实验讲义四--气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验
篇一:帕邢定律公式
实验四---气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验
一 实验目的
1 理解直流电气击穿的机制 2 验证帕邢定律
二 实验装置
直流辉光放电等离子体装置
三 实验原理
在直流电气放电中，气体的击穿电压由下式决定：
Vb?
Cpd
ln[Apd/ln(1?
1
?f(pd))
?
上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于pd的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen）定律。
最小击穿电压：
将帕邢定律对pd进行微分并使微商等于零，得到最小击穿电压发生时的
pd值，
(pd)min?
eA
ln(1?
1
?
1
)?
2.718A
ln(1?
1
?
)
Vb,min?e
CA
ln(1?
?
)?2.718
CA
ln(1?
1
?
)
四 实验内容和步骤
1 在保持pd乘积不变的条件下，取不同的p、d值共5组，测量对应的气体击穿电压。将测量结果填入表1。
2 改变pd的值，让其单调变化，取不同pd值共9组，测量对应的击穿电压。将测量结果填入表2，并绘制V-pd曲线图。
3 根据测量结果，分析击穿电压与pd乘积的关系，以及击穿电压与p、d值的关系。
具体步骤如下：
a 按照实验内容的要求，讨论和制定最优的实验测量方案。
b拧松极板密封螺帽，调节两极板距离至所需距离d，再拧紧极板密封螺帽。 c插上电源线，将总电源开关打开。
d关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。 e调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压P，开高压，并将工作选择打到击穿电压测量。
f缓慢调节高压大小，当击穿电压显示突然增大并显示为0.5V时，记下此时的高压值即为击穿电压值V。调节工作气压，记下相应的击穿电压值。 g 改变极板距离，重复上述过程并记录其它极板距离时的击穿电压值。 h将不同极板距离d和工作气压P对应的击穿电压V，按要求填入下表，并绘制V-pd曲线。
表1 pd乘积不变时变击穿电压V
表2 pd单调变化时击穿电压V
思考题：1.思考击穿电压最小值存在的原因.
2.影响气体击穿电压测量重复性的因素有哪些?
低气压气体直流击穿特性----帕邢曲线
篇二:帕邢定律公式
低气压气体直流击穿特性------帕邢曲线
姓 名：张会钦
院 系：物理与光电工程学院
班 级：1004
学 号：201021017
指导老师：
大连理工大学
一、引言
气体放电是指在电场作用下气体中发生的导电现象，是气体中的原子或者分子等中性粒子因为某种激励因素的作用而发生电离产生正负带电粒子的结果。不同的工作条件下产生的气体放电现象，具有不同的放电特性，低气压气体放电是研究最早，理论最为成熟，应用最为广泛的放电现象。气体放电分为非自持放电和自持放电，从非自持到自持放电的过渡现象称为击穿过程。
二、摘要
本实验使用的是氩气从理论上说是为了掌握汤森击穿理论，理解帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性，从操作上说是为了认识低气压气体直流击穿现象．测量氩气击穿的帕邢曲线。
三、 正文
【实验目的】
（1）研究低气压的实现和维持方法，了解气压测量原理。
（2）认识低气压气体直流击穿现象，研究放电条件与气体击穿状态的关系，初步体会寻找物理联系的研究方法。
（3）尝试从对实验现象的理性分析得到理论普遍性规律的认识过程。
【实验仪器】
1. 低气压直流辉光放电发生装置
2. 氩气的控制与调节送气系统
3. 直流数字电压表，多量程电流计
【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．汤森放电理论
