本發(fā)明涉及放電裝置領(lǐng)域，特別是涉及一種日光燈輝光放電實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)操作方法。

背景技術(shù)：

電流通過(guò)氣體時(shí)，電離的氣體產(chǎn)生各種放電現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的氣體放電裝置主要使用升壓變壓器產(chǎn)生高壓，激發(fā)放電玻璃管內(nèi)的氣體發(fā)光，例如使用感應(yīng)圈、高壓直流電源、火花發(fā)生器等。這些實(shí)驗(yàn)裝置存在高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)，操作時(shí)需要保證接地良好，只能夠單純演示氣體放電，無(wú)法改變操作條件而獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

常見(jiàn)的日光燈(熒光燈)管的內(nèi)表面涂有一層熒光粉，熒光粉受到紫外光的照射，能發(fā)射出可見(jiàn)光，是一種固體的光致發(fā)光現(xiàn)象。通常將日光燈管內(nèi)空氣抽出，充入少量的汞和惰性氣體，提高顯色指數(shù)和光效?，F(xiàn)有的日光燈輝光實(shí)驗(yàn)對(duì)比度不強(qiáng)烈，實(shí)驗(yàn)成功率不高，受外界環(huán)境的影響變化，沒(méi)能多次反復(fù)操作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種日光燈輝光放電實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)操作方法，具有對(duì)比度強(qiáng)烈，實(shí)驗(yàn)成功率高，不受外界環(huán)境的影響變化，能多次反復(fù)操作進(jìn)行對(duì)比的設(shè)備和方法，解決現(xiàn)有日光燈輝光放電實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)比度不強(qiáng)烈和無(wú)法改變操作條件而獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的問(wèn)題。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案解決上述問(wèn)題：

一種日光燈輝光放電實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括靜電高壓發(fā)生器、空氣電荷收集器和實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的上方，空氣電荷收集器設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的周邊，其特征在于，所述靜電高壓發(fā)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(shè)置在玻璃球殼體內(nèi)，所述金屬電極設(shè)置在高壓電路板上，所述高壓電路板通過(guò)導(dǎo)線與玻璃球殼體外的電源連接，所述真空泵通過(guò)真空管與玻璃球殼體連通，所述真空管上設(shè)置有抽氣閥，所述真空表設(shè)置在真空管上，所述絕緣外罩設(shè)置在玻璃球殼體的外部；

實(shí)驗(yàn)裝置包括燈管、金屬支架、上下滑動(dòng)金屬夾子、左右滑動(dòng)金屬夾子和導(dǎo)線，所述燈管通過(guò)上下滑動(dòng)金屬夾子橫向設(shè)置在金屬支架上，左右滑動(dòng)金屬夾子設(shè)置在燈管上，通過(guò)導(dǎo)線與金屬支架連接。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，空氣電荷收集器包括支撐架、金屬球殼、金屬管、導(dǎo)線、氖管、電容器和火花放電器；所述金屬管橫向設(shè)置在支撐架頂部，所述金屬管兩端均設(shè)置有金屬球殼，所述導(dǎo)線的一端與金屬探頭連接設(shè)置在金屬管內(nèi)部，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(fā)明進(jìn)一步限定，高壓電路板為正離子發(fā)射電路板或負(fù)離子發(fā)射板。

本發(fā)明進(jìn)一步限定，正離子發(fā)射電路板包括電阻r1、r2、r3，若干個(gè)電容和若干個(gè)二極管，電容相互串聯(lián)連接形成電容回路，電源一端經(jīng)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(kāi)接入一個(gè)二極管，金屬電極的輸入端經(jīng)電阻r3和電阻r2與電容回路的折中位置的一個(gè)二極管一端連接，二極管相互串聯(lián)連接形成串聯(lián)二極管折鏈，串聯(lián)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(lián)二極管折鏈的輸出端與電阻r1的與電容連接端連接，串聯(lián)二極管折鏈相鄰兩個(gè)二極管的輸入端與輸出端間與電容回路中的兩個(gè)電容連接處連接。

