气体放电理论(二)分解
气体放电的基本物理过程
2、电子崩的形成
高电压工程基础
外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电 子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极 运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子， 初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新 的碰撞电离，产生更多电子。
阴极表面光电离 气体中的空间光电离
因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
高电压工程基础
1、非自持放电和自持放电的不同特点
电流随外施电压的提 高而增大，因为带电 质点向电极运动的速 度加快复合率减小
电流饱和，带电质 点全部进入电极， 电流仅取决于外电 离因素的强弱（良 好的绝缘状态）
高电压工程基础
气体放电的现象与发展规律与气体种类、气 压大小、气隙中的电场形式、电源容量等一系列 因素有关。
但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞 电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定 数值时出现。
2.2 放电的电子崩阶段
高电压工程基础
1、非自持放电和自持放电的不同特点
各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：
高电压工程基础
（3）热电离
气体在热状态下引起的电离过程称为热电离。
气体放电理论在电气工程中的案例
气体放电理论在电气工程中的案例
气体放电理论在电气工程中的各种形式统称为气体放电现象。金属能够导电是因为金属中的自由电子在电场力的作用下作定向运动
所形成的；液体到电视因为酸、碱、盐在溶液中形成的正、负向异性电极运动的结果。液体的导电往往伴随着化学反应。
气体放电理论在电气工程中在常温下，气体是不导电的，因为一般气体分子不像金属那样容易释放自由电子，也像酸、碱、盐溶液那样容易分解为正、负离子。但在某种条件下，气体分子也可以分离为电子和正离子，这种现象称为游离。气体放电就是游离气体的导电质点即自由电子和正离子在电场力作用下定向运动的结果。最常见的气体放电现象有电晕放电、火花放电、电弧放电三种形式。
气体放电理论在电气工程中的案例：
○ 1电晕放电。通常电晕放电现象产生于带高压电的导体周围空间，特别是导体表面有尖角的部位。由于电场强度高，使周围空间中的气体分子被游离，同时发出吱吱声，在黑暗中可以看到导体周围有蓝色的光圈。
○ 2火花放电。火花放电现象产生于具有电压的两极间，当具备
了使气体放电的条件时，由于电源的能量不足，或外回路的阻抗很大限制了放电电流，仅在两极间闪现出贯通两极的断续的明亮细火花迸发出劈啪声。
○ 3电弧放电。电弧放电现象是气体自持放电的一种形式。所谓
自持放电即两电极间的导电质点不断产生和消失，处于一种平衡状态。
它的条件是电源的能量足以维持电弧的燃烧。时间证明，当开关电器切断有电流的电路时，如果触头间的电压大于10—20V时，电流大于80—10MA，在断开的瞬间触头间便产生强烈白光，这种白光即称为电弧。此时触头虽已分开，但电流以电弧的形态维持，电路仍处于接通状态。只有在触头分开到足够的距离，电弧熄灭后，电路才算被切断。电弧是开关电气器在断开过程中不可避免的现象。
气体放电基础分解
W (ev)
气体放电物理基础
• 热激发和热电离
(1)气体原子相互碰撞产生电离 (2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离 (3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离
气体放电物理基础
• X射线及核辐射引起的电离和剩余电离 X射线：
(1)气体原子吸收X射线量子后，使一个价电子脱离。这 个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。
（受激原子自发地直接过渡到 基态， 并产生光子辐射。）
激发态 原子能级
较高激发态能级
（向较低基发态能级跃迁，并产生光子 辐射。）
亚稳能级
（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）
气体放电物理基础
• 电子与气体原子碰撞致激发和电离
——电子使基态原子(或分子)电离和激发
电子必须具有的动能
原子由基态E0激发态Em
彩色等离子体 显示
气体放电物理基础
气体放电中的基本粒子： • 基态原子（或分子） • 电子 e＝1/2mve2，典型密度为1016~1020/m3. • 激发态原子(或分子) • 正离子和负离子 • 光子 ＝h
气体放电物理基础
基本粒子间的相互作用 • 弹性碰撞
参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变 化，而位能不发生变化。
气体放电物理基础
带电粒子的热运动 （1）带电粒子的速度分布与平均动能
第二章 气体放电的物理过程
