辉光球放电特性分析

张禹涛 刘琼 郭英 刘明伟 周达林

摘 要：测量辉光球放电参数，根据介质阻挡放电原理解释放电现象，讨论安全问题，发现利用辉光球可以实现常压空气中电晕、沿面流光和体积介质阻挡放电三种模式，存在严重安全隐患。

关键词：辉光球;等离子体;介质阻挡放电

中图分类号：O539  文献标识码：A

一、概述

等离子体是物质第四态，从人们日常生活到军事领域、天文探索、等离子体都具有重要研究价值。辉光球演示实验是展现等离子体特性的有力工具，价格低，现象新奇，具有很好的科普展示

作用，经常出现在科技馆、学校、餐厅及商业活动中，对提升广大青少年科学兴趣非常有帮助[1-3]。在辉光球实验中，大家关注的实验现象，一是观察绚丽多彩的发光现象，二是用手指接触玻璃球壳引起放电通道集中，并随手指移动，三是在辉光球旁边放置气体放电灯管，观察灯管发光现象，或者演示静电现象[3]。现有实验讲义在解释放电物理机制时，都是简单的定性解释，没有定量测量放电参数，这对高年级学生，尤其是大学生显得深度不够。现有文献关于辉光球安全问题的讨论也较少，没有注意到一些不规范行为可能引起的触电和火灾危险，这些因素都不利于辉光球演示实验的进一步推广，对演示人员也存在着严重的安全隐患。

本文利用示波器测量了辉光球放电参数，根据介质阻挡放电原理解释放电现象，探讨利用辉光球作为高压电源产生大气压空气中低温等离子体的可能性，根据实验结果分析引起触电与火灾危险的原因。

二、实验及结果分析

一个寸爱心牌辉光球，直径11cm，功率8W。一个衰减比例为1∶1000的P6015A高压探头，用于测量电压信号。针电极长度20mm，直径 1mm，前端锥度30°，一台Tektronix示波器，一个1μf无极性电容器用于测量放电功率，测量功率时电容一端通过电阻接球壳，另一端接地，用一个阻值2kΩ，功率20W电阻代表人体电阻，用一个阻值1MΩ，功率10W电阻代表实验人员穿绝缘鞋时总体电阻，测量电压信号时电阻一端接球壳，另一端接地，即电阻和高压探头是并联的。

图1（a）是用P6015A探头直接接触辉光球悬空时测得的电压波形。峰-峰值为4950V，正负半周波形不对称，正半周峰值为2700V，底部宽度14.03微秒;负半周峰值为2250V，底部宽度20.39微秒。周期为34.42微秒，即频率为29.05kHz。引起正负半周波形不对称的原因是电极结构不对称，正负流注的发展机制不同[1]。由于日光灯管工作电压最高220V，有的仅需几伏，如果把普通日光灯管放在辉光球附近，在强场强作用下就会放电发光。玻璃球壳产生高压的原因是由电极结构决定的，中央电极是高压电极，放电产生等离子体通道，输送的电荷积累在玻璃球壳上，引起电位升高。在文献[1-3]中，都没有介绍玻璃球壳电压准确范围。现有文献认为由于玻璃球内气压低，所以放电通道类似于日光灯，是均匀分布的，这种泛泛的解释显然不够准确，不能说明为什么放电通道总体上接近均匀分布，但是却随时间缓慢移动问题。从放电模式分析，辉光球里面的放电应该属于介质阻挡放电。原因是，放电发生后，等离子体通道输运的电荷积累在玻璃球壳表面，由于球壳是绝缘介质，导电性差，不能迅速扩散开来，积累的电荷形成反向电场，随着放电的进行电荷越来越多，反向电场逐渐增强，最后抵消了引起放电的高压电极电场，使放电熄灭[1-2]。由于玻璃球壳横向电阻大，电荷积累在已经熄灭的通道附近，而远处没有足够强的反向电场，因此产生新的放电，避免了放电通道的集中，从外观上看，出现放电通道移动现象。等到电极电压反向时，积累有电荷的位置由于电压高，优先放电，最后再被熄灭，如此循环，提高了放电通道分布的均匀性。[4]

