大学物理仿真实验报告

项目名称：真空实验

院系名称：    土木建筑学院                

专业班级：    建环1202                   

姓    名：      李瑞洁                  

学    号：     201214030229            

一、实验目的

在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真空获得的设备和测量仪器是必不可少的。目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、低温泵等。真空测量仪器主要有U型真空计、热传导真空计、电离真空计等。随着电子技术和计算机技术的发展，各种真空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。各种真空测量设备与微型计算机相结合，具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能。

低真空的应用主要涉及真空疏松、真空过滤、真空成型、真空装卸、真空干燥及震动浓缩等，在纺织、粮食加工、矿山、铸造、医药等部门有着广泛的应用。

本实验的目的是，学会用机械泵获得低真空以及观测不同真空度时辉光放电现象；用U型计和热偶计测量真空以及用定容法测量机械泵的有效抽速。 

二、实验原理

1.        真空技术的基本概念

(1)真空：低于一个大气压的气体状态。

1643年，意大利物理学家托里拆利(E.Torricelli)首创著名的大气压实验，获得真空。

自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇宙空间。

人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。

(2)真空量度单位：

1标准大气压=760mmHg=760(Torr)

1标准大气压=1.013x10⁵ Pa

1Torr=133.3Pa

(3)真空区域的划分

目前尚无统一规定，常见的划分为：

粗真空                  10⁵—10³ Pa

低真空                  10³—10^-1 Pa

高真空                  10^-1—10^-6 Pa

超高真空              10^-6—10^-10 Pa

极高真空              <10^-10 Pa

2.        真空获得—真空泵

1654年，德国物理学家葛利克发明了抽气泵，做了著名的马德堡半球试验。

原理：当泵工作后，形成压差，p1 >p2，实现了抽气。

真空泵的分类

气体传输泵是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。

气体捕集泵是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。

真空泵的主要参数

(1)       

S（抽气速率）：定义为在泵的进气口任意给定压强下，单位时间内流入泵内的气体体积

或表示为：

其中，Q为单位时间内流入泵的气体量。泵的抽气速率S并不是常数，随P而变。

(2)        极限压强 Pu   (极限真空)

(3)        最高工作压强 Pm

(4)        工作压强范围（Pu-Pm）：泵能正常工作的压强范围

几种常用真空泵的工作压强范围

旋片机械泵  10⁵—10^-2 Pa

吸附泵      10⁵—10^-2 Pa

扩散泵      10⁰—10^-5 Pa

涡轮分子泵  10¹—10^-8Pa

溅射离子泵  10⁰—10^-10Pa

低温泵      10^-1—10^-11Pa

几种常用真空泵的工作原理

1)        旋片机械泵

工作过程是：吸气—压缩—排气。定子浸在油中起润滑，密封和堵塞缝隙的作用。

主要参量是：抽速和极限压强。由于极限压强较高，常用做前级泵(预抽泵)。

2)        油扩散泵

工作原理是：油蒸发—喷射—凝结，重复循环

由于射流具有工作过程高流速(约200米/秒)、高密度、高分子量(300—500)，故能有效地带走气体分子。

扩散泵不能单独使用，一般采用机械泵为前级泵，以满足出口压强(最大40Pa)，如果出口压强高于规定值，抽气作用就会停止。 

3.        真空测量

(1)U型压力计

水银U型压力计构造简单，无需校准，可以在气压不太低时使用。一般压力计一段封闭，另一端接入真空系统，封闭端为真空，这样压力计可直接指示总压力，两边水银柱的高度差即为总压力。对于精密工作则需进行温度修正。对于压力较低（低于Pa）的测量，油压力计比水银压力计更精确，因为油的密度低得多。绝对压力由下式给出

                       

式中h是油压力计的读数。

(2).高频电火花真空测定仪（又叫检漏仪）

高频电火花真空测定仪（又叫检漏仪）是一种粗略测量玻璃真空系统的仪器，原理图如图所示。接通电源后，调节放电火花间隙G，当产生击穿放电时，将高

频放电探头在被抽容器处不停的移动。随着压强的变化，系统内放电辉光的颜色不断变化，从放电颜色可粗略地估计真空系统的气压。

随着真空度的提高，容器内的剩余气体分子逐渐减少, 由于机械泵对各种气体的抽气速率不同，残余气体中各种气体成分的比例随着气压的降低而变化。当对玻璃容器加一高压时，容器中的游离电子（宇宙射线产生）被加速与气体分子碰撞，当电子的能量足够大时，使气体分子电离，电离产生的次级电子再被电场加速与气体分子碰撞，再使气体分子电离，正负离子复合过程会有光子释放，即产生辉光放电，辉光放电是气体电离的基本形式之一，它反映了容器内气体的电离和复合过程。由于各种气体的电离电位不同，在复合过程中释出的光子频率不同，即辉光放电的颜色也不同，根据颜色变化可大致判断真空度的量级。

(3) 定容法测机械泵的有效抽速

设被抽容器的容积为v, 气体压强为p, 容器内的气体总量为pv。

令机械泵的有效抽速s, 则单位时间抽出的气体量等于气体总量的减少，即

_,式中V是恒量，故有

由s的表达式可看出，随着气压p的降低，有效抽速s也越来越小，达到极限压强时，即p不再变化时，有效抽速s为0。由实验可知，气压p在105—103Pa之间，s是常量。

(4)热偶真空计(热传导真空计)