2.1 带电粒子的产生和消失
撞击质点：电子、正负离子、中性分子、原子等
撞 撞击电离的首要条件：
击
撞击质点总能量（动能+势能）
电
> 被撞击质点当前状态时的电离能
离
① 撞击是复杂的电磁力作用
② 需要一定时间才能完成
③ 主要因素是电子的撞击电离
④ 动能需要积累
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
第二章
气体放电 的
物理过程
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 沿面放电
高电压技术
气体放电研究概述
※ 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体 放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。
※ 用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使 人们认识到了阴极射线，并由此发现了电子，解开 了原子结构的秘密，促进了原子物理的发展。
电
空气的电离度m 与温度的关系
来自百度文库
离
T>10000K，才考虑热电离 T>20000K，几乎所有分子都处于热电离状态
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
逸出功：从金属电极表面发射电子需要的能量。
表 当逸出功<<电离能时，阴极表面可在下列情 面 况下发生：
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
➢ 辉光放电：电源容量较小时，气隙间的放电则表现为充满整个 间隙辉光放电；
➢ 火花放电：在大气压下或者更高气压下，放电则表现为跳跃性 的火花
➢ 电弧放电：当电源容量较大且内阻较小时，放电电流较大，并 出现高温的电弧
➢ 局部放电（电晕）：在极不均匀场中，还会在间隙击穿之前， 只在局部电场很强的地方出现放电，但整个间隙并未发生击穿
➢ 汤逊理论的局限性：对于高气压长间隙和不均匀场中的 气体放电及击穿电压无法解释。
➢ 流注理论与汤逊理论的不同之处： 流注理论认为:电子的碰撞电离和空间光电离是形成自持
放电的主要因素； 而汤逊理论则没考虑放电本身引发的空间光电离对放电
过程的重要作用。 同时，流注理论特别强调空间电荷对电场的畸变作用。
电离方式可分为： ➢碰撞电离 ➢光电离 ➢热电离 ➢表面电离
气体中负离子的形成
附着：电子与气体分子碰撞时，不但有可 能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，也 可能发生电子附着过程而形成负离子。
负离子的形成并未使气体中带电粒子的数 目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气 体放电的发展起抑制作用。
2 、带电质点的消失
第二节 汤逊气体放电理论
气体放电现象与规律因气体的种类、气压和 间隙中电场的均匀度而异。
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩阶段。
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程
本章节教学内容要求：
气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失
汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语
击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）
电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）
一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；
Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。电晕放电的电流很小
电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。电弧放电电流大，电弧温度高。
气体放电基础分析
气体放电物理基础
气体原子的激发转移和消电离
气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和 电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非 弹性碰撞。
1．气体原子的激发转移
• 自发辐射跃迁 • 与电子的非弹性碰撞 • 与基态原子的非弹性碰撞
4．负离子的形成
中性原子捕获电子形成负离子 e A A h
三体碰撞
e
A
B
A
B
分解吸附 e XY ( XY )* X Y
分子气体与电子碰撞产生离子对 重粒子间的电荷转移产生离子对
e A
XY X B A
Y B
e
气体放电物理基础
带电粒子在气体中的运动
• 带电粒子的热运动 • 带电粒子的扩散运动 • 带电粒子的漂移运动
e Hg *(63 p0 ) Hg e e
能级为4.66ev
