用辉光球与日光灯开展趣味气体放电实验

摘要:介绍一种新型电子产品——辉光球,论述了辉光球的结构及工作原理,介绍辉光球及日光灯在开展趣味的物理实验中的应用,并论述了这种放电方式的主要特点。

关键词:辉光球;电子产品;物理;实验

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2010)8(S)-0054-2

辉光球是近年来新开发的一种娱乐电子产品,它能放射出绚丽多彩的辉光,许多科技展览馆和学校将其作为科学展示器材。其实,利用辉光球和生活中常见的日光灯,可以开展多种气体放电的趣味实验。

1 气体放电与辉光球发光

通常情况下气体不导电,但是在适当条件下气体分子发生电离产生自由移动的带电粒子,在电场作用下定向运动形成电流,称为气体放电。气体放电的微观机制大致分为三阶段:带电粒子被外电场加速后与气体原子碰撞,电荷动能转移到原子使其激发,激发原子返回基态时吸收的能量以辐射发光的形式释放。电子从阴极逸出的方式有加热、正离子轰击、施加强电场,相应的阴极发射则称为热电子发射、正离子轰击发射、场致发射。

辉光球主体是一个密闭的玻璃球壳,外观直径有4寸、8寸、16寸等。 腔体内部被抽成真空并充满氖气、氦气等惰性气体,通电后底板的环氧树脂基线路板将普通220V的交流电或12V的直流电转变成高频脉冲交流电,电压可达数千至一万伏,频率高达数百至数千赫兹。辉光球的球心由金属丝弯绕而成,形成一个指向球面的尖端,通电后产生尖端放电。释放的电子在强电场作用下加速撞击腔体里的氖气原子,气体原子电离成正离子和电子继续撞击其他气体原子,在金属堆与玻璃球壳之间形成气体放电现象,发出绚丽的弧光。辉光球放电机制主要是正离子轰击发射,符合辉光放电高电压、低电流、线光谱的特点。

透明玻璃壳体内充入气体不同,球内真空度不同,产生辉光颜色也不同:充入氖气呈现红色,充入氦气发出黄色光,充入氩气呈蓝灰色,充入氪气呈淡紫色等。辉光球通电后,球壳中央的电极周围形成一个类似点电荷的电场(图1)。人体电阻远小于周围空气的电阻,用手指接触玻璃球的外壳时,球壳周围的电场、电势分布不再均匀对称,手指的电势相对较低,更利于形成从球心而来的电势降落, 此时电流(即辉光)主要会聚图 1 辉光球放电在手指尖处,随着手指的移动而移动。

2 用辉光球和日光灯发光实验

对日光灯的构造与启动过程,高中《物理》有比较详细的说明。通常日光灯的启动与发光都要连接到电路中,有的还需要配置启辉器、镇流器、开关等。但是,只有单独的一根日光灯管,它也能发光吗?

手拿日光灯管靠近发光的辉光球附近(距离约2厘米左右),日光灯发出亮光(图2)。接触辉光球的玻璃外壳,日光灯发光亮度增加。另外,不用手拿灯管进行实验,用绝缘塑料绳悬挂日光灯管缓慢靠近辉光球,灯管也会发出辉光,但是远没有手持灯管时的亮度高。

图 2 日光灯放电实验

右手持日光灯管一端接触辉光球,左手握住灯管在前方缓慢移动,在接触辉光球的一端和左手之间的灯管发出辉光,两手之间的区域不发光。若将灯管中央接触辉光球,左右手各持一端。若两手到辉光球接触点距离大致相等时,两手之间的灯管区域有辉光产生。若左手距离接触点较远,则只有右手和接触点之间的灯管区域发光,反之亦然。辉光球半径较大时,在玻璃管壁上产生的电场强度与电势也较大。甲左手触辉光球,右手持日光灯管远离辉光球,日光灯管不发光。若另外一人乙用手触摸日光灯,日光灯猛地一闪后发出明亮的辉光,似乎甲成为携带高电压的超级“电人”。

以上几则实验,日光灯都没有连接到完整的闭合回路中,演示的是气体辉光放电现象。在接触辉光球一端和手之间的灯管内形成电场与电压降,满足气体辉光放电的正离子轰击发射与场致发射的条件。移动触摸灯管的左右手时,距离较近的手和辉光球之间的电压降较大,更容易加速电子撞击气体分子形成电离,使气体产生辉光。两手距离辉光球接触点大致相等时,两手之间的区域电压降相同,都能激发原子形成发光区域。与正常发光的日光灯不同,手持日光灯管发光亮度较小,适合在黑暗或光线较弱的场合演示,对于报废的灯管同样有辉光现象产生。这是由于报废灯管的灯丝或者烧断,或者阴极发射物质消耗殆尽,难以正常加热发射热电子启动,但是密闭的灯管内仍旧有少量的气体分子和汞原子,在强电场作用下可以电离与辐射发光。

利用火花发生器、范德格拉夫起电机等能够产生强电场的仪器,也可以进行日光灯辉光放电。火花发生器开启后输出端的金属针附近有较强的电压和场强,击穿空气产生火花放电。把日光灯管靠近金属针,管内气体被强电场击穿放电,发出明亮的辉光。由于金属针附近的电场不稳定,击穿空气后场强和电压迅速降低,需要等到下一个工作周期重新建立起较强的电场,受日光灯气体压力影响,只有靠近金属针的区域有辉光断断续续产生。

方鸿辉在《创造性物理实验》一书中介绍了“电人”点亮日光灯的方法,值得大家一试。让甲同学站在聚苯乙烯绝缘板上,手握8瓦日光灯管一个电极。乙同学手持一块透明塑料薄膜或化纤布,向甲同学身上反复拍打,不久甲同学身上带有高电压。乙同学伸手握住日光灯管的另一电极或中部,在光线较暗的环境下可以观察到灯管发生的微弱亮光。

日光灯辉光放电有以下特点:

(1) 存在较大的阴极位降,约100~200V。

(2) 灯管工作电流较小,约100mA左右。

(3) 属于低气压放电,形成不等温等离子体,电子温度Te气体温度。

(4) 放电管工作电流上升时,工作电压上升极小。

(5) 灯管的正柱区电位梯度很小,放电管的管压降主要由阴极位降决定。

参考文献:

[1]熊举峰,谭红明. 辉光球的教学演示设计[J].湖南中学物理,2009.7:42-43

[2]方鸿辉.创造性物理实验[M].上海科学普及出版社,1999.

[3]蔡祖泉.电光源原理引论[M].上海:复旦大学出版社,1988

(栏目编辑 王柏庐)