气体从非自持放电到自持放电的整个过程的所有现象是 1903 年前后汤森首先发现并进行了详细研究，根据研究结果提出了汤森放电理论，这类放电过程称为汤森放电。汤森认为：气体放电的发生是气体分子或原子被电离产生电子和离子的结果，在外加电场作用下，电离产生的电子可以被加速，获得能量的电子又可以增强气体的电离，而离子在获得能量后可以轰击阴极产生二次电子发射。气体的击穿就是二次电子发射和电子雪崩电离的共同结果。汤森引入了α过程和γ过程描述电子雪崩电离和二次电子发射。
根据汤森的理论气体放电至击穿的过程分为以下的步骤：气体中由于宇宙射线的存在，使得气体中总是存在一定的电离，这称为剩余电离。当外加电场较小时，只是剩余电离产生的电子被电场驱动定向运动，形成电流，此时电流密度很低并且在空间的分布是均匀的，电流随电压首先线性增加，逐渐趋于电流饱和。这是一种暗放电，放电区域不发光。随着电场的继续增加，电子逐渐获得了更高的能量从而发生电子碰撞电离使放电区的电子数量进一步提高，导致电流快速增
加。同时，电子碰撞电离过程也伴随大量光辐射过程，光辐射照射阴极表面而发生光电效应，产生阴极电子发射，也使得电子密度进一步增加．在电离发生的过程中产生电子的同时也产生离子，离子是向阴极运动的。随着电场的继续增强，离子的能量也在增加．当电场达到一定强度时，离子轰击阴极的能量会足够大，从而在阴极产生二次电子发射，这一过程称为α过程，实际上二次电子发射和阴极光电效应过程统称为α过程。γ过程的发生又极大提高了阴极发射电子的能力．当阴极发射足够强以至于满足自持条件时，气体放电自持而发生气体击穿。根据汤森理论，可以建立起汤森击穿条件如下[1 ]：
1+γ=γe*αd
其中α和γ是α过程和γ过程的汤森系数，也称为汤森第一电离系数和第三电离系数，d 是放电电极间隙
3．帕邢定律
如前所述，两个放电电极间的电压增加时，放电电流随之增加，当电压增至一定值时，放电电流突然增加，放电转变为自持放电，气体发生击穿．气体发生击穿的临界电压称为气体击穿电压．
1889 年Paschen 研究了低气压放电的击穿现象，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 的函数在一定区间内是线性关系，但在另外一些区间是非线性的；并且在特定的Pd 值时，击穿电压有极小值；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．
帕邢定律可以利用汤森理论加以解释．
【实验步骤】
（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
（4）打开真空计开关．
（5）开启机械泵，抽真空至2-3Pa，大约需要15 分钟．
（6）调节减压阀，使得流量计前气压在0-1 大气压之间．
（7）调节流量计的通气流量，至放电管内气压为20Pa．
（8）试验仪的功能选择开关调至《击穿电压》测量档
(9) 调节电源的电压输出，可以快速调至250V，然后在缓慢调节电压，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100V． 注意：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小于5%为宜。
（10）增加气体流量，使气压升高至30Pa, 重复（9）的测量
（11）依次增加气体流量，每次增加10Pa，重复（9）．直至气压达到120 帕．
（12）减小气压至18Pa，重复（8）．
（13）依次减小气压，每隔2 帕，重复测量，直至5 帕。
（14）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。
【数据处理】
四、参考文献
（1） 徐学基：《气体放电物理学》，上海：复旦大学出版社， 2003 年。
等离子体 作业
篇三:帕邢定律公式
等离子体
班级 物理1102 作者 张远辉 学号110801216
摘要：本文阐述了如何观察直流气体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的分析，理解辉光等离子体的电学特性。并且详述了直流电气击穿的机制，最后验证了帕邢定律。
关键词：直流气体的唯象结构 辉光等离子体 直流电击穿 帕邢定律
一、引言