能级为5.43ev e Hg * (63 p2 ) Hg e e
气体放电物理基础
碰撞截面
原子作用半径R： 电子与原子间能发生相互作用的最大距离。
原子与电子碰撞的有效截面 qe R2
电子能量的函数
有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒 子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。
气体放电原理
气体放电原理
气体放电是指当气体中的电子和离子获得足够的能量时，发生放电现象的过程。其原理涉及到气体的电离和电子的碰撞等基本物理过程。
气体电离是指在电场的作用下，气体中的原子或分子失去电子成为正离子和自由电子的过程。当电场强度足够大时，气体中的原子或分子受到电场的力，电子被加速并获得足够的能量，从而发生电离，形成正离子和自由电子。
电子的碰撞是指在气体中，自由电子与离子或原子之间发生的碰撞过程。电子在碰撞过程中会失去能量，导致其速度减小。当碰撞速率和电子再次获得能量的速率达到平衡时，电子的速度将保持稳定。
在气体放电过程中，电子和离子受到电场的作用而产生加速，当它们的能量达到一定程度时，就会引发碰撞电离，进而导致更多的电离。这种连锁反应会引起电流的流动，形成可见的放电现象，如闪电、辉光灯等。
不同的气体放电现象具有不同的特点和应用。例如，闪电放电具有极高的能量和电流，可破坏设备和引起火灾。辉光灯则是通过控制气体放电来产生可见光，用于照明和显示等领域。
总之，气体放电现象是通过电场作用下的电离和碰撞过程实现的。这一原理在各种领域的应用中发挥着重要的作用，从科学研究到工业应用都有广泛的应用价值。
气体放电过程的分析
气体放电过程的分析
摘要:气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘介质。对气体放电过程进行分析，研究气体电介质的绝缘特性具有十分重要的意义。而气体放电又受气体间隙、环境电场影响，其过程的分析需要各种理论的支持。
关键字：气体放电、带电质点、气体间隙、电子崩、汤逊理论、流注理论
K
一、气体中带电质点的产生与消失
1．气体中带电质点的产生
气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此，介电常数都接近于1。纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，才可能导电，并在电场作用下发展成为各种形式的气体放电现象。
气体导电的原因：气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从而形成气体电介质的电导层。
气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子本身发生游离（包括撞击游离、光游离、热游离等多种形式）；二是放在气体中的金属发生表面游离。
2．气体中带电质点的消失
气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；带电质点的复合。
1）带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量
带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向运动途中会不断地与气体分子相碰撞，碰撞后会发生散射，但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。其平均速度开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强度下，其平均速度将达到某个稳定值。这一平均速度称为带电质点的驱引速度。
现代高电压技术-现状与展望
(3)电子扩散模型:这种模型考虑了固体介质表面上的电子扩 散过程。认为在直流系统中存在着诸如电晕放电这样的恒定 电子源。电子从其产生区向外扩散,使附近的介质表面的电子 陷阱为电子所充满,导致电子产生区和附近陷阱区的电子密度 的梯度下降。这样,电子产生区的电子密度会增加,电极之间 的电子流随之增大。当电子流达到某一临界值时,就会发生放 电。
气体放电(含雷电)基本理论研究内容
(3)大区域雷电防护新原理和新方法。 (4)特种雷电(球雷,珠串雷等)的机理和形成过程。 (5)放电基本过程和参数的研究,包括电离、电子附着、电荷
转移、退附着、扩散、复合、碰撞截面和附着截面等。研究 方法包括计算、模拟和实验。 (6)放电特性及影响因素的研究,包括在不同的电场中不同的 电压形式下的放电特性、电晕放电模型、电晕起始特性、电 晕—放电的过渡特性以及电晕稳定效应等。影响因素主要是 微粒(特别是导电微粒)和表面粗糙度、水分及杂质的影响等 。
(4)放电传播模型:这一模型考虑冲击电压作用下的界面放电( 不均匀电场中),它描述了放电通道的最大长度(从针状电极端 部向平板电极的辐射放电)、放电发展速度、起始放电电压 以及放电发展所需的最小能量。根据这一模型,先导放电发展 将继续到在先导通道中的电压降落使先导头部的电位下降到 不足以提供进一步使通道的电离和气体的加热所需的能量时 为止。先导发展的速度与气体的压力无关,但与先导头部的电 位有关。
气体放电过程分析..