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

本發(fā)明進(jìn)一步限定，金屬電極的長(zhǎng)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。

一種日光燈輝光放電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作方法，首先關(guān)閉真空泵，使玻璃球殼內(nèi)的氣體處于常壓(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，啟動(dòng)高壓電路板，觀察并記錄金屬電極發(fā)生火花放電情況；打開(kāi)真空泵，對(duì)密閉的玻璃球殼體內(nèi)抽取真空，觀察并記錄真空表的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)金屬電極發(fā)生火花放電情況；在靜電高壓發(fā)生器處于工作狀態(tài)，用上下滑動(dòng)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(dòng)，日光燈管通過(guò)上下滑動(dòng)金屬夾子經(jīng)金屬支架接地，把日光燈管的d端接觸靜電高壓發(fā)生器的玻璃球殼體，記錄日光燈管的發(fā)光情況；把日光燈管慢慢遠(yuǎn)離靜電高壓發(fā)生器的玻璃球殼體，記錄日光燈管的發(fā)光情況和日光燈管與靜電高壓發(fā)生器的玻璃球殼體的距離；把固定上下滑動(dòng)金屬夾子和日光燈管，靠近靜電高壓發(fā)生器的玻璃球殼體5厘米處，記錄燈管放光情況，把左右滑動(dòng)金屬夾子套在日光燈管的一端位置，通過(guò)導(dǎo)線連接金屬支架接地，記錄日光燈管的d端和c端間的發(fā)光情況和日光燈管c端后邊的發(fā)光情況。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是：

本發(fā)明靜電高壓發(fā)生器具有很好的絕緣安全保障，防止高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示的過(guò)程中能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要來(lái)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的條件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的條件的改變來(lái)獲取不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)節(jié)上下滑動(dòng)金屬夾子和左右滑動(dòng)金屬夾子使得燈管與玻璃球殼體間的距離發(fā)生變化，并改變燈管的導(dǎo)通長(zhǎng)度，從而使得對(duì)比對(duì)很好，非常合適高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明放電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明高壓電路板原理圖。

圖中標(biāo)號(hào)：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(dǎo)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(dòng)金屬夾子、20左右滑動(dòng)金屬夾子、21導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，包括靜電高壓發(fā)生器、空氣電荷收集器和實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的上方，空氣電荷收集器設(shè)置在靜電高壓發(fā)生器的周邊。靜電高壓發(fā)生器用于產(chǎn)生高壓靜電情況，為本設(shè)備的核心部分，空氣電荷收集器通過(guò)進(jìn)行收集電荷實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，空氣電荷收集器可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置多個(gè)。實(shí)驗(yàn)裝置主要是用于在實(shí)驗(yàn)條件改變部分，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要進(jìn)行不同的改變。

