辉光球的发光原理

辉光球的发光原理陈海深【摘要】辉光球是一种基于流光理论的特种娱乐光源.本文阐述流光放电理论和汤生放电理论的区别,分析气体导电、辉光放电的过程,介绍辉光球的发光现象、主要结构及工作原理.期刊名称】《物理教师》年(卷),期】2015(036)010【总页数】3页(P72-74)【关键词】辉光球;气体导电;辉光放电【作者】陈海深【作者单位】广西师范大学物理科学与技术学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】其他Vol.36No.10(2015)物理教师第36卷第10期2015年Pl-IYSICSTEAI‘HER辉光球的发光原理陈海深(广西师范大学物理科学与技术学院．广四桂林5-11004)摘要：辉光球是一种基于流光理论的特种娱乐光源．本文阐述流光放电理论和汤生放电理论的区别．分析气体导电、辉光放电的过程．介绍辉光球的发光现象、主要结构及工作原理关键词：辉光球；气体导电：辉光放电J美丽、神奇的辉光球图l为直径约15cm的高强度玻璃球内中央有一个黑色球状电极．球内闪耀着大量如同火舌一般美丽的弧光，成均等的辐射状向四周发射．极具神秘的梦幻色彩．若用手抚摸球体或用手指轻触玻璃球的表面，手指移到哪，灯盟的光线就因1美丽、神奇的辉光球会聚焦到哪，明亮、弯曲、多色而且带有分叉的细束带使人赏心悦目，发出美丽、神奇的辉先．如果辉光球周围有音乐或声响（包括掌声、咳嗽声等）时，光束会随着旋律和节奏不断地改变，伴随着一切声音而散发出魔幻光线，极富动感，使原本不均匀不稳定的光束更加变幻无穷•如果在黑暗中，那将更加I好看.2辉光球主要结构图2为辉光球的结构．下端同轴圆柱部分是用于引人激励电源的天线．玻璃外球直径从127-229mm可设计成系列•内球直径约20-40mm;工作气体是以氛为基质或以氮为基质的？昆合气体.掺入氨（或氛）、氧、氨、缸、氮气、氢气等其中的几种杂质气体，可配出不同的光色.球内气体压强不同,所产生的辉光颜色也不同•人有时用手触摸，放电腔又是用玻璃制成，所以绝不允许放电腔内的气体处于正压（超过]个大气压）的状态，也不允许处于很大的负压状态•放电腔内总气压可用气态方程计算plVi_P2V2T1T2设该光源的工作温度为0~50C，在50C时放电腔内总压强为100kPa，则OC时为84.5kPa，若制灯工作室的环境温度为20C，则一72可算出充入放电腔的总气压为90.7kPa.工作气体玻琦外壳玻璃内胆弹性导电丝电源天线开关、功率调节图2辉光球结构玻璃球中央有一个黑色球状电极（另一个电极在无穷远的空间）•球的底部有一块振荡环氧电路版，通过电源变换器将12V低压直流电转变为高颇高压力I]:（:E电极上•产生高频电场•医I3中电源天线的作用是把驱动电路产生的高颇高压输入放电腔•弹性金属丝球和导电层的作用是使激励信号均匀分布于玻璃内胆，使放电束在放电腔内分布比较均匀•若放电腔中工作气体是以氛为基质•则满足功率放电时发出成百上千条放电柬•放电束的顶端为桔红色花瓣•近内胆处为桔红色线条，中间为海蓝色细线条•每条由高度收缩的流光放电产生的放电束在不断舞动•当功率调节钮调至最小状态、时•放电束两端为桔红•中间为海蓝的短线．控制调节钮，例如声音控制在声频（例如音乐）的激励下，放电腔内的放电束会发生多少、长短变化，其声光效果美不胜收．电源有通断和声控、非声控3档选择开关．当功率调节钮处于较大状态时，即在球中央的电极周围形成—个类似于点电荷的场，由于球协I稀薄气体（低气压气体）受到高频电场的电离作用而光芒四射．由于电极上电压很高，故发出一些辐射状的辉光，在黑暗中非常好看．