碰撞电离
在电场E作用下,质量为m,电荷量为q的带电质点被加速, 沿电场方向行经x距离后获得能量qEx,具有一定速度v,表现 为动能: 1 2
2
m qEx
当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原 子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生电离，这种由碰 撞而引起的电离称为碰撞电离.
引起碰撞游离的条件：
Wi
1 2 m Wi 2
：气体原子（或分子）的电离能
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都 引起电离-----引入”自由行程”概念:
* 自由行程定义:一个质点在每两次碰撞间自由通过的距离. * 平均自由行程λ:众多质点自由行程的平均值
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论和巴申定律
1.2.1 汤逊理论 1.2.2 巴申定律与均匀电场击穿电压 • 巴申定律 • 均匀电场的击穿电压 1.2.3 汤逊放电理论的适用范围
1.2 低气压下均匀电场自持放电的两个理论: 1.2.1.汤逊放电理论:
1903年,由英国人汤逊根据 试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体 放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。 汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论.
8气体放电的基本理论
火花放电：
高电压电极间的气体被击穿， 出现闪光和爆裂声的气体放 电现象。 在通常气压下，当在曲率不 太大的冷电极间加高电压时， 若电源供给的功率不太大， 就会出现火花放电，火花放 电时，碰撞电离并不发生在 电极间的整个区域内，只是 沿着狭窄曲折的发光通道进 行，并伴随爆裂声。由于气 体击穿后突然由绝缘体变为 良导体，电流猛增，而电源 功率不够，因此电压下降， 放电暂时熄灭，待电压恢复 再次放电。所以火花放电具 有间隙性。
8
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论 1
八
4.表面游离
气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。从 金属电极表面逸出电子，需要一定的能量，通常称为逸出 功。金属的逸出功一般要比气体的游离能小得多，所以， 表面游离在气体放电过程中有重要作用。 金属电极表面游离所需的能量（逸出功）可以通过下 述途径获得： ①热电子发射：即把金属电极加热，使金属中电子的 动能增加到超过逸出功时，电子即能克服金属表面的位能 壁垒而逸出，称为热电子发射。在强电领域，热电子发射 主要是对某些电弧放电的过程有重要的意义。 ②二次发射：用某些具有足够能量的质点（例如正离 子）撞击金属电极表面，也可能产生表面游离（称为二次 发射）。
5
2、光游离
第 章 气 体 放 电 基 本 理 论
八
短波射线的光子具有很大能量、它以光速运动，当它射到中性原 于(或分子)上时所产生的游离称为光游离，光子的能量与其频率成正 比，即 Ｗ＝hγ (1—1) 式中 h——普朗克常量，等于6.6260755X10-34J· s； γ——光的频率，Hz。
高电压气体放电基本物理过程
2.2 放电的电子(diànzǐ)崩阶段
（一）非自持放电(fàng diàn)和自持放电(fàng diàn) 的不同特点
第二十九页，共86页。
高电压工程基础
➢ 非自持放电(fàng diàn)和自持放电 (fàng diàn)的不同特点
电流随外施电压的提高(tí gāo)而增大，因为带电 质点向电极运动的速度 加快复合率减小
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV) 气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
N2
6.1
15.6
CO2
10.0
13.7
O2
7.9
12.5
H2O
7.6
12.8
H2
11.2
15.4
SF6
6.8
15.6
第五页，共86页。
一、气体中带电(dài diàn)质点的产 生和消失
气体中带电质点的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）高温下气体中的热能（热电离） （2）各种光辐射（光电离） （3）电子或正离子与气体分子的碰撞(pènɡ
（1）正离子撞击(zhuàngjī)阴极 （2）光电子发射
（3）强场发射
（4）热电子发射
第十二页，共86页。
气体(qìtǐ)中负离子的形成
高电压工程基础
电子与气体分子或原子碰撞(pènɡ zhuànɡ)时，也有可能 发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲 合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易 ，越大则越易形成负离子。
气体放电过程分析
气体放电过程分析报告
一、气体放电的定义
气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。气体放电是产生低温等离子体的主要途径。所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。低温等离子体物理与技术在经历了一个由20世纪60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展对于高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。
二、气体放电过程分析
气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。1903年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。针对汤森放电理论的不足，1940年左右，H．Raether及Loeb、Meek等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。近年来，随着新的气体放电工业应用的不断涌现及实验观测技术的进一步发展，将放电理论与非线性动力学相结合，利用非线性动力学的方法来研究气体放电中的各种现象成为气体放电研究中的重要内容。
