輝光球放電特性分析

張禹濤 劉瓊 郭英 劉明偉 周達(dá)林

摘 要：測量輝光球放電參數(shù)，根據(jù)介質(zhì)阻擋放電原理解釋放電現(xiàn)象，討論安全問題，發(fā)現(xiàn)利用輝光球可以實(shí)現(xiàn)常壓空氣中電暈、沿面流光和體積介質(zhì)阻擋放電三種模式，存在嚴(yán)重安全隱患。

關(guān)鍵詞：輝光球;等離子體;介質(zhì)阻擋放電

中圖分類號：O539 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、概述

等離子體是物質(zhì)第四態(tài)，從人們?nèi)粘Ｉ畹杰娛骂I(lǐng)域、天文探索、等離子體都具有重要研究價(jià)值。輝光球演示實(shí)驗(yàn)是展現(xiàn)等離子體特性的有力工具，價(jià)格低，現(xiàn)象新奇，具有很好的科普展示

作用，經(jīng)常出現(xiàn)在科技館、學(xué)校、餐廳及商業(yè)活動(dòng)中，對提升廣大青少年科學(xué)興趣非常有幫助[1-3]。在輝光球?qū)嶒?yàn)中，大家關(guān)注的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一是觀察絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象，二是用手指接觸玻璃球殼引起放電通道集中，并隨手指移動(dòng)，三是在輝光球旁邊放置氣體放電燈管，觀察燈管發(fā)光現(xiàn)象，或者演示靜電現(xiàn)象[3]?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)講義在解釋放電物理機(jī)制時(shí)，都是簡單的定性解釋，沒有定量測量放電參數(shù)，這對高年級學(xué)生，尤其是大學(xué)生顯得深度不夠?，F(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于輝光球安全問題的討論也較少，沒有注意到一些不規(guī)范行為可能引起的觸電和火災(zāi)危險(xiǎn)，這些因素都不利于輝光球演示實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步推廣，對演示人員也存在著嚴(yán)重的安全隱患。

本文利用示波器測量了輝光球放電參數(shù)，根據(jù)介質(zhì)阻擋放電原理解釋放電現(xiàn)象，探討利用輝光球作為高壓電源產(chǎn)生大氣壓空氣中低溫等離子體的可能性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析引起觸電與火災(zāi)危險(xiǎn)的原因。

二、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

一個(gè)寸愛心牌輝光球，直徑11cm，功率8W。一個(gè)衰減比例為1∶1000的P6015A高壓探頭，用于測量電壓信號。針電極長度20mm，直徑?1mm，前端錐度30°，一臺Tektronix示波器，一個(gè)1μf無極性電容器用于測量放電功率，測量功率時(shí)電容一端通過電阻接球殼，另一端接地，用一個(gè)阻值2kΩ，功率20W電阻代表人體電阻，用一個(gè)阻值1MΩ，功率10W電阻代表實(shí)驗(yàn)人員穿絕緣鞋時(shí)總體電阻，測量電壓信號時(shí)電阻一端接球殼，另一端接地，即電阻和高壓探頭是并聯(lián)的。

