对气体放电影响因素的探究＊

1 引言

人教版高中物理教材选修3-5的“原子的结构”一章提到汤姆孙通过气体放电管的系列实验发现了电子，人们又通过研究稀薄气体放电得出氢原子光谱等.可见，气体放电在原子结构的探索中起到了重要线索的作用.但是，在课本中介绍相关实验时，仅局限于气体放电管的单一演示，且缺乏相应的实验操作与探究.针对该问题，笔者利用常用器材设计了一套演示气体放电的实验平台，对气体放电全过程予以展示，并定量探究了气压、电压、电流、极间距（放电电极间的距离）等因素对气体放电的影响.

2 实验介绍

2.1 实验过程

该实验采用了真空钟罩、真空计、高压直流电源、旋片式抽气泵、万用表，具体连接如图1所示.实验步骤见“中学物理教学中气体放电的演示与探究”.［1］

图1

2.2 实验现象及分析

2.2.1 火花放电

在保持气压与极间距一定时，随着电压升高，首先出现火花放电.根据流注理论的解释，［2］它是由一个主电子崩形成多个次电子崩，次电子崩不断混入主电子崩并扩散到阴极，所以实验中观察到火花放电是分叉的，且光是量子化的，则出现了闪烁放电的现象.当极间电压继续升高，气体放电就会从非自持放电过渡到自持放电，进入辉光放电.

2.2.2 辉光放电

火花放电的过程中，小球两端的电压达到着火电压时，放电过程由非自持放电过渡到自持放电，此时，电流I会继续增大，小球两端的电压U下降进入辉光放电，从阴极到阳极的放电空间出现_了明暗相间的光层分布，如图2.这是由于带电粒子从阴极球面发射出来，不断向外散射，到达阳极的带电粒子密度逐渐减少.由于空气以氮、氧为主，而氮气的负辉区呈现蓝色，氧气的负辉区呈黄色.［3］因此，在辉光放电实验时，就可以看到淡紫色的负辉区.

图2

2.2.3 弧光放电

当电流较大、气压较高时，从电极的阴极到阳极形成耀眼的白色光流柱，就出现了弧光放电，如图3所示.

图3

2.2.4 电晕放电

当球形电极的间距较大时，极间就会形成极不均匀的电场，并在曲率半径小的电极附近发生局部电离，发出大量光辐射，形成电晕放电，如图4.

图4

2.3 实验数据

实验中，笔者着重选取了辉光放电时电流与电压的数据进行了处理，如图5所示.

图5

在极间距d＝19.82mm和压强p＝5500Pa时，当电压和放电电流很小时，辉光放电仅发生在阴极表面的小部分，只有较小的阴极亮斑.随着放电电流的增大，阴极亮斑也逐渐增大；如图5所示，电压随电流接近线性增长阶段，直至放电充满阴极表面.当极间电压U上升到0.83kV，出现了稳定辉光放电，电流I逐渐增大，而U保持不变.直到U＝0.83kV，I＝3.03mA时，随电流I的增加，电压反而逐渐减小.当U＝0.4kV，I＝4.02mA时，再一次出现电流I逐渐增大，小球两端电压U保持不变.

目前，中学尚无探究各种气体放电现象的实验装置，该装置可以作为教学仪器，也可用于课外拓展实验.