第二章气体放电的物理过程培训讲学
高电压技术第二章-气体放电
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，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n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
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。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、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
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
高电压技术——第二讲 气体放电的基本物理过程2.1
电离
（2）光电离：光辐射引起气体分子电离。 光电离：光辐射引起气体分子电离。
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W = hν
条 件 ： λ ≤
hc Wi
试推导，能使气体发生光电离的光波长的数量级。
电离
（3）碰撞电离：高速运动的质点与中性的原子或 碰撞电离： 分子碰撞时， 分子碰撞时，如原子或分子获得的能量大于电离 能则发生电离。 能则发生电离。
潘宁效应
2.1.2 电极表面的电子逸出
一些金属的逸出功
从金属表面逸 出的电子也会进入 气体间隙参与碰撞 电离过程。 逸出功： 逸出功：要使电子从 金属表面逸出需要 的能量。
金属 铝 银 铜 铁 氧化铜
逸出功(eV) 逸出功 1.8 3.1 3.9 3.9 5.3
2.1.2 电极表面的电子逸出
（1）正离子撞击阴极：只有当正离子的能量 正离子撞击阴极： 大于金属逸出功的两倍时才能产生电极表面 电子发射。 （2）光电子发射。 光电子发射。 强场发射： （3）强场发射：阴极表面电场强度很大时， 也能使阴极放出电子，称为强场发射或冷发 射。 （4）热电子发射：高温下金属中电子因获得 热电子发射： 巨大的动能而从电极表面逸出。
2.1 带电质点的产生与消失
2.1.1 气体中电子与正离子的产生 2.1.2 电极表面的电子逸出 2.1.3 气体中负离子的形成 2.1.4 带电质点的消失
2.1.1 气体中电子与正离子的产生 原子结构
气体原子：带正电荷 的原子核 原子核和若干带负 原子核 电荷的电子 电子构成。 电子 电子受原子核的吸引 在各自轨道上围绕原子 核旋转。 气体原子呈中性 中性。 中性
2.1.1 气体中电子与正离子的产生
电离 在足够大的外界能量下，电子（ 在足够大的外界能量下，电子（也许 不只一个）就会脱离原子核的吸引， 不只一个）就会脱离原子核的吸引，脱离 的电子称为自由电子 自由电子， 的电子称为自由电子，失去了电子的中性 原子成为正离子 此过程称为“电离” 正离子， 原子成为正离子，此过程称为“电离”。 电离产生的电子和正离子就是我们所 说的“带电质点” 说的“带电质点”。
气体放电的物理过程PPT课件
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bpd
deUb
ln(1
1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
Ub f1pd
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电 极13 间距离的乘积pd的函数
• 实验求得均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系
325V
Umin不是出 现在常压 下，而是 出现在低 气压，即 空气相对 密度很小 的情况下。
23
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
23
（2） 流注阶段
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
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
E 电场大大削弱，有助于发
生复合过程，发射出光子 ex 这些光子将导致空间光电离
0
22
E ex
合成电场
dx
光电离的作用：二次电子崩
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
光子引起空间光电离， 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
a 阴极表面二次发射 正离子 电子崩（ 过程）
（ 过程）
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所 示7 的循环不息的状态，放电就能自己维持下去
• 总结： 1. 将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
-
22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
-
24
电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
-
2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
第二章 气体放电的物理过程
n0
n
na dx d
x
dn ndx
分离变数并积分 ，可得：n n0 e 均匀电场，α不随x 变化，所以
14
（一）光电离
频率为ν的光子能量为 W=hv
式中 h——普郎克常数= 6.63 10
34
J s 4.13 1015 eV s
发生空间光电离的条件为 h Wi
hc 或者 W i
式中 λ——光的波长，m; c——光速 3 10 m / s ；
8
Wi ——气体的电离能，eV。
构成的组合绝缘。例： 电气设备的外绝缘往往是由气体介质（空气）和固 体介质（绝缘子）联合组成；内绝缘则较多地由固 体介质和液体介质联合组成。
3
※一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度， 电介质就会逐渐丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成 导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象可 分为两大类： （1）在弱电场下（当电场强度比击穿强度小得多 时），主要是极化、电导、介质损耗等（第 一章学习）； （2）在强电场下（当电场强度等于或大于放电起 始场强或击穿场强时），主要有放电、闪 络、击穿等（第二、三、四章学习）。
1 2 W mv qe Ex 2
qe Ex Wi
Wi U i （式中 电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 xi qe E E Ui 为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi 相等）， i x
的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可见提 高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
16
下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可以看出：只有 在温度超过10000K时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑 热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子 都已处于热电离状态。
第二章 气体放电的物理过程
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的能量
动能：取决于原子的质量和运动速度。 位能：取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时，原子的位能也相应增加。
能级：根据原子中电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的位能， 称为原子的能级。
原子的正常状态相当于最低的能级。
高电压技术
气体放电研究概述
高电压技术
气体放电研究概述
Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约104帕以下）均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。
汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性
高电压技术
气体放电的主要形式
1、辉光放电（击穿状态）
（1）条件：低气压，均匀电场 （2）特点：电流密度小，放电
光子的能量：
光
W hv 式中 h—普朗克常数
电 产生光电离的必要条件：
离
hv Wi
或 hc
Wi
式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能
光子的来源：
可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游
热
离的综合。
区域占据整个电极空间。
2、火花放电 （击穿状态）
（1）条件：高气压 （2）特点：明亮的火花，火花
向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生，放电过程不稳定
高电压技术
气体放电的主要形式
3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电
负极性电晕下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明 亮的细放电通道，称为刷状放电 ； 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后 整个间隙被击穿 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转 入击穿
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。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程一、带电质点的产生与消失产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。
激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。
激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。
电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。
电离所需的能量称为电离能Wi ，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui 表示， Ui = Wi /e (e 为电子的电荷量)。
1、电离的方式：碰撞电离、光电离、热电离、分级电离属于空间游离。
金属表面电离 电极表面带电质点的产生2、带电质点的消失与两电极的电量中和、带电质点的扩散、带电质点的复合3、放电的电子崩阶段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：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。
外施电压小于U0时的放电是非自持放电。
电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，此时的放电为自持放电。
2）电子崩的形成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。
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流称为电子崩。
放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关：汤逊理论(pd 值较小)流注理论(pd 值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。
3）自持放电条件要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。
实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd ）有关：汤逊理论 (pd 值较小)： b()U f pd1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)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。
气体放电的基本物理过程63页PPT
气体分子平均动能与分子温度的关系：
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
常温下(T=300K)，不足以引起空气的热电离；当发生电弧放电 时，气体温度达到数千度以上，可以导致碰撞电离。
热电离实质上是热状态产生的碰撞电离和光电离的综合。
高电压工程基础
（4）分级电离
原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨 道，称之为激励，所需的能量称为激励能We 。
铝
1.8
银
3.1
铜
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
2、电极表面的电子逸出
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
高电压工程基础
（4）分级电离 若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能， 则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气 体各自的击穿强度。
从绝缘的观点看，潘宁效应是很不利的；但在气体放电应用 中，如在电光源和激光技术中，则常常利用潘宁效应。
功率很小时，放电充满整个间隙。
火花放电：大气压下，电源功率很小时，间 隙间歇性击穿，放电通道细而明亮时断时续。
电弧放电：大气压下，电源功率较大时，放 电具有明亮、持续的细致通道。
电晕放电：极不均匀电场中，高电场强度电 极附近出现发光薄层。
刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断 续的放电通道。
内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成
高电压工程基础
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及其提高方法。
电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)
高电压技术-第02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 气隙的沿面放电
2.1 气体中带电质点的产生和消失
1、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后
才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 ① 基本概念： 玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，
域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电
子扩散速度比离子快。 ③ 复合：
带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称 为复合。
复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由 电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负 离子再复合。
1、概述： ① 电子崩：
系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电 子数。
② n 0 为1，位置为阴极附近。
S
n0 n
x
dx
过程： dnndx dn dx lnnx nexes
n
S 路程上撞击电离出 e s 1 个正离子。 过程：可以忽略不计。
过程： e s 1 个正离子撞击阴极，电离出 es 1个电子。