圖1（a）是用P6015A探頭直接接觸輝光球懸空時(shí)測得的電壓波形。峰-峰值為4950V，正負(fù)半周波形不對稱，正半周峰值為2700V，底部寬度14.03微秒;負(fù)半周峰值為2250V，底部寬度20.39微秒。周期為34.42微秒，即頻率為29.05kHz。引起正負(fù)半周波形不對稱的原因是電極結(jié)構(gòu)不對稱，正負(fù)流注的發(fā)展機(jī)制不同[1]。由于日光燈管工作電壓最高220V，有的僅需幾伏，如果把普通日光燈管放在輝光球附近，在強(qiáng)場強(qiáng)作用下就會放電發(fā)光。玻璃球殼產(chǎn)生高壓的原因是由電極結(jié)構(gòu)決定的，中央電極是高壓電極，放電產(chǎn)生等離子體通道，輸送的電荷積累在玻璃球殼上，引起電位升高。在文獻(xiàn)[1-3]中，都沒有介紹玻璃球殼電壓準(zhǔn)確范圍。現(xiàn)有文獻(xiàn)認(rèn)為由于玻璃球內(nèi)氣壓低，所以放電通道類似于日光燈，是均勻分布的，這種泛泛的解釋顯然不夠準(zhǔn)確，不能說明為什么放電通道總體上接近均勻分布，但是卻隨時(shí)間緩慢移動(dòng)問題。從放電模式分析，輝光球里面的放電應(yīng)該屬于介質(zhì)阻擋放電。原因是，放電發(fā)生后，等離子體通道輸運(yùn)的電荷積累在玻璃球殼表面，由于球殼是絕緣介質(zhì)，導(dǎo)電性差，不能迅速擴(kuò)散開來，積累的電荷形成反向電場，隨著放電的進(jìn)行電荷越來越多，反向電場逐漸增強(qiáng)，最后抵消了引起放電的高壓電極電場，使放電熄滅[1-2]。由于玻璃球殼橫向電阻大，電荷積累在已經(jīng)熄滅的通道附近，而遠(yuǎn)處沒有足夠強(qiáng)的反向電場，因此產(chǎn)生新的放電，避免了放電通道的集中，從外觀上看，出現(xiàn)放電通道移動(dòng)現(xiàn)象。等到電極電壓反向時(shí)，積累有電荷的位置由于電壓高，優(yōu)先放電，最后再被熄滅，如此循環(huán)，提高了放電通道分布的均勻性。[4]

常見的輝光球演示實(shí)驗(yàn)之一是，手指在球殼上移動(dòng)，放電通道也會隨之移動(dòng)。文獻(xiàn)[2]中對此的解釋是人體相當(dāng)于電極，與大地相連，引起電場分布不再對稱，在手指處場強(qiáng)較強(qiáng)。這種解釋對下述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯得不夠詳細(xì)。在實(shí)驗(yàn)中觀測到，如果在玻璃球殼表面放置一塊厚10mm、面積20cm2絕緣橡膠，仍然會出現(xiàn)放電集中現(xiàn)象。如果人體和大地是絕緣的，即人穿絕緣鞋或者站在絕緣膠皮上接觸輝光球，也會出現(xiàn)放電通道隨指尖跳舞的現(xiàn)象。如果用面積為1cm2鋁箔覆蓋球殼外表面，在鋁箔處依然會出現(xiàn)放電通道集中現(xiàn)象。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該深入分析這些現(xiàn)象的物理機(jī)制，說明電場增強(qiáng)的原因。其正確原理應(yīng)該是，覆蓋絕緣物時(shí)，由于其介電常數(shù)大于1，引起球殼外部場強(qiáng)降低，由于高壓電極電壓是一定的，從而使球殼內(nèi)場強(qiáng)增強(qiáng)，增強(qiáng)放電。覆蓋鋁箔等金屬導(dǎo)體時(shí)，由于電導(dǎo)率高，橫向電阻遠(yuǎn)小于玻璃，表面積累的電荷能夠迅速擴(kuò)散到整塊鋁箔，由于分布范圍廣，電荷密度降低，導(dǎo)致反向電場弱，不能快速熄滅放電，因而放電時(shí)間長，在外觀上看來，放電通道長期集中在一處。

