大氣壓等離子體實驗演示儀

董 馨，孫智興，于江濤

(1.北京舒杰特科技有限責任公司，北京 100081；2.河北聯(lián)合大學 機械工程學院，河北 唐山 063009)

1 引 言

等離子體被稱為除固體、液體、氣體以外物質(zhì)的第四態(tài)，它由離子、電子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)組成，宏觀上呈現(xiàn)準電中性和集體效應[1]. 自然界中常見的太陽、雷電和極光以及工業(yè)中應用的霓虹燈、熒光燈和電弧焊等都屬于等離子體. 按照氣體溫度來劃分，可將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體[2]. 隨著等離子體科學與技術(shù)在各個領(lǐng)域應用[3-5]的不斷拓展，相關(guān)的應用基礎(chǔ)研究呈現(xiàn)出顯著的學科交叉和融合的特點，這勢必會對人才培養(yǎng)提出更高和更迫切的需求. 雖然國內(nèi)高校已經(jīng)相繼開設(shè)了一些等離子體基礎(chǔ)理論課程，但在等離子體實驗教學方面仍然缺乏與理論教學和應用研究相匹配的實驗教學儀器[6]. 針對目前國內(nèi)高校對于等離子體實驗教學的需求，結(jié)合目前等離子體理論教學內(nèi)容和熱點應用領(lǐng)域開發(fā)了系列大氣壓放電等離子體演示儀，包括等離子體激勵器、瘋狂的火焰和等離子體音箱. 以下我們將對這3種演示儀的特性進行詳細的介紹.

2 實驗裝置和實驗內(nèi)容

該演示儀的特點是：以空氣為放電介質(zhì)，在大氣壓下實現(xiàn)放電，因而無需真空系統(tǒng)和特殊氣體(如惰性氣體)的供給；實現(xiàn)了對等離子體特性從視覺到聽覺的全方位展示，既適合于在課堂上做演示實驗用，也適合于在實驗室中開展具有一定探索性的實踐課程的應用. 此演示儀系列中的等離子體激勵器和瘋狂的火焰可共用1個電源模塊，模塊化的設(shè)計使得演示儀成本低、體積小、重量輕、便于維修和易損件的更換.

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 等離子體激勵器

等離子體激勵器的放電類型為介質(zhì)阻擋放電，該演示儀模塊的總體效果圖、放電單元結(jié)構(gòu)示意圖及電極結(jié)構(gòu)圖分別如圖1(a)～(c)所示，其放電的伏安特性曲線和功率-電壓曲線如圖2所示. 等離子體激勵器工作時，在上下兩極板間施加高壓交變電場，在空氣被擊穿之前，兩電極之間為電容；兩電極間的電流隨外加電壓的升高而增加；當兩電極間的外加電壓達到約6 kV時空氣被擊穿，在兩電極間介質(zhì)層的上下表面處均會產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電，但放電強度較弱；隨著電壓的進一步升高，放電電流和功率逐漸增加，放電區(qū)面積和等離子體的發(fā)光強度均隨之增加；此時氣體放電所誘導的電極壁面附近的空氣流速亦增加，從而對酒精燈火焰產(chǎn)生明顯的擾動(見圖3).

