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实验名称:低压气体直流放电击穿特性作者:马子越摘要:通过低气压直流辉光放电发生装置,研究了氮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,得到了氮气的帕邢曲线,给出了氮气的最小击穿电压和最佳击穿条件。关键词:帕邢定律;放电击穿;击穿电压;直流辉光放电 实验目的:(1) 通过实验了解气压的测量原理以及低气压的实验和维持方法。(2) 通过实验进一步了解气体放电的过程,对理论上气体放电的过程有进一步的认识。(3) 体验到从实验现象的分析到理论普遍性规律的一般认识过程,培养出理论联系实际的物理学思考的品质。实验原理: 常态下气体是绝缘体,不导电,但是如果有一定的外界条件,使气体中性粒子发生电离,并且数量达到一定的比例,在外加电场的情况下就会导电产生气体放电现象。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: 帕邢曲线是根据帕邢定律的函数表达式所绘制的曲线,表达的物理意义为:击穿电压U(千伏)仅是电极距离d(厘米)和气压P(托)乘积的函数.帕邢定律是表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。根据定值d,改变P,从而画出U随P变化的曲线即帕邢曲线。实验内容与步骤: (1)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; (2)依次打开电源开关预热,真空计开关,流量计电源开关,氩气瓶主阀门; (3)打开机械磊进行抽气,只显示的气压是最低值开始进行下一步的实验; (4)调节减压阀,使得流量计前气压在0-1 大气压之间 (5)调节通气流量,使得气压为20pa;(6)实验仪的功能选择开关调至“击穿电压”测量档 ;(7)调节电压输出,迅速增至250v,然后缓慢的增加电压值,至发生气体击穿,可以通过二极管两端的电压突变来确定,记录下发生气体击穿时的电压值,缓慢回调电压,直至放电熄灭,重复3次;(8)增加气体流量至30pa,重复(7),直至压强调到了100pa;(9)减小气压至5pa,重复(7),然后每次增加2pa左右,重复(7),记录下相应的实验数据;(10)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。测量方法: 测量顺序必须严格遵守,第一组数据从20Pa开始测量,而后依次增加10Pa至100Pa,进行线性区测量,而后调回20Pa,从20Pa开始逐渐降低气压测量,否则,如果在测完100Pa后直接测5Pa左右的时候,之前100Pa时在管内残留有较多的电离的粒子,会对试验产生很大影响。而且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,也避免了在调节气压过程中出现再次击穿,使下一组数据的测量的初始条件较上一组变化不大。由于气压小于20Pa时处于非线性区,所以在此区间测量间隔应减小.测量数据时要求每组测得3-6个数据,取近似相同的三组数据然后取平均值以提高实验精度。实验数据与处理d=6.90cm画出氮气的帕邢曲线为: U/VPd/cmmmHg实验结论:临界气压约为5Pa,最低击穿电压为289.0V。2cmmmHg之后增长特别快,符合指数增长规律。实验结果与讨论 氮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. 在实验中我深刻的体会到了理论与实际的区别,我们的操作条件可能不够完善,所以得出的临介气压与理论上的临界气压有区别,可能是刚开始测量时真空管内不完全是氮气,随着实验的进行,空气被逐渐排出,理应将20Pa及以后附近的点再测一遍。1.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,从而提高实验精度。院系:能源与动力学院班级:动1401姓名:马子越学号:201448018实验时间:2016年4月18日
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