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1低压气体直流击穿特性实验论文班级：化工1309姓名：申星学号：201325016【摘要】通过直流辉光等离子体实验发生装置，研究氩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，得到了氩气的帕邢曲线，给出了氩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【实验原理与内容】1.实验原理(1)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。(2)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。2.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】1.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。2.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。3.直流数字电压表：读取二极管两端和气体两端电压。4.多量程电流计：测量通过气体的电流。【实验方法与步骤】1.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。2.具体步骤(1)测量两电极之间间距。(2)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。(3)打开电源开关；开启循环水泵，检查循环水是否正常。2(4)打开真空计开关。(5)开启机械泵，抽真空至2Pa以下。(6)调节流量计的通气流量，至放电管内气压为10Pa。(7)实验仪的功能选择开关调至“击穿电压”测量档。(8)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，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%。(9)依次增加气体流量，每次增加5Pa，重复步骤(8)。直至气压达到100Pa。(10)减小气压至10Pa，每次降2Pa，重复步骤(8)。(11)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)1015202530354045击穿电压Vs(V)446491534589625642678759456510541583620644670751459497523585621652686760平均值Vs(V)453.667499.333532.667585.667622646678756.667气体压强P(Pa)5055606570758085击穿电压Vs(V)785828872906936973101710667868258629029379831013106178982386491093498110151063平均值Vs(V)786.667825.333866906935.66797910151063.33气体压强P(Pa)9095100864击穿电压Vs(V)109411181176487448434109311141174484457420109011111175483439435平均值Vs(V)1092.331114.331175484.7448439.7注：平均值为击穿电压三次测量值的平均值。3.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）2.帕邢曲线分析由图得，气压为6Pa时有最低击穿电压439V。即，最佳击穿条件为6Pa，最小击穿电压为439V。33.帕邢曲线成因分析气体被击穿时满足汤森击穿条件：1+γ=γ𝑒𝛼𝑑。其中α和γ是α过程和γ过程的汤森系数，d是放电电极间隙。γ是与电极材料和离子能量有关的，与压强P无关。α是气压P和场强（V/d）的函数：α=AΡ𝑒−𝐵𝑃𝑑/𝑉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α达到一个定值时，气体就会发生击穿。从而得到：𝑉s=𝐵𝑃𝑑ln(A𝑃𝑑ln(1+1/𝛾))然而，所得到的曲线与预期的吻合度并没有那么高。此曲线本来应该是有一个下降的趋势。而我们得到的曲线基本处在一个上升的趋势。经过老师的指点，我们得知是仪器的原因导致我们几乎没有出现最小值。实验的误差较大。【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10Pa开始测量，而且继续测量气压较高的地方。因为我们刚020040060080010001200140048152535455565758595击穿电压与气体压强关系击穿电压Vs(V)4开始将空气抽的更干净，更接近真空。从而导致我们调节变得十分敏感。但是从4Pa左右的气压条件开始测量时，会更接近实验结果。然而我们还是在6Pa左右出现了最低击穿电压，曲线与试验曲线有些许不符。这是由于仪器出现问题，敏感度太高的原因。我们在测量前几组的时候，电压会经历两次突变。可是我们刚开始没有注意到，所以测量错了机组。幸好及时改正。但是也浪费了很多时间。所以做实验一定要仔细。不然影响稳定性还浪费时间。在调节10-4Pa气压的时候难度比10-100Pa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10-4Pa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，在测量10-100Pa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：[1]余虹,张家良,等.大学物理实验.北京：科学出版社2011：195~199.[2]徐学基,气体放电物理学.上海：复旦大学出版社，2003.