当用于（人与大地相连）轻轻触摸玻璃球表面．人体即为另—电Vol.36No.10（2015）物理教师第36卷第10期2015年Pl-IYSICSTEAI‘HER摘要：辉光球是—种基于流光理论的特种娱乐光源．本文阐述流光放电理论和汤生放电理论的区别.分析气图丨为直径约15cm的高强度玻璃球内中央有—个黑色球状电极．球内闪耀着大量如同火舌—般美丽的弧光，成均等的辐射状向四周发射．极具神秘的梦幻色彩．若用手抚摸球体或用手指轻触玻璃球的表面，手指移到哪，灯盟的光线就因美丽、神奇的辉光球会聚焦到哪，明亮、弯曲、多色而且带有分叉的细束带使人赏心悦目，发出美丽、神奇的辉先．如果辉光球周围有音乐或声响（包括掌声、咳嗽声等）时，光束会随着旋律和节奏不断地改变，伴随着—切声音而散发出魔幻光线，极富动感，使原本不均匀不稳定的光束更加变幻无穷•如果在黑暗中，那将更加I好看.2为辉光球的结构．下端同轴圆柱部分是用于引人激励电源的天线．玻璃外球直径从127-229mm可设计成系列•内球直径约20-40mm;工作气体是以氛为基质或以氮为基质的？昆合气体掺入氨（或氛）、氧、氨、缸、氮气、氢气等其中的几种杂质气体，可配出不同的光色.球内气体压强不同,所产生的辉光颜色也不同•人有时用手触摸，放电腔又是用玻璃制成，所以绝不允许放电腔内的气体处于正压（超过］个大气压）的状态，也不允许处于很大的负压状态•放电腔内总气压可用气态方程计算plVi_P2V2T1T2设该光源的工作温度为0~50C，在50C时放电腔内总压强为100kPa，则OC时为84.5kPa，若制灯工作室的环境温度为20C，则一72可算出充入放电腔的总气压为90.7kPa.工作气体玻琦外壳玻璃内胆弹性导电丝电源天线开关、功率调节辉光球结构玻璃球中央有一个黑色球状电极（另一个电极在无穷远的空间）．球的底部有一块振荡环氧电路版，通过电源变换器将12V低压直流电转变为高颇高压力I]:（:E电极上•产生高频电场•医I3中电源天线的作用是把驱动电路产生的高颇高压输入放电腔•弹性金属丝球和导电层的作用是使激励信号均匀分布于玻璃内胆，使放电束在放电腔内分布比较均匀•若放电腔中工作气体是以氛为基质•则满足功率放电时发出成百上千条放电柬•放电束的顶端为桔红色花瓣.近内胆处为桔红色线条，中间为海蓝色细线条•每条由高度收缩的流光放电产生的放电束在不断舞动•当功率调节钮调至最小状态、时•放电束两端为桔红•中间为海蓝的短线.控制调节钮，例如声音控制在声频（例如音乐）的激励下，放电腔内的放电束会发生多少、长短变化，其声光效果美不胜收•电源有通断和声控、非声控3档选择开关•当功率调节钮处于较大状态时，即在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场，由于球协l稀薄气体（低气压气体）受到高频电场的电离作用而光芒四射.由于电极上电压很高,故发出一些辐射状的辉光，在黑暗中非常好看•当用于（人与大地相连）轻轻触摸玻璃球表面•人体即为另一电第36卷第10期2015物理教师PHYSICSTEACHERVol.36No.10极•球周围的电场、电势分布不再均匀对称，气体分子在极间电场中激发、碰撞、电离、复合而发生辉光•辉光在手指的周围处变得更为明亮，即放l毡束收缩聚合成一条扫动的弧线JI顶着手的触摸移动而游动扭曲•随“指”起舞.形态、如夜空的闪电.辉光球还内置声控功能，它能随声或乐曲的音律高低变化而改变光束•辉光球激励电源的驱动电路由以下电路组成：①市电转换电路：市电220V转换成50V和12V②振荡电路：频率为15~30kH乙③高压电路：将15~30kHz的高频电压刑至8~20kV④控制电路：声控•⑤调节电路：调节激励功率、调节控制讯号强弱．