(a)總體效果圖

(b)放電單元結(jié)構(gòu)示意圖

(c)電極結(jié)構(gòu)圖圖1 等離子體激勵器

圖2 等離子體激勵器放電的伏安特性曲線及功率-電壓曲線

(b)放電后圖3 離子體激勵器放電前和放電后的放電圖像及對酒精燈火焰的擾動

3.2 瘋狂的火焰

(a)總體效果圖

(b)放電單元結(jié)構(gòu)示意圖

(c)電暈放電原理示意圖圖4 瘋狂的火焰模塊

瘋狂的火焰模塊的放電類型為電暈放電. 圖4給出了該模塊的總體效果圖、放電單元結(jié)構(gòu)示意圖及產(chǎn)生電暈放電的原理示意圖. 電暈放電是指帶電體表面在氣體或液體介質(zhì)中出現(xiàn)許多局部的電離和激發(fā)過程，但電極之間并不擊穿或?qū)ǘ霈F(xiàn)的自持放電現(xiàn)象[7]. 此實驗模塊通過在酒精燈火焰中添加具有多尖端的金屬電極，并將該電極與高頻高壓電源相連，從而在電極尖端產(chǎn)生多處電暈放電[如圖4(c)所示]；電暈放電所產(chǎn)生的等離子體對酒精燈火焰產(chǎn)生劇烈擾動，從而導致火焰形狀畸變. 圖5(a)～(d)分別給出了外加電壓為0(參考狀態(tài)),10.7,17.6,18.9 kV時酒精燈火焰的照片. 可以看到，由于電暈放電的出現(xiàn)，酒精燈火焰出現(xiàn)明顯的分叉和脈動；而隨著外加電壓的增大，火焰分叉增多,脈動亦變得更加劇烈了.

(a)V=0V (b)V=10.7 kV

(c)V=17.6 kV (d)V=18.9 kV圖5 不同放電條件下酒精燈火焰發(fā)生擾動的對比

3.3 等離子體音箱

等離子體音箱的放電類型為暖等離子體放電. 圖6給出了該模塊的總體效果圖、放電單元結(jié)構(gòu)示意圖及典型的放電圖像. 當在等離子體音箱的兩平行的放電細絲[如圖6(b)所示]之間外加大約20 kV的直流高壓后，兩銅絲之間的空氣在該高壓電場的作用下?lián)舸┬纬煞烹娡ǖ溃a(chǎn)生暖等離子體. 當放電通道形成后，放電電壓中的直流成分迅速衰減，而交流成分(即紋波成分)則占主導地位. 此時，可將音頻(可由MP3、手機、電腦等音頻設(shè)備提供)信號放大后對該交流電壓的峰峰值進行調(diào)制. 圖7為未加入音頻信號時輸入高壓變壓器的脈寬調(diào)制信號，此時放電穩(wěn)定，所形成的等離子體如圖6(c)所示，該信號為一方波；而當采用音頻信號對放電電壓進行調(diào)制后，可以明顯地發(fā)現(xiàn)放電電壓的脈沖寬度和幅度均在隨著音樂的節(jié)奏變化(圖8)，相應地，所產(chǎn)生的等離子體按照音頻的規(guī)律跳動，并推動空氣震動，從而實現(xiàn)了“會唱歌的電弧”[如圖6(d)所示].

(a)總體效果圖

(b)放電單元結(jié)構(gòu)示意圖

(c)典型的放電照片1 (d)典型的放電照片2圖6 等離子體音箱

圖7 未加入音頻信號時的放電電壓波形圖

圖8 加入音頻信號后的放電電壓波形圖

4 結(jié)束語

該套大氣壓等離子體演示儀直觀地向?qū)W生展示了3種典型的等離子體的放電圖像和特性，包括介質(zhì)阻擋放電、電暈放電及非熱電弧放電(暖等離子體). 該套演示儀很好地展示了大氣壓氣體放電等離子體的一些基本特性和典型應用，而且有利于通過引導學生對實驗現(xiàn)象進行細致的觀測和深入的剖析加深對等離子體基礎(chǔ)理論知識的學習和掌握.

參考文獻：

[1] Chen F F. 等離子體物理導論[M]. 林光海譯. 北京:人民教育出版社,1980:1-20.

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[4] 孟月東,鐘少鋒,熊新陽. 低溫等離子體技術(shù)應用研究進展[J]. 物理,2006,35(2):140-146.

[5] Moreau E. Airflow control by non-thermal plasma actuators [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007,40(3):605-636.

[6] 王合英,陳國旭,葛楠,等. 低溫等離子體物理實驗教學實踐 [J]. 物理實驗,2013,33(3):35-38.

[7] 張海峰,龐其昌,陳秀春. 高壓電暈放電特征及其檢測[J]. 電測與儀表,2006,43(482):6-9.