热偶真空计是一种热传导真空计。热偶真空计的原理是利用在低气压下气体的热导率与压强之间的依赖关系。如图所示，在玻璃管中封入加热丝C、D及

两根不同金属丝A与B制成的一对热电偶。当C和D通以恒定的电流时，热丝的温度一定，当气体压强降低时，O点温度升高，则热电偶A、B两段的热电动势E增大，由外接毫伏计读出电压升高，压强与热电动势并非线性关系，下图给出了热偶计刻度曲线。

热偶真空计的测量范围大约在100— 10^-1Pa之间，它不能够测量再低的压强，这是因为当压强更低时，热丝的温度较高，此时气体分子热传导带走的热量很小，而由热丝引线本身产生的热传导和热辐射这两部分不再与压强有关，因此就达到了测量下限。  

气压下降，管内气体分子减少，热丝温度升高，由热电偶产生的热电势增加，输出电压增加。

三、实验仪器

热偶真空计、旋片式机械泵、热偶规管、高频电火花真空测定仪、FZh-2B型复合真空计。四、实验内容及步骤（实验步骤）

五、数据记录与处理

第二篇：大学物理实验——真空试验 实验报告

XX大学

大学物理仿真实验报告

真空实验

院系名称：

专业班级：

姓 名：

学 号：

1

真空实验

一、 实验目的

（1）学会用机械泵获得低真空以及观测不同真空度时辉光放电现象；

（2）用U型计和热偶计测量真空测量机械泵的有效抽速。

二、实验原理

1. 真空技术的基本概念

(1)真空：低于一个大气压的气体状态。

自然真空：气压随海拔高度增加而减小，存在于宇宙空间。

人为真空：用真空泵抽掉容器中的气体。

(2)真空量度单位：

1标准大气压=760mmHg=760(Torr)

1标准大气压=1.013x105 Pa

1Torr=133.3Pa

(3)真空区域的划分

目前尚无统一规定，常见的划分为：

粗真空

低真空

105—103 Pa 103—10-1 Pa 2

高真空 10-1—10-6 Pa

10-6—10-10 Pa

<10 Pa -10超高真空 极高真空

2. 真空获得—真空泵

(1)原理如图：当泵工作后，形成压差，p1 >p2，实现了抽气。

(2)真空泵的分类

气体传输泵是一种能将气体不断地吸入并排出泵外以达到抽气目的的真空泵，例如旋片机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵。

气体捕集泵是一种使气体分子短期或永久吸附、凝结在泵内表面的真空泵，例如分子筛吸附泵、鈦升华泵、溅射离子泵、低温泵和吸气剂泵。

3、真空测量

(1)U型压力计

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水银U型压力计构造简单，无需校准，可以在气压不太低时使用。

一般压力计一端封闭，另一端接入真空系统，封闭端为真空，这样压力计可直接指示总压力，两边水银柱的高度差即为总压力。对于精密工作则需进行温度修正。对于压力较低（低于10-3 Pa）的测量，油压力计比水银压力计更精确，因为油的密度低得多。绝对压力由p=ρgh给出期中h是油压力计的读数。

(2) 定容法测机械泵的有效抽速

设被抽容器的容积为V, 气体压强为p, 容器内的气体总量为pV。令机械泵的有效抽速s, 则dt时间抽出的气体量等于气体总量的减少，即 式中V是恒量，故有

由s的表达式可看出，随着气压p的降低，有效抽速s也越来越小，达到极限压强时，即p不再变化时，有效抽速s为0。

(3)热偶真空计(热传导真空计)

热偶真空计是一种热传导真空计。热偶真空计的原理是利用在低气压下气体的热导率与压强之间的依赖关系。

如图(1)所示，在玻璃管中封入加热丝C、D及两根不同金属丝A与B制成的一对热电偶。当C和D通以恒定的电流时，热丝的温度一定，当气体压强降低时，O点温度升高，则热电偶A、B两段的热电动势E增大，由外接毫伏计读出电压升高，压强

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与热电动势并非线性关系，下图(2)出了热偶计刻度曲线。 热偶真空计的测量范围大约在100— 0.1Pa之间 。

(1)

三、实验仪器

玻璃真空系统（有机械泵、橡皮管道、玻璃管道、玻璃活塞、玻璃容器、U型计、放电管、高频电火花真空测定仪、热偶真空计，旋片式机械泵、计时系统组成）

(2)

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四、实验步骤及结果

调节热偶真空计至测量状态→打开U型压力计通气，待水银柱稳定后关闭总通气孔→打开气泵电源开关抽气，同时开启计时系统每隔10s记录一次，当U型压力计示数稳定后 ，热偶真空计指针开始变化，此时注意观察高频电火花真空测定仪放电辉光的变化情况→计时自动停止后，先关闭U型压力计气孔，后关断气泵电源开关，最后打开总通气孔通气，实验结束后记得快速抓图

6

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五、思考题

1. 高频电火花真空测定仪可检测的真空度范围是（A）

（A）103—10-1PA （B）任何真空度 （C）102—10-2PA

2. 热偶真空计的测量下限为10-1PA，原因是（C）

（A）热电偶的性能 （B）热丝电流饱和 （C）热丝引线的热传导和热辐

射占主导地位

3. 关机械泵后一定要将大气放入（B）

（A）真空系统 （B）机械泵内腔 （C）U型计

4.使用高频电火花真空测定仪或放电管会引起（A）

（A）系统真空度提高 （B）系统真空度减小 （C）系统损坏

5.研究放电对真空度和热偶计的影响。

答：热偶计会使被测容器内气体温度升高，压强增大，从而导致测量误差。 8