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實驗名稱：氣體放電等離子體特性實驗(一)
實驗原理: 等離子體是物質(zhì)存在的第四種形態(tài)，與物質(zhì)三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）相提并論。等離子體由帶正負(fù)電荷的粒子和中性原子組成，并在宏觀上保持電中性。
氣體輝光放電現(xiàn)象分析：
當(dāng)放電管內(nèi)的氣壓降低到幾十個毫米汞柱以下，兩極加以適當(dāng)?shù)碾妷簳r，管內(nèi)氣體開始輝光放電，輝光由細(xì)到寬，布滿整個管子。當(dāng)壓力再降低時，輝光便分為明暗相間的八個區(qū)域，而大多數(shù)的區(qū)域集中在陰集附近。八個極分別是：I阿斯頓暗區(qū)，II陰極光層，III陰極暗區(qū)，IV負(fù)輝區(qū)，V法拉第暗區(qū)，VI正輝區(qū)，VII陽極暗區(qū)和VIII陽極輝光。
I阿斯頓暗區(qū)(Aston dark space):這是緊靠陰極的一個極薄的區(qū)域。電子剛從陰極發(fā)出，能量很小，不能使氣體分子電離和激發(fā)，因而就不能發(fā)光，所以是暗區(qū)。長度約有1毫米。
II陰極光層(Cathode layer):在阿斯頓暗區(qū)之后，很微薄的發(fā)光層。因為電子經(jīng)過區(qū)域I被加速，具有了較大的能量，當(dāng)這些電子遇到氣體分子時，發(fā)生碰撞，電子的一部分能量使氣體分子的價電子激發(fā)，當(dāng)它們跳回到基態(tài)時，便輻射發(fā)光。
III陰極暗區(qū)(Cathode dark space):緊靠陰極光層，兩者不易區(qū)分。由于電子經(jīng)過區(qū)域II時，絕大部分沒有和氣體分子碰撞，因此它所具有的能量是比較大的，但電子激發(fā)氣體分子的能量又必須是在一定的范圍內(nèi)，能量超過這一范圍則激發(fā)的兒率是很小的。因此形成了一個暗區(qū)。在這一區(qū)域中，形成了極強(qiáng)的正空間電荷，結(jié)果絕大部分的管壓都集中在這一區(qū)域和陰極之間。于是正離子以很大的速度打向陰極，因而從陰極又脫出電子，而這些電子又從陰極向陽極方向運(yùn)動，再產(chǎn)生如上所述的激發(fā)和電離的過程。實驗已經(jīng)確定，陰極暗區(qū)的長度d與氣體壓強(qiáng)P的乘積是一個常數(shù)。即：
Pd=常數(shù)
因此當(dāng)氣體壓強(qiáng)降低時，陰極暗區(qū)的長度增加。
IV負(fù)輝區(qū)(Negative glow):它是陰極暗區(qū)后面一個最明亮的區(qū)域，并與陰極暗區(qū)有明顯的分界。這一區(qū)域，形成了較強(qiáng)的負(fù)空間電荷，也就形成了負(fù)電場。由于這些電子速度小，很容易附著在氣體分子上，形成負(fù)離子，并與從陰極暗區(qū)擴(kuò)散出來的正離子復(fù)合而發(fā)光。負(fù)輝區(qū)中離開陰極越遠(yuǎn)，光的強(qiáng)度也越來越弱，最后消失。
V法拉第暗區(qū)(Faraday dark space):它由負(fù)輝區(qū)過渡而來，比上述各區(qū)厚。它的形成是由于電子在負(fù)輝區(qū)中已損失了大部分能量，進(jìn)入這一區(qū)域內(nèi)已經(jīng)沒有足夠的動能來使氣體分子激發(fā)，所以形成暗區(qū)。法拉第暗區(qū)與負(fù)輝區(qū)界限不明顯，與陽輝區(qū)之間有明顯的界限。
以上I至N區(qū)是陰極位降區(qū)，I至V區(qū)稱為陰極部分。
VI正輝區(qū)(Positive column):在法拉第暗區(qū)之后出現(xiàn)一均勻光柱，亦稱正柱區(qū)。因為電子在電場的作用下，通過法拉第暗區(qū)時，能量漸漸增加，但又不斷發(fā)生彈性碰撞，使電子運(yùn)動方向改變，進(jìn)入正輝區(qū)后，其速度將逐漸地接受麥克斯韋分布律。正輝區(qū)又叫等離子區(qū)，最主要的特點(diǎn)：(1)氣體的高度電離 (2)在等離子區(qū)內(nèi)，帶正電和帶負(fù)電的粒子的濃度幾乎相等，因而形成的空間電荷，實際上等于零。等離子區(qū)任意點(diǎn)的軸向電位梯度是恒定的，因此往往是均勻連續(xù)的光柱。