对于小尺寸的放电腔宜用高频率低电压驱动，反之，大尺寸的放电腔宜用低频率电压驱动．3辉光球又称为闪光球、魔（光）球、电离子魔幻球静电离子球灯、等离子（体）光球，英文名：PlasmaLight或glowlamp.等离子体是部分或完全电离的气体．由大量自由电子和正离子以及中性原子、分子组成．等离子体在宏观上是近似电中性的.巨／1正电荷与负电荷几乎处处相等．普通的火花放电是一种断续的放电现象，但当高频电场施加于特殊结构的气体放电腔时，断续（又不断产生）的火花放电可以形成准连续放电．高频气体放电的激发师、有两种：一种是用高频电场（类似回旋加速器中的高频电场）直接激发，称为E型放电；另一种用高频磁场激发，称为H型放电.辉光球属于流光放电原理的火花放电光源．高频流光放电光源采用的E型方式激发放电．在交变电场E=E0coswt中，电场频率和放电距离达到一定值时，振荡的电子和离子碰撞气体分子产生新的电子和离子．在足够高的电场强度作用下，产生足够多的电子和离子，使气体完全击穿此时，气体的击穿与放电腔内是否存在电极无关于是可以把电极放置到放电腔外，形成高频••元极”放电•在直流或低频放电中，灯的发光可以用汤生放电理论去描述，该理论是基于在阴极上的次级发射过程使电子雪崩逐渐发展起来•而辉光球的光惊，电极安置在放电腔之外，电极上的次级发射已不复存在，所以只有用流光放电理论予以解释，即只考虑单个电子雪崩的发展而形成气体击穿的机理.当施加电场于气体时，只要有1个电子（例如由宇宙射线电离所致）通过电场，这个电子受加速轰击气体分子产生雪崩引起了放电的迅速扩展（扩展过程比汤生放电快一个数量级），最终导致通过放电空间的流光出现•在通常情况下，气体中的自由电荷极少，是良好的绝缘体•但在某些外界因素（如紫外线、X射线以及放射线的照射、气体加热或强电场等）的作用下，气体分子可发生电离，气体中出现电子和正离子，这时在外电场作用下，电子和正离子作定向漂移运动，气体就导电（称为气体放电）•通常把气体放电分成两种类型：Cl）被激导电．依靠外界作用维持气体导电，且外界作用撤除后放电即停止．（2）自激导电．不依靠外界作用，在电场作用下能自己维持导电状态、•气体的导电规律I如图3所示.在充有气体的密封玻璃管内装有两个电极，把它B~D们与电掘的正负极相连，并逐渐增加电压.OUOU图3气体的导电规律当电压U较小时，电压U与电流强度I的关系如图3中曲线OA段所示，服从欧姆定律•当U增加到曲线中的BC段时，电流达到饱和值•如果电压继续升高，电流又随着电压的升高而升高，即曲线的CD段.在这一阶段中，因为电子与正离子在分别向阳极和阴极运动的过程中获得了较大的功能，当他们与中性分子碰撞时，足以使中性分子电离，从而产生出新的电子和|离子•上述的导电过程都是必须依赖于夕卜界的电离作用而维持的，属于气体被激导电•当两电极间的电压进一步增加到u［）时，电流将突然增加，同时极间电压突然下降，即曲线中的DE段•这是因为产生了雪崩式的碰撞电离•此时即使撤去外界的电力作用，导电过程仍然继续进行，属于气体的自激导电•在气体自激导电时，往往伴有发声、发光等现象•当气体由被激导电过渡到自激导电时（气体已被击穿或已被点燃）•使气体击穿的最小电压u［）称为击穿电压.气体击穿后，由于气体的性质、压强、电极的形状和距离、外加电压以及电源的功率的不同，而可能采取辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电等不同的形式•其中，弧光放电、火花73—02015PHYSICSTEACHERVol.36No.10极球周围的电场、电势分布不再均匀对称，气体分子在极间电场中激发、碰撞、电离、复合而发生辉光•辉光在手指的周围处变得更为明亮，即放l毡束收缩聚合成一条扫动的弧线JI顶着手的触摸移动而游动扭曲•随“指”起舞.