实验名称：气体放电等离子体特性实验(一)-自动

实验原理: 等离子体是物质存在的第四种形态，与物质三态（固态、液态、气态）相提并论。等离子体由带正负电荷的粒子和中性原子组成，并在宏观上保持电中性。
气体辉光放电现象分析：
 当放电管内的气压降低到几十个毫米汞柱以下，两极加以适当的电压时，管内气体开始辉光放电，辉光由细到宽，布满整个管子。当压力再降低时，辉光便分为明暗相间的八个区域，而大多数的区域集中在阴集附近。八个极分别是：I阿斯顿暗区，II阴极光层，III阴极暗区，IV负辉区，V法拉第暗区，VI正辉区，VII阳极暗区和VIII阳极辉光。
 I阿斯顿暗区(Aston dark space):这是紧靠阴极的一个极薄的区域。电子刚从阴极发出，能量很小，不能使气体分子电离和激发，因而就不能发光，所以是暗区。长度约有1毫米。
 II阴极光层(Cathode layer):在阿斯顿暗区之后，很微薄的发光层。因为电子经过区域I被加速，具有了较大的能量，当这些电子遇到气体分子时，发生碰撞，电子的一部分能量使气体分子的价电子激发，当它们跳回到基态时，便辐射发光。
 III阴极暗区(Cathode dark space):紧靠阴极光层，两者不易区分。由于电子经过区域II时，绝大部分没有和气体分子碰撞，因此它所具有的能量是比较大的，但电子激发气体分子的能量又必须是在一定的范围内，能量超过这一范围则激发的儿率是很小的。因此形成了一个暗区。在这一区域中，形成了极强的正空间电荷，结果绝大部分的管压都集中在这一区域和阴极之间。于是正离子以很大的速度打向阴极，因而从阴极又脱出电子，而这些电子又从阴极向阳极方向运动，再产生如上所述的激发和电离的过程。实验已经确定，阴极暗区的长度d与气体压强P的乘积是一个常数。即： （科教范文网http://fw.ΝsΕΑc.com编辑）
 Pd=常数
 因此当气体压强降低时，阴极暗区的长度增加。
 IV负辉区(Negative glow):它是阴极暗区后面一个最明亮的区域，并与阴极暗区有明显的分界。这一区域，形成了较强的负空间电荷，也就形成了负电场。由于这些电子速度小，很容易附着在气体分子上，形成负离子，并与从阴极暗区扩散出来的正离子复合而发光。负辉区中离开阴极越远，光的强度也越来越弱，最后消失。
 V法拉第暗区(Faraday dark space):它由负辉区过渡而来，比上述各区厚。它的形成是由于电子在负辉区中已损失了大部分能量，进入这一区域内已经没有足够的动能来使气体分子激发，所以形成暗区。法拉第暗区与负辉区界限不明显，与阳辉区之间有明显的界限。
 以上I至N区是阴极位降区，I至V区称为阴极部分。
 VI正辉区(Positive column):在法拉第暗区之后出现一均匀光柱，亦称正柱区。因为电子在电场的作用下，通过法拉第暗区时，能量渐渐增加，但又不断发生弹性碰撞，使电子运动方向改变，进入正辉区后，其速度将逐渐地接受麦克斯韦分布律。正辉区又叫等离子区，最主要的特点：(1)气体的高度电离 (2)在等离子区内，带正电和带负电的粒子的浓度几乎相等，因而形成的空间电荷，实际上等于零。等离子区任意点的轴向电位梯度是恒定的，因此往往是均匀连续的光柱。
 VU阳极暗区(Anode dark space）：
 VM阳极辉光(Anode glow）：
 正辉区VI与阳极之间是阳极区(Anode region).有时在其中可以看见阳极暗区Vd(Anode dark space），在阳极暗区之后是紧贴在阳极上阳极辉光VIfl (Anode glow).阳极暗区与阳极辉光两区其存在与否取决于外线路电流的大小、阳极面积和形状等。
 （二）用试探电极法研究等离子区： 中国大学排名
 所谓试探电极就是在放电管里引入的一个金属导体，导体的形状有圆柱的、平面的、球形的等等。试探电极是研究等离子区的有力工具，利用探极的伏特-安培曲线，可以决定等离子区各种参量。测量线路如图1所示。在测量时保持管子的温度和管内气体压强不变。
 图1图2
 实验所测得的探极电压和电流画成曲线，如图2所示。对这一特性曲线作如下的解释：
 AB段表示加在探极上的电压比探极所在那一点的空间电位负得多（以阳极为参考点的探极电位），在探极周围形成了正的空间电荷套层。套层的厚度一般小于等离子区中电子的自由路程。这时探极因受正离子的包围，它的电力线都有作用在正离子上，而不能跑出层外，因此它的电场仅限于层内。根据气体分子运动理论，在单位时间内有个正离子靠热运动达到探极上，形成的负电流    ，式中vi是正离子的平均速度，ni为正离子浓度，S为探极面积，e为电子电荷，从式中看出，Ii不随时探极电压而变化，因此AB段为近似平行于横轴的直线。随着探极上负电压的减少，正离子套层变薄，当负电压减至B点时，热运动速度大的电子将有足够的能量穿过正离套层，而到达探极上，因而电流增加较快。当电压减至vi(C点）时，则电子电流和离子电流相等，即电流等于零。探极电压再减低时，则慢的电子也能穿过正离子套层而到达探极上，故电流向相反方向增加很快(CDE段)。当V=vs时，即探极电压与探极所在那一点的空间电位相等时，正离子套层消失，全部电子都可以达到探极时。由此可知，电流为零测量的vf不是探极对应的管内那一点的空间电位，而vs才是那一点的真实电位。
 EF段是由于探极电压高于那一点的空间电位，在探极周围形成了套层，于是就给电子以加速度。探极电压的增加，吸引的电子增多，电流和电压的止分之一次方成比例。因此EF段也是比较平坦的。当探极电压比空间电位高得多的时候，周围的气体分子被电离，故电流迅速增加，而且因为电子能量很大，会把探极轰击熔化。 内容来自www.nseac.com
 我们对BE段最感兴趣，因此下面将详细地加以讨论。
 正离子和电子是靠热运动而到达探极上的。在曲线BD段内，探极电压比空间电位低，因此它的电场是阻止电子运动的，靠近探极的电位是连续变化的，电子处在有势场中，根据波耳兹曼理论，电子的速度服从麦克斯韦速度分布律的。因此靠近探极表面的电子浓度
 。其中no为等离子区中未经干扰的电子浓度，V是探极电压与该点的空间电位的差，即Vo =V一Vs，Te是等离子区中电子的等效温度，K是波耳兹曼常数。由气体分子运动论可知，当电子的浓度为n。，平均速度为Ve时，单位时间内落到探极上的电子数，S为探极面积。所以电流强度
 
 两边取对数得：
 
 设等式右边第一项和第二项为常数，由此式变成：
 由实验得出InIe-V特性曲线,其中BD表示电流的对数与电压珠关系是直线的，因此就证明了等离子区中的电子速度是服从麦克斯韦速度分布律的。由这直线的斜率tanθ即可求出等离子区电子的等效温度Te。
 
 在一般的计算中，经常使用常用对数( Ina=2.30xloga），并考虑电压的单位，由实用单位（伏特）换算成静电单位(1静电单位电压=300伏特），1安培=3x109静电单位电流，1微安=3x1护静电单位电流