專利名稱：一種探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及物理實驗演示教學設備，更具體的說涉及一種探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺。
背景技術：
氣體放電現(xiàn)象在生活中較為常見，例如，雷雨天氣里的閃電，霓虹燈中的輝光放電等。在中學課本里，描述電子發(fā)現(xiàn)的歷史過程時，設計了光譜管進行輝光放電的演示實驗，使學生對氣體放電現(xiàn)象有了直觀認識，但書中對其放電機理只字未提。有的大學也利用真空鍍膜機的轟擊裝置研究氣體放電電壓和氣壓的關系，進行較為精確的測量，但儀器較為昂貴，不便于推廣。大部分現(xiàn)有的實驗儀器可以探究的因素比較單一，多為探究氣體放電電壓與氣壓之間的關系，并沒有涉及極間距、電流、不同氣體等因素的探究和演示。此外，現(xiàn)有的實驗裝置幾乎不能將火花放電、輝光放電、電暈放電、弧光放電等不同放電現(xiàn)象完整展示，也不能在一個裝置中實現(xiàn)各種氣體放電的重復探究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，其能夠完整的展示火花放電、輝光放電、電暈放電、弧光放電等不同放電現(xiàn)象，并且能夠控制電壓、氣壓、電流、極間距、不同氣體等因素，來觀察影響氣體放電時各因素間的關系。本發(fā)明所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，包括操作臺、真空泵、真空計、真空鐘罩、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、高壓電源和球形電極，在操作臺上設有操作面板，所述真空鐘罩為透明體，且與操作臺的上表面密封配合；所述真空泵和高壓電源安裝在操作臺內(nèi)；所述真空泵通過管道與真空鐘罩連接；所述真空計通過管道與真空鐘罩或與用于連接真空泵和真空鐘罩的管道連接；在真空罩內(nèi)設置有兩個球形電極，且分別與高壓電源的正負極連接，所述數(shù)字電流表串聯(lián)在球形電 極與高壓電源之間，所述數(shù)字電壓表并聯(lián)在高壓電源的正負極之間。進一步，在操作臺的上表面設置有通氣閥門，該通氣閥門通過導管與所述真空鐘罩連接。通過通氣閥門將不同氣體(例如氮氣、氦氣、汞蒸氣、氖氣、氫氣、氧氣等)充入真空鐘罩內(nèi)，實現(xiàn)了不同氣體的放電現(xiàn)象的探究。進一步，在真空鐘罩內(nèi)設置有極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)，包括主刻度尺、固定在主刻度尺零刻度線一端的固定塊、與主刻度尺滑動配合的游標尺，一球形電極通過銅棒與固定塊固定連接，該球形電極的球心位置與主刻度尺的零刻度線相對應，另一球形電極通過銅棒與所述游標尺固定連接，該球形電極的球心位置與游標尺上的零刻度線相對應，在游標尺上設置有旋緊螺釘。進一步，在連接真空泵與真空鐘罩的管道之間設置有三通轉(zhuǎn)換閥，所述真空計通過橡膠管與三通轉(zhuǎn)換閥連接。進一步，在操作臺的上表面還設置有加油孔，所述加油孔通過加油管道與真空泵連接，方便了將真空泵油加入真空泵中，對真空泵進行潤滑。進一步，所述操作臺的后側(cè)沿縱向開設有插槽，該插槽中設置有背景板，該背景板與插槽間隙配合，通過增設有背景板，利于觀察實驗現(xiàn)象。實驗前，將背景板從插槽中抽出，確保通氣閥門擰緊，防止漏氣，檢查高壓電源的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，確保電壓為零；檢查真空泵油量，若不足則從加油孔加泵油。實驗時，接通電源，打開真空泵開關，真空泵開始工作，真空泵將真空鐘罩內(nèi)空氣抽出，使真空鐘罩中的氣壓降低，其內(nèi)部真空度將在真空計上顯示，當真空度達到一定值時將真空泵開關關閉，此時真空鐘罩內(nèi)部將成為密封系統(tǒng),真空度保持不變。