等离子体，又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等。科学的进一步发展提新的技术和工艺，现已广泛用于金属加工、电子工业、医学技术、显示技术、薄膜制造及广播通讯等诸多部门，对等离子体的研究也在不断深入，并出现了崭新的局面。现在已有不少院校正计划开设或已经开设了等离子体方面的实验。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔（I．Langmuir）和汤克斯（L.Tonks）首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。
二 、实验目的
1、观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线的测量，理解辉光等离子体的电学特性。
2、理解直流电气击穿的机制，验证帕邢定律。
三 、实验原理
直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量帕邢定律公式。
低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在作显著差异。经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：
从左至右，其唯象结果如下：
等离子体参数
a:等离子体密度：单位体积内（一般以立方厘米为单位）某种带电粒子的数目。ni 表示离子浓度，ne 表示电子密度。
b:等离子体温度：对于平衡态等离子体（高温等离子体）温度是各种粒子热运动的平均量度；对于非平衡态等离子体（低温等离子体），由于电子、离子可以达到各自的平衡态，故要用双温模型予以描述。一般用Ti表示离子温度，Te表示电子温度。
c:等离子体频率：表示等离子体对电中性破坏的反应快慢，是等离子体震荡这种集体效应的频率。 粒子震荡频率，电子震荡频率
d:德拜长度：等离子体内电荷被屏蔽的半径，表示等离子体内能保持的最小尺度。当电荷正负电荷置于等离子体内部时就会在其周围形成一个异号电荷的“鞘层”。德拜长度
等离子体参数的静电探针诊断原理
单探针 双探针
大致I-V函数关系曲线见下图：
eIiTe?dI由此可知：电子温度 2kdV(I?0,V?0)
等离子体密度 n?I?kTe0.61eSmi
气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验
在直流电气放电中，气体的击穿电压由下式决定：
Vb?Cpd
ln[Apd/ln(1?)1?f(pd)
?
上式表明某一特定气体的击穿电压仅仅依赖于pd的乘积，这一现象被称为帕邢（Paschen）定律。
最小击穿电压：
将帕邢定律对pd进行微分并使微商等于零，得到最小击穿电压发生时的pd值，
(pd)min?e12.7181ln(1?)?ln(1?) A?A?
Vb,min?e
C1C1ln(1?)?2.718ln(1?) A?A?
四、实验器材
直流辉光放电等离子体装置
五、实验内容
直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量
1了解直流辉光放电等离子体装置的工作原理，观察直流辉光放电现象，画出示意图，并进行分析。
2 根据放电电压和放电电流的特点，提出电压和电流测量的实验方案，画出电路图。
3 取3个不同的工作气压，测量辉光放电阶段的放电电压、电流，将测量结果填入下表。绘制电压-电流曲线，与理论相对照，自主分析其中的差异，并分析原因。分析工作气压对伏安曲线的影响机制。
4在电极距离一定的情况下，采用Langmuir双探针测量三组探针I-V变化数据，其中前两组为直流功率一定，不同气压，后两组为气压一定，不同功率。将所得数据添入表2
5 绘制出I-V曲线。由曲线斜率根据上述公式计算出电子温度和等离子体密度。例如：
6 根据计算结果，分别分析功率和气压对等离子体参数的影响及影响机理。
具体步骤如下：
a 插上电源线，将总电源开关打开。
b 关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。 c 调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压，开高压，并将工作选择打到辉光放电测量。
d 调节高压大小，同时调节电流量程，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果，每隔20V记录一组数据，共20组。
e 将电压、电流测量结果填入表1，并绘制电压-电流曲线。