气体放电
气体放电
气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作
用下产生导通电流的现象称为气体放电。
当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。气体在外
加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发
生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。
通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式： 1．辉光放电
外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种
放电形式称为辉光放电。辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。
辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。
2．电晕放电
对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴
有咝咝声。如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。发生电晕
放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。
电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。
3．火花或电弧放电
在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体
发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。
气体放电的机理
n0
n
na
x
dx
d
1. α过程引起的电流
将n n0e x的两边都乘以电子电荷及电极的面积，得
到相应的电子电流增长的规律为：
I I0e x
式中，I 0------外电离因素引起的起始光电流；
则外回路中的电流为： I I0e d
●对上式的分析： ①在仅有α 过程时，若 I0 0，则 I 0 。也即去掉外电离 因素，放电随即停止，该放电是非自持放电。 ②在α不变的情况下（电极间的电场和气体的状态不变）， 则电极间的电流与极间距离为指数关系。
I
I0ed Ie d
➢影响系数的因素
①和电极材料的逸出功有关，也即与电极材料及其表面的 状态有关。
②与E/P有关，因为离子和光子的动能决定于E/P,因而有： (E / p)
但在工程实际中在击穿电压的计算中， γ一般看作为常 数，因为击穿电压对 γ的反映不灵敏。
（四）均匀电场中的击穿电压
1. 自持放电条件
二.汤逊气体放电理论
汤逊放电理论：低气压短间隙
两种气体放电理论
流注放电理论：高气压长间隙
➢ 汤逊放电理论的理论要点
电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离 是使带电质点激增，并导致击穿的主要因素。击穿电压大 体上是 p d 的函数.
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引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度
E max f E av E av U d
f<2时，稍不均匀电场
f>4后，极不均匀电场
18
特殊放电现象—电晕放电
电晕放电现象
电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味， 回路电流明显增加 ( 绝对值仍很小 ) ，可以测量到能量 损失
流注中电荷密度很大，电导很大，其中电场强度很小。 因此流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用， 并且随着其向前发展而更为增强
当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注 的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈 二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花 通道常是曲折的，并带有分枝。 电子崩则不然，由于其中电荷密度较小，故电场强度还 很大，因而不致影响到邻近空间内的电场，所以不会 影响其它电子崩的发展，如图 2—15 所示。这就可以 14 说明，汤逊放电呈连续一片
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自持放电条件
一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放 电可以由本身产生的空间光电离而自行维持， 即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将 被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条 件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件
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3.流注理论对pd很大时放电现象的解释
1．放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式
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根据电场均匀程度和气体状态，可以出现不同情况
电场比较均匀的情况 放电达到自持时， 在整个间隙中部巳达到相当数值 。这时和均匀电场中情况类似
电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近 达到足够数值时，间隙中很大一 部分区域 也都已达相当数值，流注一经产生，随即 发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值时，间隙 中大部分区域值 都仍然很小，放电达到自持放电后 ，间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起 始电压间的差别也越大