VU陽極暗區(qū)(Anode dark space）：
VM陽極輝光(Anode glow）：
正輝區(qū)VI與陽極之間是陽極區(qū)(Anode region).有時在其中可以看見陽極暗區(qū)Vd(Anode dark space），在陽極暗區(qū)之后是緊貼在陽極上陽極輝光VIfl (Anode glow).陽極暗區(qū)與陽極輝光兩區(qū)其存在與否取決于外線路電流的大小、陽極面積和形狀等。
（二）用試探電極法研究等離子區(qū)：
所謂試探電極就是在放電管里引入的一個金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體的形狀有圓柱的、平面的、球形的等等。試探電極是研究等離子區(qū)的有力工具，利用探極的伏特-安培曲線，可以決定等離子區(qū)各種參量。測量線路如圖1所示。在測量時保持管子的溫度和管內(nèi)氣體壓強(qiáng)不變。
圖1圖2
實驗所測得的探極電壓和電流畫成曲線，如圖2所示。對這一特性曲線作如下的解釋：
AB段表示加在探極上的電壓比探極所在那一點(diǎn)的空間電位負(fù)得多（以陽極為參考點(diǎn)的探極電位），在探極周圍形成了正的空間電荷套層。套層的厚度一般小于等離子區(qū)中電子的自由路程。這時探極因受正離子的包圍，它的電力線都有作用在正離子上，而不能跑出層外，因此它的電場僅限于層內(nèi)。根據(jù)氣體分子運(yùn)動理論，在單位時間內(nèi)有個正離子靠熱運(yùn)動達(dá)到探極上，形成的負(fù)電流 ，式中vi是正離子的平均速度，ni為正離子濃度，S為探極面積，e為電子電荷，從式中看出，Ii不隨時探極電壓而變化，因此AB段為近似平行于橫軸的直線。隨著探極上負(fù)電壓的減少，正離子套層變薄，當(dāng)負(fù)電壓減至B點(diǎn)時，熱運(yùn)動速度大的電子將有足夠的能量穿過正離套層，而到達(dá)探極上，因而電流增加較快。當(dāng)電壓減至vi(C點(diǎn)）時，則電子電流和離子電流相等，即電流等于零。探極電壓再減低時，則慢的電子也能穿過正離子套層而到達(dá)探極上，故電流向相反方向增加很快(CDE段)。當(dāng)V=vs時，即探極電壓與探極所在那一點(diǎn)的空間電位相等時，正離子套層消失，全部電子都可以達(dá)到探極時。由此可知，電流為零測量的vf不是探極對應(yīng)的管內(nèi)那一點(diǎn)的空間電位，而vs才是那一點(diǎn)的真實電位。
EF段是由于探極電壓高于那一點(diǎn)的空間電位，在探極周圍形成了套層，于是就給電子以加速度。探極電壓的增加，吸引的電子增多，電流和電壓的止分之一次方成比例。因此EF段也是比較平坦的。當(dāng)探極電壓比空間電位高得多的時候，周圍的氣體分子被電離，故電流迅速增加，而且因為電子能量很大，會把探極轟擊熔化。
我們對BE段最感興趣，因此下面將詳細(xì)地加以討論。
正離子和電子是靠熱運(yùn)動而到達(dá)探極上的。在曲線BD段內(nèi)，探極電壓比空間電位低，因此它的電場是阻止電子運(yùn)動的，靠近探極的電位是連續(xù)變化的，電子處在有勢場中，根據(jù)波耳茲曼理論，電子的速度服從麥克斯韋速度分布律的。因此靠近探極表面的電子濃度
。其中no為等離子區(qū)中未經(jīng)干擾的電子濃度，V是探極電壓與該點(diǎn)的空間電位的差，即Vo =V一Vs，Te是等離子區(qū)中電子的等效溫度，K是波耳茲曼常數(shù)。由氣體分子運(yùn)動論可知，當(dāng)電子的濃度為n。，平均速度為Ve時，單位時間內(nèi)落到探極上的電子數(shù)，S為探極面積。所以電流強(qiáng)度
兩邊取對數(shù)得：
設(shè)等式右邊第一項和第二項為常數(shù)，由此式變成：
由實驗得出InIe-V特性曲線,其中BD表示電流的對數(shù)與電壓珠關(guān)系是直線的，因此就證明了等離子區(qū)中的電子速度是服從麥克斯韋速度分布律的。由這直線的斜率tanθ即可求出等離子區(qū)電子的等效溫度Te。
在一般的計算中，經(jīng)常使用常用對數(shù)( Ina=2.30xloga），并考慮電壓的單位，由實用單位（伏特）換算成靜電單位(1靜電單位電壓=300伏特），1安培=3x109靜電單位電流，1微安=3x1護(hù)靜電單位電流再將e和K代入上式，得