此時,打開開關使高壓電源開啟，通過電壓調(diào)節(jié)按鈕調(diào)節(jié)球形電極之間的電壓，瞬時電壓和電流示數(shù)通過數(shù)字電壓表和數(shù)字電流表讀出。在增大電壓或則改變氣壓的過程中，可觀察到火花放電、電暈放電、輝光放電、弧光放電，記錄擊穿電壓以及各種放電現(xiàn)象的電壓電流值，并結(jié)合現(xiàn)象分析數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。倘若需要探究極間距對氣體放電現(xiàn)象的影響，則可揭開真空鐘罩，通過極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變球形電極之間的極間距，再進行下一組實驗。倘若需要探究不同氣體的氣體放電現(xiàn)象時，可在真空泵將真空鐘罩內(nèi)的空氣抽到高真空度狀態(tài)時，將裝有其他氣體的容器口密閉連接通氣閥門，將通氣 閥門慢慢旋開，將待探究的氣體充入真空鐘罩內(nèi)，即可進行實驗。
本發(fā)明所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，由于具有上述結(jié)構(gòu)，其操作簡便，方便演示，完整的展示了火花放電、輝光放電、電暈放電、弧光放電等不同放電現(xiàn)象，并且能夠控制電壓、氣壓、電流、極間距、不同氣體等因素，來觀察影響氣體放電時各因素間的關系。本演示平臺有利于將氣體放電實驗在中學、大學實驗室中廣泛普及，也利于開發(fā)并在科普場所展示。


圖1為本發(fā)明的原理 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明中操作臺上控制面板的結(jié)構(gòu)示意 圖4為本發(fā)明中操作臺的后視 圖5為本發(fā)明極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)與球形電極配合的示意圖 圖6為真空鐘罩內(nèi)氣體擊穿瞬間球形電極兩端電壓與真空鐘罩內(nèi)氣壓關系 圖7為不同極間距下真空鐘罩內(nèi)球形電極兩端電壓與電流的關系圖。
具體實施例方式為了進一步解釋本發(fā)明的技術方案，下面通過結(jié)合附圖來對本發(fā)明進行詳細闡述。參見圖1至圖5所示，該探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，包括操作臺1、真空泵4、真空計14、真空鐘罩2、數(shù)字電流表15、數(shù)字電壓表16、高壓電源5和球形電極3 ；
操作臺I的前側(cè)面板為操作面板，在操作面板上設置有用于控制真空泵開啟及關閉的真空泵開關10、用于控制高壓電源5開啟及關閉的電源開關11、用于調(diào)節(jié)高壓電源5電壓大小的電壓調(diào)節(jié)旋鈕12。在操作臺I的后側(cè)面板上設有電源插槽21，散熱扇19，總開關18和排氣孔20。在操作臺的后側(cè)沿縱向開設有插槽(圖中未示出)，該插槽中設置有背景板6，該背景板6與插槽滑動配合；
所述真空鐘罩2為透明的玻璃鐘罩，其密封固定在操作臺I的上表面；所述真空泵4和高壓電源5安裝在操作臺I內(nèi)；所述真空泵4通過管道與真空鐘罩2內(nèi)的排氣孔連接，用于將真空鐘罩2內(nèi)的空氣抽出，通過排氣孔20排到演示平臺外部；在操作臺I的上表面設有加油孔7，通過加油管道與真空泵4連接，方便了將真空泵油加入真空泵中，對真空泵4進行潤滑。在連接真空泵4與真空鐘罩2的管道之間設置有三通轉(zhuǎn)換閥22，所述真空計14通過橡膠管與三通轉(zhuǎn)換閥22連接，通過閥門的開閉實現(xiàn)與真空鐘罩2的連通，用于測量真空鐘罩2內(nèi)的真空度，該真空計14測量真空度范圍為-0.1Mp-OMpa，精度等級為1.6級；