光子引起空间光电离， 其中的光电子被主电子 崩头部的正空间电荷所 吸引，在受到畸变而加 强了的电场中，造成了 新的电子崩，称为二次 电子崩
1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注 8
正流注的形成
二次电子崩中的电子进 入主电子崩头部的正空 间电荷区（电场强度较 小），大多形成负离子 。大量的正、负带电质 点构成了等离子体，这 就是正流注 流注通道导电性良好， 其头部又是二次电子崩 形成的正电荷，因此流 注头部前方出现了很强 的电场
高电压技术
第一章 气体放电理论（二）
气体中带电质点的产生和消失
气体放电的一般描述
均匀电场中气体击穿的发展过程
不均匀电场中气体击穿的发展过程
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三、均匀电场中气体击穿的发展过程
（二）流注气体放电理论
说明工程上感兴趣的压力较高气体的击穿，如大 气压力下空气的击穿 特点：认为电子碰控电离及空间光电离是维持 自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电 场的作用 通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的） 说明放电发展的机理
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在电离室中得到的初始电子崩照片 图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱， E=10.5千伏/厘米
初始电子崩转变为 流注瞬间照片 p＝273毫米汞柱 Eຫໍສະໝຸດ Baidu12千伏/厘米
电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s
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在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片 正流注的发展速度约为11082108cm/s
2．放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速 度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别 短的现象。 3．阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自 持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过 程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材 料基本无关了。
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四、不均匀电场中气体击穿的发展过程
间隙距离d 在很大范围内变动时，球间隙的工频放电电压的变动情 况 1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 刷状放电电压 4 过渡区域
电子崩中的电子数： n＝ex
例如，正常大气条件下，若E＝30kV／cm，则 11cm-1， 计算得随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数
x /cm n 0.2 9 0.3 27 0.4 81 0.5 245 0.6 735 0.7 2208 0.8 6634 0.9 19930 1.0 59874
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电离室
电离室结构示意图 1－照射火花间隙；2－石英窗；3－电极 4－玻璃壁；5－橡皮膜；6－绝缘柱
研究放电时的电路图 N－电离室；S－火花间隙； L'、L''、K－短路回路
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电子崩阶段
空间电荷畸变外电场
流注阶段
光电离形成二次电子崩，等离子体
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1. 电子崩阶段
电子崩外形：好似球头的锥体，空间电荷分布极不均匀
d0 2D；d0 4D
当d<d0时；电场还比较均匀，击穿以前间隙中看不到什么放电迹象； 当d>d0时；电场已不均匀，当电场还明显低于击穿电压时，出现电晕 放电、刷状放电 ； d0和d0 之间；过渡区域，放电过程不很稳定，击穿电压分散性很大 当d>d0 时；电晕起始电压己开始变得低于击穿电压了
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空间电荷畸变外电场
大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负 电荷区域之间的电场
电子崩头部：电场明显增强 ，有利于发生分子和离 子的激励现象，当它们 回复到正常状态时，放 射出光子
崩头内部正、负电荷区域： 电场大大削弱，有助于 发生复合过程，发射出 光子
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2. 流注阶段
光电离、二次崩
当电子崩走完整个间隙 后，大密度的头部空间 电荷大大加强了后部的 电场，并向周围放射出 大量光子
脉冲现象
(a) 时间刻度T=125s (b) 0.7A电晕电流平均值 (c) 2A电晕电流平均值
1—主电子崩
2—二次电子崩
3—流注
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正流注向阴极推进
流注头部的电离放射出大 量光子， 继续引起空间光 电离。流注前方出现新的 二次电子崩 ，它们被吸引 向流注头部 ，延长了流注 通道 流注不断向阴极报进 ，且 随着流注接近阴极 ，其头 部电场越来越强 ，因而其 发展也越来越快 流注发展到阴极 ，间隙被 导电良好的等离子通道所 贯通，间隙的击穿完成 ， 这个电压就是击穿电压