靜電高壓發(fā)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(shè)置在玻璃球殼體1內(nèi)。金屬電極4設(shè)置在高壓電路板3上。高壓電路板3通過(guò)導(dǎo)線與玻璃球殼體1外的電源2連接。真空泵5通過(guò)真空管8與玻璃球殼體1連通。真空管8上設(shè)置有抽氣閥6。真空表7設(shè)置在真空管8上。絕緣外罩9設(shè)置在玻璃球殼體1的外部。玻璃球殼體1為密閉的高強(qiáng)度玻璃球殼。在密封的高強(qiáng)度玻璃球殼體1內(nèi)，設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)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(zhǎng)度約為10厘米左右，根據(jù)球殼的大小(直徑約為20厘米)適當(dāng)調(diào)節(jié)，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(kāi)有小孔，與真空泵5連接。通過(guò)抽氣閥門(mén)對(duì)密閉的球殼進(jìn)行抽氣，減小球殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)與密度。真空表7可以顯示球殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，抽氣裝置通過(guò)真空橡皮管連接起來(lái)。整個(gè)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(fā)射電路板包括電阻r1、r2、r3，若干個(gè)電容和若干個(gè)二極管，電容相互串聯(lián)連接形成電容回路，電源2一端經(jīng)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(kāi)接入一個(gè)二極管，金屬電極4的輸入端經(jīng)電阻r3和電阻r2與電容回路的折中位置的一個(gè)二極管一端連接，二極管相互串聯(lián)連接形成串聯(lián)二極管折鏈。串聯(lián)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(lián)二極管折鏈的輸出端與電阻r1的與電容連接端連接，串聯(lián)二極管折鏈相鄰兩個(gè)二極管的輸入端與輸出端間與電容回路中的兩個(gè)電容連接處連接。把交流電壓峰值提高到3600伏特。實(shí)際電路中相應(yīng)增加升壓級(jí)數(shù)，產(chǎn)生更高的輸出電壓。金屬電極4用來(lái)發(fā)射離子。整個(gè)高壓電路搭建到pcb(印刷線路板)，用絕緣塑料盒封裝起來(lái)，使金屬電極4直立在塑料盒的上端。各個(gè)電容器c1——c13采用串聯(lián)方式，它們通過(guò)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(guò)連接電阻r1，r2，r3，限制電路中的電流大小。電容器設(shè)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(chǎn)生離子數(shù)量的多少。

具體的電路元器件：

d1——d10：采用型號(hào)1n4007通用硅材料整流二極管。利用二極管單向?qū)щ娦?，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(dǎo)線13、氖管14、電容器15和火花放電器17。金屬管12橫向設(shè)置在支撐架10頂部。金屬管12兩端均設(shè)置有金屬球殼11。導(dǎo)線13的一端與金屬探頭連接設(shè)置在金屬管12內(nèi)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?chē)臻g，存在大量被電離的帶電粒子?？諝怆姾墒占髂軌蛭娇臻g的帶電粒子，把它們收集到特定的電容器。通過(guò)電容器與火花放電線圈連接，產(chǎn)生斷續(xù)的電火花，由于放電線圈之間的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下空氣擊穿而發(fā)生尖端放電。

用長(zhǎng)度為30厘米的金屬管12(銅、鋁)充當(dāng)金屬探頭，負(fù)責(zé)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(dǎo)體表面的曲率半徑有關(guān)，導(dǎo)體半徑越大，電荷密度越大，附近的電場(chǎng)強(qiáng)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(dǎo)體，空氣中的流動(dòng)電荷容易集中在導(dǎo)體外表面，避免尖銳物體的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)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(zhǎng)度略大一些，根據(jù)需要和設(shè)計(jì)規(guī)模而確定。在金屬管探頭的幾何中心位置，焊接一個(gè)金屬螺絲釘，固定一根高壓絞合導(dǎo)線13的上端接頭，導(dǎo)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(shè)計(jì)一個(gè)火花放電器16，保證電容器15接地良好。

實(shí)驗(yàn)裝置包括燈管17、金屬支架18、上下滑動(dòng)金屬夾子19、左右滑動(dòng)金屬夾子20和導(dǎo)線21，所述燈管17通過(guò)上下滑動(dòng)金屬夾子19橫向設(shè)置在金屬支架18上，左右滑動(dòng)金屬夾子20設(shè)置在燈管17上，通過(guò)導(dǎo)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(zhǎng)度為70厘米的紅色日光燈管17(紅色發(fā)光現(xiàn)象比較明顯)，沿著金屬支架上下移動(dòng)的金屬夾子19，套在燈管17上自由移動(dòng)的金屬夾子20，連接金屬夾子20與金屬支架18的導(dǎo)線21。