形态、如夜空的闪电•辉光球还内置声控功能，它能随声或乐曲的音律高低变化而改变光束•组成：①市电转换电路：市电220V转换成50V和12V;②振荡电路：频率为15~30kH乙8~20kV④控制电路：声控•对于小尺寸的放电腔宜用高频率低电压驱动，反之，大尺寸的放电腔宜用低频率电压驱动．3辉光球又称为闪光球、魔（光）球、电离子魔幻球、静电离子球灯、等离子（体）光球，英文名：PlasmaLight或glowlamp.等离子体是部分或完全电离的气体•由大量自由电子和正离子以及中性原子、分子组成．等离子体在宏观上是近似电中性的•巨/1正电荷与负电荷几乎处处相等.普通的火花放电是一种断续的放电现象，但当高频电场施加于特殊结构的气体放电腔时，断续（又不断产生）的火花放电可以形成准连续放电•高频气体放电的激发师、有两种:—种是用高频电场（类似回旋加速器中的高频电场）直接激发，称为E型放电；另一种用高频磁场激发，称为H型放电•辉光球属于流光放电原理的火花放电光源•高频流光放电光源采用的E型方式激发放电•在交变电场E=E0coswt中，电场频率和放电距离达到一定值时，振荡的电子和离子碰撞气体分子产生新的电子和离子•在足够高的电场强度作用下，产生足够多的电子和离子，使气体完全击穿此时，气体的击穿与放电腔内是否存在电极无关在直流或低频放电中，灯的发光可以用汤生放电理论去描述，该理论是基于在阴极上的次级发射过程使电子雪崩逐渐发展起来•而辉光球的光惊，电极安置在放电腔之外，电极上的次级发射已不复存在，所以只有用流光放电理论予以解释，即只考虑单个电子雪崩的发展而形成气体击穿的机理.当施加电场于气体时，只要有1个电子（例如由宇宙射线电离所致）通过电场，这个电子受加速轰击气体分子产生雪崩引起了放电的迅速扩展（扩展过程比汤生放电快一个数量级），最终导致通过放电空间的流光出现•在通常情况下，气体中的自由电荷极少，是良好的绝缘体•但在某些外界因素（如紫外线、X射线以及放射线的照射、气体加热或强电场等）的作用下，气体分子可发生电离，气体中出现电子和正离子，这时在外电场作用下，电子和正离子作定向漂移运动，气体就导电（称为气体放电）•通常把气体放电分成两种类型：Cl）被激导电.依靠外界作用维持气体导电，且外界作用撤除后放电即停止•（2自己维持导电状态、.1如图所示•在充有气体的密封玻璃管内装有两个电极，把它B~D们与电掘的正负极相连，并逐渐增加电压.OU0U压U与电流强度I的关系如图3中曲线OA段所示，服从欧姆定律•当U增加到曲线中的BC段时，电流达到饱和值.如果电压继续升高，电流又随着电压的升高而升高，即曲线的CD段.在这一阶段中，因为电子与正离子在分别向阳极和阴极运动的过程中获得了较大的功能，当他们与中性分子碰撞时，足以使中性分子电离，从而产生出新的电子和|离子•上述的导电过程都是必须依赖于外界的电离作用而维持的，属于气体被激导电•当两电极间的电压进一步增加到u［）时，电流将突然增加，同时极间电压突然下降，即曲线中的DE段•这是因为产生了雪崩式的碰撞电离•此时即使撤去外界的电力作用，导电过程仍然继续进行，属于气体的自激导电•当气体由被激导电过渡到自激导电时（气体已被击穿或已被点燃）•使气体击穿的最小电压u［）称为击穿电压.