在操作臺I的上表面還設有通氣閥門8，通氣閥門8通過導管與所述真空鐘罩2連接，通氣閥門8可與平臺外部的儲氣裝置連接，通過通氣閥門8將其它儲存在儲氣裝置中的待探究的氣體(例如氮氣、氦氣、汞蒸氣、氖氣、氫氣、氧氣等)充入真空鐘罩2內(nèi)。在真空鐘罩2內(nèi)設置有兩個球形電極3,球形電極為直徑為15.74mm的鋼球,兩球形電極分別固定在兩根銅棒9的一端，一銅棒9與高壓電源的正極連接，另一銅棒9與高壓電源的負極連接，所述銅棒9的另一端分別與極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)13連接，兩者之間的連接處為絕緣體，避免導電，該極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)13位于真空鐘罩2中，包括主刻度尺23、固定在主刻度尺零刻度線一端的固定塊26、與主刻度尺滑動配合的游標尺24，一銅棒9與固定塊26固定連接，且固定在該銅棒上的球形電極的球心位置與主刻度尺的零刻度線相對應，另一銅棒與所述游標尺24固定連接，固定在該銅棒上的球心電極的球心位置與游標尺的零刻度位置相對應，游標尺24上設置有旋緊螺釘25，用于游標尺24與主刻度尺23的定位。需改變球形電極距離時，只需撥動游標尺，游標尺移動的距離可表示出極間距，移到所需位置后通過旋緊旋緊螺釘使游標尺相對主刻度尺固定不動。該距離調(diào)節(jié)機構(gòu)與游標卡尺類似，所述主刻度尺量度為3cm，以毫米為單位，游標尺上有10個小的等分刻度(圖中未示出)，總長9毫米，每一 分度為0.9毫米，比主尺上的最小分度相差0.1毫米，電極之間的距離的讀法可參照游標卡尺讀數(shù)的方法。所述高壓電源5為± 2500伏穩(wěn)壓電源，其上設有用于調(diào)節(jié)電壓大小的電壓調(diào)節(jié)旋鈕12，并附有相應量程的數(shù)字電壓表16、數(shù)字電流表15。所述數(shù)字電流表15串聯(lián)在球形電極與高壓電源之間，所述數(shù)字電壓表16并聯(lián)在兩球形電極之間。在數(shù)字電流表上設有電流量程調(diào)節(jié)按鈕17，用于選擇數(shù)字電流表的不同量程，單位分別為A和mA，也可在電流值過大時按回按鈕關閉數(shù)字電流表。實驗前，通過電源插槽21插上電源，打開總開關18，將背景板6從插槽處抽出，并檢查通氣閥門8是否擰緊，以防止漏氣；檢查電壓調(diào)節(jié)旋鈕12，確保高壓電源5的電壓為零；檢查真空泵4的油量，不足時從加油孔7加油。實驗時，打開真空泵開關10，真空泵4開始工作，散熱扇19也開始工作。真空泵4將真空鐘罩2內(nèi)空氣從排氣孔20排出，真空鐘罩2中的氣壓會降低，其內(nèi)部真空度將在真空計14上顯示出，且真空度達到一定值時將真空泵開關關閉，真空鐘罩內(nèi)部將成為密封系統(tǒng)，真空度可保持不變。此時，打開電源開關11，高壓電源5開啟，通過電壓調(diào)節(jié)按鈕12以調(diào)節(jié)球形電極3之間的電壓，瞬時電壓和電流示數(shù)可通過數(shù)字電壓表16和數(shù)字電流表15讀出。不同放電現(xiàn)象有不同的電流范圍，可通過按下電流量程調(diào)節(jié)按鈕17選擇數(shù)字電流表的不同量程，單位分別為A和mA。也可在電流值過大時按回按鈕關閉數(shù)字電流表。在增大電壓或改變氣壓的過程中，可觀察到火花放電、電暈放電、輝光放電、弧光放電，可記錄擊穿電壓以及各種放電現(xiàn)象的電壓電流值，并結(jié)合現(xiàn)象分析數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。倘若需要探究極間距對氣體放電現(xiàn)象的影響，則可揭開真空鐘罩，通過極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變球形電極之間的極間距，再進行下一組實驗。