f 将工作选择打到探针测量，开高压，并调节至所需功率。
g 开探针电压，缓慢调节电压和电流量程，依次记录I-V关系数据。
h将探针电压调小，并关闭探针电压，将探针反过来与电流表和电压表串联 重复上述过程依次记录I-V关系数据，将数据记入表2。
i在其它直流功率和气压下重复上述过程。
气体击穿电压的测定及帕邢定律验证实验
1 在保持pd乘积不变的条件下，取不同的p、d值共5组，测量对应的气体击穿电压。将测量结果填入表1。
2 改变pd的值，让其单调变化，取不同pd值共9组，测量对应的击穿电压。将测量结果填入表2，并绘制V-pd曲线图。
3 根据测量结果，分析击穿电压与pd乘积的关系，以及击穿电压与p、d值的关系。
具体步骤如下：
a 按照实验内容的要求，讨论和制定最优的实验测量方案。
b拧松极板密封螺帽，调节两极板距离至所需距离d，再拧紧极板密封螺帽。 c插上电源线，将总电源开关打开。
d关闭气源流量，打开隔膜阀，并依次打开冷却水，真空泵，电阻真空计。 e调节气源流量和隔膜阀将气压稳定在所需工作气压P，开高压，并将工作选择打到击穿电压测量。
f缓慢调节高压大小，当击穿电压显示突然增大并显示为0.5V时，记下此时的高压值即为击穿电压值V。调节工作气压，记下相应的击穿电压值。 g 改变极板距离，重复上述过程并记录其它极板距离时的击穿电压值。
h将不同极板距离d和工作气压P对应的击穿电压V，按要求填入下表，并绘制V-pd曲线。
大学物理实验研究报告
篇四:帕邢定律公式
大学物理实验研究报告
实验名称：低压气体直流放点击穿特性
院系：化工与环境生命学部
班级:化机1201
姓名：代钰莹
学号：201242067
摘要
通过低气压直流辉光放电发生装置，研究了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：汤森击穿判据、帕邢定律、放电击穿、击穿电压、直流辉光放电。
一、实验原理与内容
1、实验原理简述
帕邢定律是表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。1889年由帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。帕邢定律的公式为：????=??????
ln? ，式中A和B在一定E/P范围内是常数。γ为离子撞击阴极时所
发生的电子发射的过程系数。
帕邢曲线是根据帕邢定律的函数表达式所绘制的曲线，表达的物理意义为：击穿电压U是电极距离d和气压P乘积的函数。
帕邢定律在一定Pd范围有效。气压过高或过高真空中，帕邢定律不适用。 帕邢曲线的主要特点是：提高气压或是降低气压到真空都能提高间隙击穿电压，这概念在实际应用中是有意义的。曲线在特定的Pd值时，有最小的击穿电压。
2、实验内容
（1） 实现低气压气体直流击穿过程。测量氩气的帕邢曲线。
（2） 理解汤森击穿理论，掌握帕邢曲线的物理意义，认识帕邢曲线的普遍性。
二、实验仪器及设备
直流辉光等离子体实验装置帕邢定律公式。
该装置是一台辉光放电综合实验装置，可以完成4项实验项目。因此在实验前面板上设有“工作选择”开关，本次实验内容应设定在“击穿电压测量”一档。该装置有四个功能部分构成：
（1）放电管：用于实现氩气的击穿和放电。
（2）放电电源：可以提供0-1000V 的可调电压输出，为放电管提供电场。
（3）氩气的送气与调节系统，以及气压测量。
（4）基于二极管导通特性的击穿电压测量系统。此外，为了保持放电管的温度
恒定，必须对放电电极实施冷却，装置还附带了循环水冷却系统。
三、实验方法与步骤
1、实验方法
（1）测量氩气在电极间隙为4-8cm，气压在4-100Pa范围内的击穿电压数据。
（2）绘制氩气的帕邢曲线，找出最小击穿电压和最佳击穿条件。
2、实验步骤
（1）测量两电极之间的实际间距。
（2）检查放电管与电源之间的电路连接是否可靠；电压调节旋扭是否最小位置；帕邢定律公式。
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。
（4）打开真空计开关。
（5）开启机械泵，抽真空至2-3Pa，大约需要15分钟。
（6）调节减压阀，使得流量计前气压在0-1大气压之间（指导教师准备）。
（7）调节流量计的通气流量，至放电管内气压为20Pa。
（8）试验仪的功能选择开关调至《击穿电压》测量档。