普通物理講過，服從麥克斯韋分布律的電子的平均速度，me是電子的質(zhì)量。
電子平均動能
由圖直線段BD在電流軸上的截距，可得出Iev，而求出電子濃度。
I eo為靜電單位。下面求出正離子平均速度vi。因為等離子區(qū)中電子的濃度和止離子的濃度相等，所以由圖2的AB段可以得到
可求出探極所在那一點(diǎn)的空間電位和等離子區(qū)軸向電場強(qiáng)度：
如果延長BD和FE,則交點(diǎn)K所對應(yīng)的Vs便是探極那一點(diǎn)的空間電位。測出探極在不同點(diǎn)的空間電位Vs1 , Vs2...... ,并除以兩點(diǎn)間的距離，就得出等離子區(qū)的軸向電場強(qiáng)度：
實驗內(nèi)容 :
氣體放電實驗裝置包含：帶探極的玻璃放電管，放電管高壓電源及調(diào)節(jié)裝置，探極電源及調(diào)節(jié)裝置，放電管真空系統(tǒng)（抽氣機(jī)，漏氣閥，真空測量裝置）等。實驗過程如下：
1，檢查實驗系統(tǒng)，高低壓電源調(diào)節(jié)于初始位置，關(guān)閉漏氣閥。
2，對放電管抽氣并通過調(diào)節(jié)漏氣閥維持10帕上下真空度。
3，慢慢調(diào)節(jié)高壓，直至放電管放電。
4，觀察和記錄氣體放電現(xiàn)象，了解放電分區(qū)與外界條件的關(guān)系。
5，在等離子區(qū)用探極法測定伏安特性。放電管__1二作狀態(tài)：V＜1000伏，I＜10毫安。探極測試電壓從一300伏到+100伏，記錄探極測試電壓和電流。注意在100伏以 下，電流增加快，測量點(diǎn)不要多，以免燒壞電極。
6，在半對數(shù)坐標(biāo)紙上作伏安特性，初步檢驗測量結(jié)果，測量誤差大的要重測。
7，關(guān)閉電源，在等離子區(qū)移動探極，重新測量一組數(shù)據(jù)，了解等離子區(qū)縱向電場分布。
8，計算電子等效溫度及電子濃度。己知探極直徑0o 8毫米，長度10毫米。
實驗數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理：
真空度： 45 帕；
探針直徑： 0.8 毫米；探針長度： 10 毫米；
放電管電壓： 860 伏特；放電電流： 10 毫安；
伏安特性測量數(shù)據(jù)表：電壓（伏特），電流（微安）。
電流 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
靜電單位電流 60000 90000 120000 150000 180000 210000 240000 270000 300000 330000 360000
電壓1 157.0 151.1 147.8 144.8 143.3 141.3 140.6 139.3 138.3 137.3 136.7
電壓2 155.9 150.0 146.5 144.0 142.7 141.0 140.2 139.2 137.9 137.2 136.6
電壓平均 156.5 150.6 147.2 144.4 143.0 141.2 140.4 139.3 138.1 137.3 136.7
靜電單位電壓 0.5217 0.5020 0.4907 0.4813 0.4767 0.4707 0.4680 0.4643 0.4603 0.4577 0.4557
LogI 1.301 1.477 1.602 1.699 1.778 1.845 1.903 1.954 2.000 2.041 2.079
lnI 11.002 11.408 11.695 11.918 12.101 12.255 12.388 12.506 12.612 12.707 12.794
可作圖如下：
將上圖斜率代入公式：
可得，電子等效溫度為：
Te=4.8*10-10/（27.642*1.38*10-16）＝1.26*105K。
又因為探針直徑為0.8毫米，探針長度為10毫米，所以有
S=пR2+2пRL=25.62mm2.
所以由
公式可得：
ve=6.972*109, 又由圖可得Ieo ＝25.317，所以有：
＝1.18*106
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