倘若需要探究其它氣體(例如氮氣、氦氣、汞蒸氣、氖氣、氫氣、氧氣等)的放電現(xiàn)象時，只需先把真空鐘罩中的空氣抽出，再通過通氣閥門將待探究氣體充入真空罩中便可進行下一步試驗。真空鐘罩內(nèi)氣體擊穿瞬間球形電極兩端電壓與真空鐘罩內(nèi)氣壓關系如圖6所示。不同極間距下真空鐘罩內(nèi)球形電極兩端·電壓與電流的關系如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，包括操作臺、真空泵、真空計、真空鐘罩、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、高壓電源和球形電極，在操作臺上設有操作面板，其特征在于:所述真空鐘罩為透明體，且與操作臺的上表面密封配合；所述真空泵和高壓電源安裝在操作臺內(nèi)；所述真空泵通過管道與真空鐘罩連接；所述真空計通過管道與真空鐘罩或與用于連接真空泵和真空鐘罩的管道連接；在真空罩內(nèi)設置有兩個球形電極，兩個球形電極分別與高壓電源的正負極連接，所述數(shù)字電流表串聯(lián)在球形電極與高壓電源之間，所述數(shù)字電壓表并聯(lián)在高壓電源的正負極之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，其特征在于:在操作臺的上表面設置有通氣閥門，該通氣閥門通過導管與所述真空鐘罩連接。
3.根據(jù) 權(quán)利要求1或2所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，其特征在于:在真空鐘罩內(nèi)設置有極間距調(diào)節(jié)機構(gòu)，包括主刻度尺、固定在主刻度尺零刻度線一端的固定塊、與主刻度尺滑動配合的游標尺，一球形電極通過銅棒與固定塊固定連接，該球形電極的球心位置與主刻度尺的零刻度線相對應，另一球形電極通過銅棒與所述游標尺固定連接，該球形電極的球心位置與游標尺上的零刻度線相對應，在游標尺上設置有旋緊螺釘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，其特征在于:在連接真空泵與真空鐘罩的管道之間設置有三通轉(zhuǎn)換閥，所述真空計通過橡膠管與三通轉(zhuǎn)換閥連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，其特征在于:在操作臺的上表面還設置有加油孔，所述加油孔通過加油管道與真空泵連接，方便了將真空泵油加入真空泵中，對真空泵進行潤滑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，其特征在于:所述操作臺的后側(cè)沿縱向開設有插槽，該插槽中設置有背景板，該背景板與插槽間隙配合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種探究氣體放電現(xiàn)象的演示平臺，包括操作臺、真空泵、真空計、真空鐘罩、數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、高壓電源和球形電極，真空鐘罩密封在操作臺的上，真空泵通過管道與真空鐘罩內(nèi)連接；真空計通過管道與真空鐘罩連接；在真空罩內(nèi)設置有兩個球形電極，分別與高壓電源的正負極連接，數(shù)字電流表串聯(lián)在球形電極與高壓電源之間，數(shù)字電壓表并聯(lián)在高壓電源兩極之間。本發(fā)明能夠完整的展示火花放電、輝光放電、電暈放電、弧光放電等不同放電現(xiàn)象，并且能夠通過控制電壓、氣壓、電流、極間距、不同氣體等因素，來探究各因素對氣體放電的影響。
文檔編號G09B23/06GK103247204SQ20131016004
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月3日
發(fā)明者王彪, 王黎陽, 劉閏, 劉少華, 郭培東, 魏東, 梁晶晶, 周思媛 申請人:西南大學