气体放电基本物理过程

1 2
meve2
Wi
me——电子的质量； ve——电子的速度； Wi——气体分子的电离能。
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关
2）光电离
当气体分子受到光辐射时，如光子能量满足下面 条件，将引起光电离，分解成电子和正离子：
h Wi
h — 普朗克常数 h＝6.62×10-27尔格·秒。 v — 频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有
1. 电子平均自由行程
各种粒子在气体中运动 时不断地相互碰撞，任一粒 子 在 1cm 的 行 程 中 所 遭 遇 的 碰撞次数与气体分子的半径 和密度有关。
单位行程中的碰撞次数
的倒数 即为该粒子的平
均自由行程长度。
1. 电子平均自由行程
由气体动力学可知，电子平均自由行程长度：


kT
r 2P
如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子 核的约束而成为自由电子。
3、电离
原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱 原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离。
原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子。 使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
电离形式：
1）碰撞电离
在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子 的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离：
气体放电过程：在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程。
问题的提出： 1、气隙中带电粒子是如何形成的？ 2、气隙中的导电通道是如何形成的？ 3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电 的？
一、名词解释
1、电子平均自由行程 2、激励 3、电离 4、带电质点的复合
1. 电子平均自由行程
当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场 定向运动（如图2-4所示）。
电子崩具显圆锥形， 电子集中在崩头，尾部为 正离子
1、电子崩
正离子在电场的作用下向阴极移动，当到达阴极附近时， 或者由于加强了阴极的场强，或者由于正离子撞击阴极表面 而使阴极表面发生电离，产生电子发射。新发射的电子从电 场中获得动能参与了气体中的碰撞电离，使得“雪崩”现象 加剧，并在去除外电离因素的情况下仍有后继电子，使得放 电得以自持。
的电子数N ：
d
d
N

e
dx
0

ed
✓ 一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为： ed 1
2、气体放电的主要形式
✓ 辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、 电源功率小；霓虹灯 ✓ 火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断 续的明亮火花；大气压下、电源功率小 ✓ 电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀 场
二、气体放电过程的一般描述
1、电子崩
在外电离因素作用下，从阴极产生的第一个起始电子，从 电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两 个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子， 这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过 程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。这 一剧增的电子流称为电子崩。
c、强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。
d、热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，
逸出金属。
4 、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互 相中和、还原为分子的过程称为复合过程。
在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量， 产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致 电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。
第一章 气体放电的物 理过程和电气强度
研究气体放电的目的：
✓ 了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质 演变成导体的物理过程 ✓ 掌握气体介质的电气强度
✓ 学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间 隙的击穿电压
✓ 了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状 态的关系
电气设备中常用气体作为绝缘介质，常用的气体介质： 空气、SF6及其混合气体
4）金属(阴极)的表面电离：
a、正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸
出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成 为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现 自由电子。
b、光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大逸出功时，金属
表面放射出电子。
粒子性，称为光子）
导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的 紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x 射 线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。
3）热电离
一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 包括： ✓ 随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离； ✓ 高温下高能热辐射光子引起的光电离。
✓ 刷状放电：从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细 放电通道；极不均匀场 ✓ 电弧放电来自百度文库放电通道和电极的温度都很高，电流密 度大，电路有短路特征；电源功率大
3、非自持放电与自持放电
➢ 外施电压小于U0 时，间隙内电 流数值很小，间隙还未被击穿，这 时电流要依靠外电离因素来维持， 如果取消外电离因素，电流将消失。 这类放电称为非自持放电。
r ：气体分子半径
P ：大气压力 T ：气温
k ：波尔兹曼常数
2、激励
原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近 的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过 程称为激励。
该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均 称为激励能级。
激励状态存在的时间很短(大致为10-8s)，电子将自动 返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以 辐射能(光子)的形式放出。
表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属 表面平均释放出的自由电子数。描述了离子崩到达阴极 后，引起阴极发射二次电子的过程
电子崩中电子数目：
设一个电子从阴极行走x 距离产生的自由电子数为n，n 个
电子前进dx 产生的新电子数为：
dn ndx, 或 dn dx
n
✓ 一个电子从阴极到阳极产生
为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：
✓ 系数：
代表一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的 碰撞电离次数；对应于起始电子形成电子崩的过程
✓ 系数：
代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生 的碰撞电离次数；在引起电子剧增的同时，对应于造成 离子崩的过程
✓ 系数：