常见的辉光球演示实验之一是，手指在球壳上移动，放电通道也会随之移动。文献[2]中对此的解释是人体相当于电极，与大地相连，引起电场分布不再对称，在手指处场强较强。这种解释对下述实验现象显得不够详细。在实验中观测到，如果在玻璃球壳表面放置一块厚10mm、面积20cm2绝缘橡胶，仍然会出现放电集中现象。如果人体和大地是绝缘的，即人穿绝缘鞋或者站在绝缘胶皮上接触辉光球，也会出现放电通道随指尖跳舞的现象。如果用面积为1cm2铝箔覆盖球壳外表面，在铝箔处依然会出现放电通道集中现象。大学物理实验应该深入分析这些现象的物理机制，说明电场增强的原因。其正确原理应该是，覆盖绝缘物时，由于其介电常数大于1，引起球壳外部场强降低，由于高压电极电压是一定的，从而使球壳内场强增强，增强放电。覆盖铝箔等金属导体时，由于电导率高，横向电阻远小于玻璃，表面积累的电荷能够迅速扩散到整块铝箔，由于分布范围广，电荷密度降低，导致反向电场弱，不能快速熄灭放电，因而放电时间长，在外观上看来，放电通道长期集中在一处。

用厚度为0.1mm，边长分别为1cm、2cm和3cm正方形铝箔分别贴在辉光球上表面，用2kΩ电阻代替人体电阻，一端接铝箔，一端接地，研究人体接触辉光球电气特性。随着铝箔面积的增加电压随之下降。电压峰-峰值由图1（a）的4.95kV降到边长1cm时的427.68V、2cm时的348.48V和3cm时的320.76V。三种情况下都能够闻到臭氧的气味，这是由于常温常压空气中击穿电场强度为30kV/cm，虽然电压最低仅为320.76V，但是铝箔较薄，根据尖端放电原理，边缘曲率半径大，电荷密度高，导致电场强度已经达到空气击穿场强，发生沿面放电引起空气电离，产生臭氧。文献[2]中没有提及沿面放电情况，实际上即使站在绝缘良好的胶皮上用手持硬币或用手指直接触摸辉光球也会发生沿面放电，可以听到嘶嘶响声，能够明显感觉到产生了臭氧。

边长1cm铝箔对应电压正负半周峰值分别为200V和227.68V，相应电流峰值为100mA和113.84mA。人体能够承受的工频安全电流为10mA，达到20mA时会引起疼痛感觉，25mA以上人体很难摆脱，50mA即有生命危险。边长2cm铝箔对应的正负半周对应电流峰值分别为63mA和111mA。边长3cm铝箔对应的正负半周对应电流峰值分别为35mA和125mA。根据李萨茹图形测量结果，边长为1cm、2cm、3cm的鋁箔对应的功率分别是0.294W、0315W和0509W。根据焦耳定律，求出电流有效值分别为12.1mA、12.5mA和16.0mA，均已超过安全阈值。有铝箔时电压下降的原因，是由于铝箔是导体，同玻璃球壳相比，横向电阻小，可以把收集的电荷迅速转移到大地。随着铝箔面积增加，收集转移的电荷增多，剩余的电荷减少，因此电压下降。功率的增加证明铝箔面积增加引起电压下降的解释是正确的。这时，如果用钥匙、刀叉餐具、导线等金属物品一端连接辉光球，一端连接人体，就会有触电疼痛的感觉。这与文献[2]中手拿日光灯管接触辉光球有触电感觉的原理是一致的。如此高的电流有造成心肌损伤的潜在危险，如果电流从右胸部进入，经左上肢或下肢流经心脏，危害更大。可见，如果人赤脚或者没有穿绝缘鞋站在接地良好的地面上接触辉光球是有严重安全隐患的。

测量模仿人穿绝缘鞋接触辉光球电压波形，边长1cm正方形铝箔，经阻值1MΩ电阻接地，测得此时电压峰-峰值为4000V，其中正半周峰值2400V，负半周峰值1600V，计算出正、负半周电流峰值为2.4mA和1.6mA，处在安全范围内。如果增加铝箔面积，电压随之降低，例如铝箔面积为4cm2时电压峰-峰值下降到3560V，铝箔面积为9cm2时电压峰-峰值下降到3480V，规律和电阻值为2kΩ时相似。