用厚度為0.1mm，邊長分別為1cm、2cm和3cm正方形鋁箔分別貼在輝光球上表面，用2kΩ電阻代替人體電阻，一端接鋁箔，一端接地，研究人體接觸輝光球電氣特性。隨著鋁箔面積的增加電壓隨之下降。電壓峰-峰值由圖1（a）的4.95kV降到邊長1cm時(shí)的427.68V、2cm時(shí)的348.48V和3cm時(shí)的320.76V。三種情況下都能夠聞到臭氧的氣味，這是由于常溫常壓空氣中擊穿電場強(qiáng)度為30kV/cm，雖然電壓最低僅為320.76V，但是鋁箔較薄，根據(jù)尖端放電原理，邊緣曲率半徑大，電荷密度高，導(dǎo)致電場強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到空氣擊穿場強(qiáng)，發(fā)生沿面放電引起空氣電離，產(chǎn)生臭氧。文獻(xiàn)[2]中沒有提及沿面放電情況，實(shí)際上即使站在絕緣良好的膠皮上用手持硬幣或用手指直接觸摸輝光球也會發(fā)生沿面放電，可以聽到嘶嘶響聲，能夠明顯感覺到產(chǎn)生了臭氧。

邊長1cm鋁箔對應(yīng)電壓正負(fù)半周峰值分別為200V和227.68V，相應(yīng)電流峰值為100mA和113.84mA。人體能夠承受的工頻安全電流為10mA，達(dá)到20mA時(shí)會引起疼痛感覺，25mA以上人體很難擺脫，50mA即有生命危險(xiǎn)。邊長2cm鋁箔對應(yīng)的正負(fù)半周對應(yīng)電流峰值分別為63mA和111mA。邊長3cm鋁箔對應(yīng)的正負(fù)半周對應(yīng)電流峰值分別為35mA和125mA。根據(jù)李薩茹圖形測量結(jié)果，邊長為1cm、2cm、3cm的鋁箔對應(yīng)的功率分別是0.294W、0315W和0509W。根據(jù)焦耳定律，求出電流有效值分別為12.1mA、12.5mA和16.0mA，均已超過安全閾值。有鋁箔時(shí)電壓下降的原因，是由于鋁箔是導(dǎo)體，同玻璃球殼相比，橫向電阻小，可以把收集的電荷迅速轉(zhuǎn)移到大地。隨著鋁箔面積增加，收集轉(zhuǎn)移的電荷增多，剩余的電荷減少，因此電壓下降。功率的增加證明鋁箔面積增加引起電壓下降的解釋是正確的。這時(shí)，如果用鑰匙、刀叉餐具、導(dǎo)線等金屬物品一端連接輝光球，一端連接人體，就會有觸電疼痛的感覺。這與文獻(xiàn)[2]中手拿日光燈管接觸輝光球有觸電感覺的原理是一致的。如此高的電流有造成心肌損傷的潛在危險(xiǎn)，如果電流從右胸部進(jìn)入，經(jīng)左上肢或下肢流經(jīng)心臟，危害更大?？梢?，如果人赤腳或者沒有穿絕緣鞋站在接地良好的地面上接觸輝光球是有嚴(yán)重安全隱患的。

測量模仿人穿絕緣鞋接觸輝光球電壓波形，邊長1cm正方形鋁箔，經(jīng)阻值1MΩ電阻接地，測得此時(shí)電壓峰-峰值為4000V，其中正半周峰值2400V，負(fù)半周峰值1600V，計(jì)算出正、負(fù)半周電流峰值為2.4mA和1.6mA，處在安全范圍內(nèi)。如果增加鋁箔面積，電壓隨之降低，例如鋁箔面積為4cm2時(shí)電壓峰-峰值下降到3560V，鋁箔面積為9cm2時(shí)電壓峰-峰值下降到3480V，規(guī)律和電阻值為2kΩ時(shí)相似。

