殼內的氣體處于常壓(1個標準大氣壓)，啟動高壓電路板，觀察并記錄金屬電極發生火花放電情況。打開真空泵，對密閉的玻璃球殼體內抽取真空，觀察并記錄真空表的數據和對應金屬電極發生火花放電情況。封閉玻璃球殼內有空氣，高壓電極上產生直流高壓，極間電壓達到幾千伏特，氣體中的正、負離子在強電場的作用下，產生快速的定向移動。離子與其他氣體分子碰撞，產生新的離子，導致離子數量急劇增加。在通常狀態下，空氣分子的平均自由程很小，每秒鐘一個分子要與其他分子發生幾十億次的碰撞，難以在兩次碰撞之間發生電子躍遷。當氣體壓強過小，例如低于0.0001毫米汞柱(約為0.0133帕斯卡)，氣體分子很少發生碰撞，沒有輝光產生。當氣體壓強在0.01毫米汞柱(約為1.33帕斯卡)，氣體分子的平均自由程為5毫米，離子在兩次碰撞之間獲得足夠動能，電子發生躍遷并且放出輝光。首先關閉真空泵，使玻璃球殼內的氣體處于常壓(1個標準大氣壓)，啟動電路，觀察到金屬電極4發生火花放電。電火花長度和電壓以及空氣濕度有關，作為一個經驗數字，大約1萬伏電壓引發火花跳動1厘米；2萬伏電壓時，電火花的長度為0.5厘米。打開真空泵5，對密閉的玻璃球殼抽取真空，當玻璃球殼內的氣體壓強下降到200帕斯卡，金屬電極出現輝光放電。輝光放電是高電壓、小電流的連續放電狀態，電流約為0.5毫安到幾十毫安，極間電壓為100伏到幾百伏特。輝光放電以金屬電極為中心，向玻璃球殼發射出去，形成立體輻射狀的輝光，類似點電荷激發的電場線分布。通過對玻璃球殼抽取真空，減小球殼內的氣體壓強，金屬電極由火花放電，轉變到低氣壓下的輝光放電。

常見的日光燈(熒光燈)管的內表面涂有一層熒光粉，熒光粉受到紫外光的照射，能發射出可見光，是一種固體的光致發光現象。通常將日光燈管內空氣抽出，充入少量的汞和惰性氣體，提高顯色指數和光效。本實驗可以進行日光燈的輝光放電實驗，通過改變不同的條件，可以得到變化的實驗現象。

用上下滑動金屬夾子19，固定日光燈管17，沿著金屬支架18在a端、b端之間上下移動。使靜電高壓發生器處于工作狀態，把燈管17的d端接觸高壓球體，燈管17發出紅色的輝光。這是由于高壓球體表明存在高電勢，燈管通過上下滑動金屬夾子19與大地連通，電勢為0，燈管內部存在較大的電勢差，能夠激發燈管內的氣體分子躍遷而發出輝光。把燈管17的d端離開高壓球體1，燈管的亮度減小，移動距離大約30厘米處，燈管的發光紅色消失。這說明高壓球體1的電場和電勢變化，距離越遠則電勢越小，最終燈管內部的電勢差(電壓)減小到無法激發氣體分子發出輝光。

第二，固定上下滑動金屬夾子19和燈管17，靠近高壓球體5厘米左右，使燈管發出紅色輝光。把金屬夾子20套在燈管17的一端位置，通過導線21連接金屬支架18。此時，燈管只有c端和d端之間的部分區域發出紅色輝光，其余區域顯示為不發光狀態。這是由于左右滑動金屬夾子20的c端與大地連通，電勢為0，c端和d端之間的燈管區間存在電勢差(電壓)，能夠激發氣體分子發光。但是c端和上下滑動金屬夾子19同樣處于接地狀態，它們之間的電壓為0，無法激發氣體分子定向移動，因此不會發出輝光。

實驗中的日光燈管17沒有連接到完整的閉合回路，這是氣體輝光放電現象，它的發光強度要小于連接到電路中的發光情況。對于報廢的日光燈管，只要它的玻璃外殼沒有破裂，也有類似的實驗現象。雖然由于報廢燈管兩端的燈絲斷裂，或者陰極發射物質消耗完畢，難以正常加熱發射熱電子啟動，但是燈管里面還有少量氣體分子和汞原子，在強電場作用下發生電離，同樣可以發出輝光。

把金屬支架18替換為人體，用手拿住燈管17的一端，由于人體與大地的良好接觸，同樣有類似的日光燈發光現象。它適合進行人體帶電的實驗，通過人體的電流極小，不會有任何不良反應，具有極大的趣味性和刺激性。

本發明還可以用做靜電場屏蔽實驗：

常見靜電屏蔽實驗使用金屬籠(法拉第籠)，連接高壓靜電電源，當金屬籠外表面粘貼的絲線張開，表明絲線帶電后相互排斥而散開；籠子內部的絲線不張開，表明內部電場強度為零。該實驗必須保證高壓電源良好接地，以防發生觸電危險。通過絲線張開以及角度大小，說明電場的存在及其變化情況，現象不夠生動直觀，對比程度不明顯，容易受到外界環境的干擾，例如空氣潮濕、空氣流動等因素的影響。

本實驗用日光燈的發光變化來顯示電場屏蔽，效果明顯，對比度強烈，實驗成功率高，不受外界環境的影響變化，可以多次反復操作，能夠對比電介質、導體在靜電場中的性質特點。

第一，在高壓球殼的pvc外罩9上，放置一塊絕緣材料(塑料板、紙板、木板等)，將日光燈管17的d端接觸絕緣材料，日光燈管的發光亮度沒有明顯變化，表明前后兩次電場變化微小。塑料板、紙板等是絕緣材料(電介質)，電介質處于靜電場中，會出現電荷的極化現象，同樣在電介質表面有電荷分布，周圍空間存在電場與電勢分布。

第二，在高壓球殼的pvc外罩9上，放置銅板(或鋁板、鐵板)等金屬，出現明顯的差異現象。當銅板與地面不接觸時，日光燈接觸銅板或者離開銅板，發光都比接觸絕緣材料更亮，表明金屬板對電場具有會聚作用，使得該區域的電場和電勢增加。但是，當銅板連接導線接地時，銅板沒有和玻璃球殼接觸，依靠空間電場分布而形成的電勢差，銅板和地面的電勢都為零，無論日光燈管是否接觸銅板，都沒有發光，顯示銅板具有良好的屏蔽電場作用。

本裝置可以作為各級學校的電磁學專業實驗器材，用來說明氣體放電的多種類型，包括輝光放電、尖端放電、電暈、電火花等不同形態。它們可以作為各類科技場館公開展示的實驗器材，具有安全系數高，現象生動直觀，成本低廉和維護方便，容易攜帶移動等特點。尤其利用日光燈進行的人體帶電實驗，沒有高壓觸電危險，只有極小的電流通過人體，適合廣大觀眾親自體驗和操作。

以上已對本發明創造的較佳實施例進行了具體說明，但本發明并不限于實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明創造精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請的范圍內。