根据上述测量结果，可以预测，当手持金属物品，例如，硬币接近辉光球壳，例如，间距0.5mm左右，也会发生流光放电。由于是在常压空气中，流光放电等离子体是白色的，球内辉光放电等离子体是彩色的，容易区分开。把接地针电极放在辉光球上方3mm处，针电极电压波形，图1（b）是其电压波形，测量电压峰-峰值为221.76V，正半周峰值为122.76V，负半周为99.00V。图2（a）是针电极电晕放电图片，可见针尖处有明显亮点，这是电晕介质阻挡放电，能够闻到臭氧气味。此时属于体积放电，和铝箔边缘发生的沿面放电不同。图1（c）是其李萨茹图形，计算得到功率为41.5mW，将电压波形近似作为正弦信号，估算电流有效值为0.53mA。如果距离减少到2mm，由于场强增强，产生介质阻挡流光放电。虽然针电极接地，但是由于玻璃球壳处于高电位，使得针电极附近电场强度足以引起空气电离，产生电晕放电甚至介质阻挡流光放电。测量针—球间距1mm时针电极电压波形，峰-峰值213.84V，比起间距3mm时略有下降。距离减小引起电压下降的原因和放电模式有关，当d=3mm时是电晕模式，电离区域小，阻抗大，转移的电量小;当d=1mm时是流光模式，针电极和球壳之间都是等离子体，电离度高，通道阻抗小，转移的电量相对较多，因此电位较低。如果在球壳表面覆盖边长1cm正方形铝箔，当针尖和铝箔间距较大时，例如3mm，会发生电晕放电。但是间距减少到约1mm左右时，将发生电弧放电，产生耀眼的等离子体通道，见图2（b）。这是由于金属电极之间缺乏针—玻璃球壳之间的负反馈机制，很容易由流光放电过渡到电弧放电。图1（d）是其电压波形，可以看出电弧放电的特征，即电压低，峰-峰值降低到124.34V。电压波形呈现窄脉冲的原因是，由于电弧模式电流大，因此电源中电容储存的能量迅速释放形成的。

众所周知，无论是根据空间放电还是沿面放电原理工作的臭氧发生器，都是作为高电压设备管理和使用的，电极漏电是绝对禁止的。根据以上实验结果可见，辉光球可以在特定条件下引起外面电极发生电晕、流光甚至弧光放电。由于暴露在空气中的等离子体电子能量高，反应活性强，尤其是电弧放电温度高，在铝箔和针电极表面都产生了显著的烧蚀现象，长时间放电会引起电极融化，容易引起火灾。

结语

针对现有辉光球演示实验缺乏准确实验数据，对实验现象解释过于简略，对实验安全重视不够等问题，本文测量了辉光球电气参数，根据介质阻挡放电原理解释实验现象，发现辉光球可以产生超过人体安全阈值的电流，引起外部电极产生电晕、流光甚至弧光放电，由于辉光球的广泛使用，安全问题必须引起重视。

参考文献：

[1]陈海深.辉光球的发光原理[J].物理教师，2015，36（10）：72-74.

[2]孙佩雄，蒋甜甜.辉光球的发光原理及在物理教学中的应用[J].物理通报，2013，11：123-125.

[3]熊举峰，谭红明.辉光球的教学演示设计[J].湖南中学物理，2009，7：42-43.

[4]徐学基，诸定昌.气体放电物理[M]上海：复旦大学出版社，1996，08.

[5]王军，蔡忆昔，庄凤芝，王静.介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律[J].江苏大学学报：自然科学版，2008，29（05）：398-401.

課题项目：本文受到2020年湖南省普通高等学校教学改革研究项目资助，“新工科及工程教育认证背景下光电专业双创型人才培养体系探索”（编号：HNJG-2020-0495）

*通讯作者：张禹涛（1974— ），男，汉族，吉林东辽人，博士，副教授，研究方向：等离子体物理。

作者简介：刘琼（1983— ），男，汉族，湖南衡阳人，博士研究生，讲师，研究方向：微纳光子学、二维材料、教育教学。