气体击穿后，由于气体的性质、压强、电极的形状和距离、外加电压以及电源的功率的不同，而可能采取辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电等不同的形式•其中，弧光放电、火花73Vol.36No.10（2015）物理教师第36卷第10期2015年鱼议一个有趣的力学实验一一神奇的“链条喷泉”夏艳1杨绍兰2张飞翔2CI.无锡市辅仁高级中学，江苏无锡214112;2.无锡市第一中学，江苏无锡214031）链条是最为普通、古老且广为应用的技术之二，很多人可能认为物理学家已经完全明白链条的所有规律.然而事实并非如此，近期BBC的一段节目就展示了一种奇异的“链条喷泉”现象.视频大概内容是这样的：把一条小钢珠串成的足够长的珠链堆放在烧杯中并静置于某高处，用手拿起链子一端使它自由垂落，由于其重力作用整个杯中的链条会陆续被拖出来“流”向地面图并越来越快•这没什么新奇的，最让人意想不到的是•当速度大到一定程度时，杯中的链条会从杯中先向上凌空跃起、喷涌而出•就像喷泉喷水一样在空中形成一条让人惊叹的“链条喷泉”，如图1所示．简单来讲，从能量转化的角度，让链条从杯中“流”出并落到地上的能量来自于此过程中链条减少的重力势能，这一点与流体的“虹吸”现象有点类似．但最让人惊讶和想不通的是：珠链在下落前为什么会先向上凌空“跃”起、喷涌而出，形成让人惊叹的“链条喷泉”？放电及电晕'放电等是气体在常压下放电，而辉光放电（即辉光球发光）是低压气体（稀疏气体）在高频强电场中的放电现象•辉光放电是低压U'D气体中伴有辉光出现的自激导电•在低压（约133Pa）气体放电管中，两电极间电压逐步增加，并控制电O流的变化，气体击穿图4辉光放电特性曲线后将会出现如图4所示的导电规律，BD段是辉光放电，其中BC段是“正常辉光放电”，CD段是“异常辉光放电”.在正一74一通过理论分析和实验研究，下面笔者就试着来探究一下链条这奇妙现象背后的奥秘.希望能抛砖引玉.1让链条向上“跳”起来的力是链条内的张力吗？绝大多数人都会认为，是高速运动的链条内的张力把它拉上去、形成“链条喷泉”的•真的是这样吗？我们从最简单的模型开始分析，将“链条喷泉”的运动过程抽象为这样一个模型：链条单位长度的质量为mo、堆放在离地高度为h1的桌面上.运动链条达到稳态时各部分的速率均为u,竖直向上跳起的最大高度为h2，＂喷泉”顶部弯曲的弧线视为圆周运动一部分，整个运动轨迹如图2所示.h2h1TF区12常放电时，极间电压几乎不随电流而变，在异常辉光放电时，极间电压将随电流的增加而增加•当电流超过D点时，电压会突然下降，这时便从辉光放电过渡到弧光放电（DE段）•参考文献：11冻秉乾•舒幼生，胡望雨•也磁学专题研究［M］.北京：高等教育出版社，2001,374-375•王先j、康•高频流光放电光源［几真空电子技术，1999（5）:4850.3赵凯华，陈熙谋•新概念物理教程•电磁学［M］.北京：高等教育出版社.2003:309.（收稿日期：2015一03-27）Vol.36No.10（2015）6无锡市辅仁高级中学，江苏无锡214112;2.无锡市第一中学，江苏无锡214031）链条是最为普通、古老且广为应用的技术之二，很多人可能认为物理学家已经完全明白链条的所有规律．然而事实并非如此，近期BBC的一段节目就展示了一种奇异的“链条喷泉”现象．视频大概内容是这样的：把一条小钢珠串成的足够长的珠链堆放在烧杯中并静置于某高处，用手拿起链子一端使它自由垂落，由于其重力作用整个杯中的链条会陆续被拖出来“流”向地面是当速度大到一定程度时，杯中的链条会从杯中先向上凌空跃起、喷涌而出．就像喷泉喷水一样在空中形成一条让人惊叹的“链条喷泉”，如图1所示．简单来讲，从能量转化的角度，让链条从杯中“流”出并落到地上的能量来自于此过程中链条减少的重力势能，这一