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低压气体直流击穿特性实验报告
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【实验原理与内容 】
实验原理
低气压气体击穿现象 气体放电分为自持放电和非自持放电。
非自持放电是指存在外电离原因的条 件下才能维持的放电现象。
自持放电是指没有外电离因素， 放电现象能够在导电 电场的支持下自主维持下去的放电过程。
气体从非自持放电到自持放电的过度现 象，成为气体的击穿。
气体发生这种放电方式转化的电场强度称为击穿场强， 相 应的放电电压称为击穿电压。
帕邢定律
1889 年帕邢研究了低气压(气压1-100Pa)放电的击穿现象，发现低气压气 体在平行板电极条件下， 其击穿电压 Vs 是气压和电极间隙之积 Pd 的函数，并找 到了击穿电压的最小值， 这一击穿电压与间距和气压乘积的函数关系称为帕邢定 律。
实验发现：击穿电压与 Pd 的函数在开始是非线性关系， 先下降后上升一段， 但后来是线性上升的；并且在特定的 Pd 值时，击穿电压有极小值，整条曲线成 对勾状。对于所有的气体，在低气压范围内，其击穿电压与 Pd 值的函数曲线具 有相似性，这就是帕邢定律的普适性。
实验内容 测量某低气压值所对应的氩气的击穿电压， 并根据测量数据绘制出氩气的帕 邢曲线。
【实验仪器及功能】
低气压直流辉光放电发生装置：提供气体放电的场所，为气体放电提供电压。
氩气的控制与调节系统：为实验提供氩气，调节放电管的气压。
直流数字电压表：读取二极管两端和气体两端电压。
多量程电流计：测量通过气体的电流。
【实验方法与步骤 】
总体方法
本次实验主要是测量氩气在4-100Pa气压下所对应的击穿电压，用所测得数 据进行描点，然后拟合出帕邢曲线。测量时，将气压稳定在一个值，然后不断增 大两极的电压，直至显示二极管两端的电压发生突变，记下突变前的两极电压， 即作为该气压下氩气的击穿电压， 每一个气压对应测量三次， 取平均值即为该气 压下氩气的击穿电压。
具体步骤
测量两电极之间间距。
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。
打开电源开关；开启循环水泵，检查循环水是否正常。
打开真空计开关。
开启机械泵，抽真空至 2-3Pa。
调节减压阀，使得流量计前气压在 0-1 个大气压之间。
调节流量计的通气流量，至放电管内气压为 20Pa。
实验仪的功能选择开关调至“击穿电压”测量档。
调节电源的电压输出，可以先快速调节，然后在快到击穿时缓慢调节电压， 直至气体发生击穿现象。读取击穿时的电压.记录气压和电压的数值.把电压降 至0V.在缓慢增加电压的过程中，时刻观察电压表和指示二极管管压降的指示.每 个气压条件下，至少要重复3次测量，直到测得比较稳定的击穿电压。
不同测量 回合得到的击穿电压变化要小于5%
依次增加气体流量，每次增加10Pa,重复步骤(9)。直至气压达到100 Pa， 这中间至少要测量8组数据。
减小气压至20Pa,重复步骤(9) o
依次减小气压，每隔2Pa,重复测量，直至4Pa,这中间至少测量7个点。
实验完毕后，调节气体流量控制旋钮至最小位置， 调节电压至最小值，依次
关闭电压、机械泵、冷却水，电源开关。
【实验数据分析】
1.20-100Pa的实验数据
气体压强P(Pa)
20
33
40
54
61
73
81
91
击穿电压Vs(V)
270
344
352
:429
452
494
528 1
561
274
347
362
425
448
492
526
558
276
345
361
420
446
491
525
557
平均值Vs(V)
273
345
358
425
449
492
526
559
2.4-20Pa的实验数据
气体压强P(Pa)
21
18
15
11
9.6
7.8
6.4
4.0
击穿电压Vs(V)
320
286
288
:294
320
338
362 1
500
320
290
287
290
323
335
361
504
319
294
298
P 290
322
337
361 ]
498
平均值Vs(V)
320
290
291
291
322
337
361
501
注：平均值为击穿电压三次测量值的平均值。
放电间隙：50mm
【实验结果与讨论】
1.根据数据绘制出的帕邢曲线 (如图1,图2)
2?帕邢曲线分析
由图得，气压为16.5Pa时有最低击穿电压289NA即，最佳击穿条件为16.5Pa，最 小击穿电压为289V。
3?帕邢曲线成因分析
气体被击穿时满足汤森击穿条件：1 + 丫= 丫 ？？
其中a和丫是a过程和丫过程的汤森系数，d是放电电极间隙。丫是与电极 材料和离子能量有关的，与压强 P无关。a是气压P和场强(V/d)的函数： a= AP
其中A和B为实验常数。
因此，由汤森击穿条件可知，在本实验中a达到一个定值时，气体就会发生 击穿。从而得到：
?=Ing
?=
Ing
A?
ln?1+1/
可知，击穿电压与气体压强的关系与曲线吻合
图1：计算机绘制氩气的帕邢曲线
O60O504030100102030405060708090
O
60
O
50
40
30
100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
气压(Pa)
图2:手描氩气的帕邢曲线
6010 20 30 40 50 60 70 80 90 100气压（Pa）o o O504030
60
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
气压（Pa）
o o O
50
40
30
20
00
【思考题】
1.击穿电压是气体击穿发生的电压，但在本实验中测量的却是放电的熄灭电压， 为什么不是直接记录放电管击穿时的电压呢？
答:熄灭电压是击穿之后再减小电压， 直到放电结束的那个电压，而击穿电压是 放电从非自持状态过度到自持的那个电压， 熄灭电压的环境是存在了很多很多的 电子离子，而击穿过程发生在电子数不断增加的过程，因而需要电压不断增高， 以积累足够电荷，以至电荷产生的电场影响了外加电场， 故测量的是放电的熄灭 电压。
2?你对提高实验中击穿状态的判断精度还有什么建议。
答: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，舍去不合理数据，所测数据之间的差值 要控制在数据的 5%以内，最后将合理的数据求平均， 即为最后的该压强下的击穿 电压。
【实验心得与感悟】
第一组数据从 20Pa 开始测量，而且继续测量气压较高的地方。因为刚开始 空气在管内部仍有残留，若从 4Pa 左右的气压条件开始测量，会造成氩气不纯， 影响实验结果。若从100Pa开始测量，会造成仪器打开不久就经历高压发热， 易
减损仪器寿命。而20Pa左右出现了最低击穿电压，继续向高气压方向进行是为 了减小管内气体成分的影响， 并在高气压实验过程中把管内空气稀释， 尽量接近 真空。可见，一个实验的步骤设计是要全方位，多因素考虑，不得有半点马虎。
考虑不周，会造成很大的误差。
在调节20-4Pa气压的时候难度比20-100Pa的大，所以需要更加耐心和认真。
调节气压稳定后才可转动电压调节钮，开始测量此时的击穿电压。
在测量 20-4Pa 气压所对应的击穿电压时，每次读取数据，数据都是一闪而 过，所以一定要仔细，最好是两人配合，一个人看二极管两端电压值，一个人看 气体两端电压值。在测量 20-100Pa 气压所对应的击穿电压时，可直接凭借气体 两端电压的突变，读出数值，可以人进行读数操作。
参考文献：
余虹,张家良,等.大学物理实验 . 北京：科学出版社 2011： 195~199.
徐学基,气体放电物理学 . 上海：复旦大学出版社， 2003.
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