（9）打开高压电源开关。
（10）调节电源的电压输出，可以快速增至200V，然后继续缓慢升高电压，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。然后，把电压降至0V以下，为下一次测量做好准备。在减小电压的过程中注意观察放电熄灭电压，并注意其与击穿电压的差别。
注意：
① 增加电压的过程中，密切观察放电管电压表头和击穿电压表头的示数。 ② 每个气压下，至少要重复3次测量，以三次击穿电压测量值之间的偏差不大于15%为成功测量，以得到可靠击穿电压。
③在气压较高时，击穿前后，放电管的电压会有明显下降。接近击穿时的
放电管电压为气体击穿电压。
（11）增加气体流量，使气压升高至30Pa左右,重复（10）的测量。
（12）依次增加气体流量，每次增加10Pa左右，重复（10）。直至气压达到100Pa。
得到8组实验数据即可。
（13）减小气压回复至20Pa左右，重复（10）。
（14）依次减小气压，每隔2Pa测量一组数据，直至4Pa。测得7-8组数据即可。
（15）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。
四、 实验数据与分析
时出现转变。
五、实验结果与讨论
由excel绘制的帕邢曲线图如下：
结合数据和帕邢曲线可知，氩气的最小击穿电压为280V,氩气在电极间隙为5.0cm时的最佳击穿条件为气压为16Pa，Pd值为80Pa*cm。
最小击穿电压的成因：氩气压强太大或太小都不利于气体起辉，当压强较大时，放电管内中性粒子束较多，当电压较小时，已电离的粒子碰撞中性粒子，由于粒子在单位路程内碰撞的粒子束多，很难使中性粒子电离，因此必须提高极板电压，而当气体压强过小时，带电粒子碰撞中性粒子的概率大大降低，也很难起辉。
六、讨论题解答
1、击穿电压时气体从非自持放电到自持放电的击穿发生电压，放电的熄灭则是反过程，熄灭电压为什么与击穿时的电压不同？
答：击穿之后再减小电压，直到放电结束的电压称为熄灭电压。击穿电压为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，故击穿电压要高于熄灭电压。
2、简述判断击穿的原理，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，剔除不合理数据,减小偶然误差。
3、第一组数据为什么从20Pa开始测量？而且为什么首先向气压较高方向继续 测量？
答：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。
4、为什么在20Pa以上气压范围内的气压步幅大于20Pa以下气压范围步幅？ 答：小于20Pa时，击穿电压的变化较小，而由于气体并不是完全在真空状态下充入，气体本身会产生一定压强，为减小这些压强的作用，故在20Pa以下采取小步幅。
5、重复测量20Pa的击穿电压，会有所不同，什么原因？
答：真空机不断进行抽气，放电管内氩气浓度发生变化。每次进行击穿实验后放电管内都有剩余的已电离气体粒子，这些都会使结果发生变化。
6、较高气压时，气体击穿后放电管电压为什么突然下降？
答：这是由于击穿后电流电流自动增加放电电压借助回路自动适应调整，特别是亚辉光放电模式下的伏安特性呈现负阻性导致电压降低。另外气压较低时可以观察到辉光放电发光先在阳极附近建立，随着气压的增大击穿时辉光放电逐渐向阴极附近扩散。
6、每次重复测量之前，为什么把电源电压调至0V？
答：使放电熄灭去除部分电离的粒子，也避免了在调节气压过程中出现再次击穿，使下一组数据的测量的初始条件较上一组变化不大。
七、心得体会
本次实验让我对低电压气体的击穿特性有了更深入的了解,培养了我细心和耐心的实验素质，学会了与他人合作要合理分工提高工作效率。我认为需要注意的是：首先测量顺序必须严格遵守，数据从20Pa至100Pa，进行线性区测量，而后调回20Pa，从20Pa开始逐渐降低气压测量。其次每次读取完击穿电压值后，必须先调回0V。实验过程中很多数据都是一闪而过，要集中注意力测量以保证数据的准确性，还要注意各仪器开关的先后顺序，实验中比较危险的步骤是调节氩气气瓶处的阀，老师的帮助让我们避免了危险情况，谢谢老师的帮助和指导！
http://m.myl5520.com/mingrenmingyan/109372.html