根據(jù)上述測量結(jié)果，可以預(yù)測，當(dāng)手持金屬物品，例如，硬幣接近輝光球殼，例如，間距0.5mm左右，也會發(fā)生流光放電。由于是在常壓空氣中，流光放電等離子體是白色的，球內(nèi)輝光放電等離子體是彩色的，容易區(qū)分開。把接地針電極放在輝光球上方3mm處，針電極電壓波形，圖1（b）是其電壓波形，測量電壓峰-峰值為221.76V，正半周峰值為122.76V，負(fù)半周為99.00V。圖2（a）是針電極電暈放電圖片，可見針尖處有明顯亮點(diǎn)，這是電暈介質(zhì)阻擋放電，能夠聞到臭氧氣味。此時(shí)屬于體積放電，和鋁箔邊緣發(fā)生的沿面放電不同。圖1（c）是其李薩茹圖形，計(jì)算得到功率為41.5mW，將電壓波形近似作為正弦信號，估算電流有效值為0.53mA。如果距離減少到2mm，由于場強(qiáng)增強(qiáng)，產(chǎn)生介質(zhì)阻擋流光放電。雖然針電極接地，但是由于玻璃球殼處于高電位，使得針電極附近電場強(qiáng)度足以引起空氣電離，產(chǎn)生電暈放電甚至介質(zhì)阻擋流光放電。測量針—球間距1mm時(shí)針電極電壓波形，峰-峰值213.84V，比起間距3mm時(shí)略有下降。距離減小引起電壓下降的原因和放電模式有關(guān)，當(dāng)d=3mm時(shí)是電暈?zāi)Ｊ?，電離區(qū)域小，阻抗大，轉(zhuǎn)移的電量小;當(dāng)d=1mm時(shí)是流光模式，針電極和球殼之間都是等離子體，電離度高，通道阻抗小，轉(zhuǎn)移的電量相對較多，因此電位較低。如果在球殼表面覆蓋邊長1cm正方形鋁箔，當(dāng)針尖和鋁箔間距較大時(shí)，例如3mm，會發(fā)生電暈放電。但是間距減少到約1mm左右時(shí)，將發(fā)生電弧放電，產(chǎn)生耀眼的等離子體通道，見圖2（b）。這是由于金屬電極之間缺乏針—玻璃球殼之間的負(fù)反饋機(jī)制，很容易由流光放電過渡到電弧放電。圖1（d）是其電壓波形，可以看出電弧放電的特征，即電壓低，峰-峰值降低到124.34V。電壓波形呈現(xiàn)窄脈沖的原因是，由于電弧模式電流大，因此電源中電容儲存的能量迅速釋放形成的。

眾所周知，無論是根據(jù)空間放電還是沿面放電原理工作的臭氧發(fā)生器，都是作為高電壓設(shè)備管理和使用的，電極漏電是絕對禁止的。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，輝光球可以在特定條件下引起外面電極發(fā)生電暈、流光甚至弧光放電。由于暴露在空氣中的等離子體電子能量高，反應(yīng)活性強(qiáng)，尤其是電弧放電溫度高，在鋁箔和針電極表面都產(chǎn)生了顯著的燒蝕現(xiàn)象，長時(shí)間放電會引起電極融化，容易引起火災(zāi)。

結(jié)語

針對現(xiàn)有輝光球演示實(shí)驗(yàn)缺乏準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋過于簡略，對實(shí)驗(yàn)安全重視不夠等問題，本文測量了輝光球電氣參數(shù)，根據(jù)介質(zhì)阻擋放電原理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)輝光球可以產(chǎn)生超過人體安全閾值的電流，引起外部電極產(chǎn)生電暈、流光甚至弧光放電，由于輝光球的廣泛使用，安全問題必須引起重視。

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課題項(xiàng)目：本文受到2020年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目資助，“新工科及工程教育認(rèn)證背景下光電專業(yè)雙創(chuàng)型人才培養(yǎng)體系探索”（編號：HNJG-2020-0495）

*通訊作者：張禹濤（1974— ），男，漢族，吉林東遼人，博士，副教授，研究方向：等離子體物理。

作者簡介：劉瓊（1983— ），男，漢族，湖南衡陽人，博士研究生，講師，研究方向：微納光子學(xué)、二維材料、教育教學(xué)。