一種日光燈輝光放電實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作方法，首先關(guān)閉真空泵，使玻璃球殼內(nèi)的氣體處于常壓(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，啟動(dòng)高壓電路板，觀察并記錄金屬電極發(fā)生火花放電情況。打開(kāi)真空泵，對(duì)密閉的玻璃球殼體內(nèi)抽取真空，觀察并記錄真空表的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)金屬電極發(fā)生火花放電情況。封閉玻璃球殼內(nèi)有空氣，高壓電極上產(chǎn)生直流高壓，極間電壓達(dá)到幾千伏特，氣體中的正、負(fù)離子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生快速的定向移動(dòng)。離子與其他氣體分子碰撞，產(chǎn)生新的離子，導(dǎo)致離子數(shù)量急劇增加。在通常狀態(tài)下，空氣分子的平均自由程很小，每秒鐘一個(gè)分子要與其他分子發(fā)生幾十億次的碰撞，難以在兩次碰撞之間發(fā)生電子躍遷。當(dāng)氣體壓強(qiáng)過(guò)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(fā)生碰撞，沒(méi)有輝光產(chǎn)生。當(dāng)氣體壓強(qiáng)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(dòng)能，電子發(fā)生躍遷并且放出輝光。首先關(guān)閉真空泵，使玻璃球殼內(nèi)的氣體處于常壓(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，啟動(dòng)電路，觀察到金屬電極4發(fā)生火花放電。電火花長(zhǎng)度和電壓以及空氣濕度有關(guān)，作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)字，大約1萬(wàn)伏電壓引發(fā)火花跳動(dòng)1厘米；2萬(wàn)伏電壓時(shí)，電火花的長(zhǎng)度為0.5厘米。打開(kāi)真空泵5，對(duì)密閉的玻璃球殼抽取真空，當(dāng)玻璃球殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)下降到200帕斯卡，金屬電極出現(xiàn)輝光放電。輝光放電是高電壓、小電流的連續(xù)放電狀態(tài)，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(fā)射出去，形成立體輻射狀的輝光，類似點(diǎn)電荷激發(fā)的電場(chǎng)線分布。通過(guò)對(duì)玻璃球殼抽取真空，減小球殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)，金屬電極由火花放電，轉(zhuǎn)變到低氣壓下的輝光放電。

用上下滑動(dòng)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(dòng)。使靜電高壓發(fā)生器處于工作狀態(tài)，把燈管17的d端接觸高壓球體，燈管17發(fā)出紅色的輝光。這是由于高壓球體表明存在高電勢(shì)，燈管通過(guò)上下滑動(dòng)金屬夾子19與大地連通，電勢(shì)為0，燈管內(nèi)部存在較大的電勢(shì)差，能夠激發(fā)燈管內(nèi)的氣體分子躍遷而發(fā)出輝光。把燈管17的d端離開(kāi)高壓球體1，燈管的亮度減小，移動(dòng)距離大約30厘米處，燈管的發(fā)光紅色消失。這說(shuō)明高壓球體1的電場(chǎng)和電勢(shì)變化，距離越遠(yuǎn)則電勢(shì)越小，最終燈管內(nèi)部的電勢(shì)差(電壓)減小到無(wú)法激發(fā)氣體分子發(fā)出輝光。

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

實(shí)驗(yàn)中的日光燈管17沒(méi)有連接到完整的閉合回路，這是氣體輝光放電現(xiàn)象，它的發(fā)光強(qiáng)度要小于連接到電路中的發(fā)光情況。對(duì)于報(bào)廢的日光燈管，只要它的玻璃外殼沒(méi)有破裂，也有類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。雖然由于報(bào)廢燈管兩端的燈絲斷裂，或者陰極發(fā)射物質(zhì)消耗完畢，難以正常加熱發(fā)射熱電子啟動(dòng)，但是燈管里面還有少量氣體分子和汞原子，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生電離，同樣可以發(fā)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(fā)光現(xiàn)象。它適合進(jìn)行人體帶電的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)人體的電流極小，不會(huì)有任何不良反應(yīng)，具有極大的趣味性和刺激性。

以上已對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明創(chuàng)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(qǐng)的范圍內(nèi)。