2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、
复合。 ① 中和：
带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运 动。带电质点受电场力作用而流入电极，中和电量。
由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰 撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。
② 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区
⑤ 表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式： ➢ 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 ➢ 光电子发射：用短波光照射金属表面。 ➢ 热电子发射：加热金属电极。 ➢ 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。
气体放电的物理过程2
1.1 气体放电的基本物理过程 本节内容：
1.1.1 带电质点的产生 1.1.2 带电质点的消失 1.1.3 电子崩与汤逊理论 1.1.4 巴申定律与适用范围 1.1.5 不均匀电场中的气体放电
气体放电的基本理论： ●汤逊理论 ●流注理论
常用的高压工程术语及基本概念 什么是气体放电 • 气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称；
∵逸出功＜电离能， ∴同样的光辐射引起的表面电离比引起的空间光电离强烈很
多
（3）强场发射（冷发射、场致发射）
当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出 电子
条件：需要极强的外电场，108V/m数量级
一般的气隙击穿过程中不会出现
对高真空下的气体击穿；或对某些高电强气体在 高压强下的气隙击穿具有重要意义
气体放电的基本物理过程 气体介质的电气强度和沿面放电 固、液体的击穿机理
第一章 气体的绝缘特性与介质的 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及其提高方法
本章内容
1.1 气体放电的基本物理过程 1.2 气体介质的电气强度 1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电 习题与思考题
自由行程 ：一个质点在 相邻次碰撞间自由地通过 的距离。
平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。
kT 2 r p
Байду номын сангаас
p：气压
T：气温
k：波尔兹曼常数
r：气体分子半径
T p
常温常压下空气中电子平均自由行程在10-5cm 数量级 。
气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子 发生碰撞时的行程 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越 小。（对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成
第二章 气体放电的物理过程
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的激励与电离 激励（轨道跃迁） 原子的一个或若干个电子 转移到离核较远的轨道上去， 所需能量称为激励能We 电离
电子跃迁到最外层轨道之外， 脱离原子核的束缚，成为自由 电子。所需能量称为激励能Wi
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
带电粒子的产生方式
碰撞电离 光电离 热电离 阴极表面电离
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。
高电压技术
Townsend气体放电理论
设
n0 =1，则抵达阳极的电子数应为： n ed
新增加的电子数为： n ed 1 即为正离子数目
自持放电条件
e 1 1
ad
利用高速示波器可以测出放电发展过程中的电流变化。电流的周期性 变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。不满足自持条件时
定义为一个正离子撞击阴极表面时平均从 阴极表面逸出的电子数（二次电子发射）。
与电极材料和 离子能量有关
高电压技术
Townsend气体放电理论
Townsend对放电管放电伏安特性的解释
1. 在 T0 区域，三个系数均为零，电流仅是由外界电离 因素引起的。 2. 在T1 区域，出现了α 过程， α 过程使电流按照指数规
第2讲 气体放电理论(一)
f (x) e
➢ 如果起始有n0个质点（或一个质点的相继n0 次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰 撞的质点数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
12
质点的平均自由行程
电子在其自由行程内从外电场获得动能 ， 能量除决定于电场强度外，还和其自 由行程有关
13
+ 气体中带电质点的产生 （一）气体分子本身的电离，可由下列因素
光子自能量然满界足下、面条人件，为将照引起射光电、离，气分解体成放电子电（光过电子程）和正离子
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）：
0
hc eU i
1234 Ui
nm
17
+ 铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直 接光电离的波长应小于318 nm（紫外）
+ 对所有气体来说，在可见光（400750nm） 的作用下，一般是不能发生直接光电离的
+ 汤森德气体放电理论 + 流注放电理论
30
1、气体放电的主要形式
外电离因数：宇宙线、地面上的放射性辐射、太阳光 中的紫外线等 1cm3 气体介质中每秒产生一对离子，达到平衡状态， 离子浓度约为500~1000对/cm3
31
外施电压小于U0 时，间 隙电流远小于微安级， 此阶段气体绝缘性能
完好
电流要依靠外电离因素 来维持。如果取消外 电离因素，U0 以那前的么放电电形流式称为非自持放电
+ 如电场极不均匀，则当放电由非自持转 入自持时，在大曲率电极表面电场集中
34
根据气体压力、电源功率、电极形状等因 素的不同，击穿后气体放电可具有多种 不同形式。利用放电管可以观察放电现 象的变化
高电压课件 第二章 气体放电的物理过程
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一、气体中带电质点的产生纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在气体中出现了带电质点（电子、离子等）以后，才可能导电，并在电场的作用下，发展成各种形式的气体放电现象。
气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生；二是气体中的固体或液体金属表面发生电离。
下面讨论各种形式的电离：1．撞击电离撞击电离乃是两个质点在接近时通过复杂的电磁力相互作用，达到两者之间发生能量转换的结果，这就需要一定的相互作用的时间和条件。
一般来说，撞击体的动能愈大，造成电离的概率也愈大，但超过一定速度的电子，其速度进一步增大时，其撞击电离的概率反而逐渐减小，这是因为当相对速度很大时，相撞击的两个质点相互作用的延续时间很短，可能来不及完成能量转换的缘故。
当不存在电场时，质点的动能只能是该质点的热运动所固有的动能，只有当气体的温度升高到足够高，使部分气体质点热运动的动能超过该气体质点的电离能时，才能发生电离。
当存在电场时，带电质点受电场力的作用，在电场方向得到加速，积聚动能，但如果中途遇到别的质点碰撞，就会失去已积聚的动能。
正、负离子的体积比电子大得多，它们的运动和碰撞并不能造成电离；而电子与别的质点相邻两次碰撞之间的平均自由程比离子大得多，在电场的作用下，积聚足够的动能后再与其他质点碰撞的概率比离子大得多。
所以，在电场中，造成撞击电离的主要因素是电子。
2．光电离辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能量与光的波长有关，波长越短，能量越大。
例宇宙线，γ线，x线，短波长紫外线具有较强的电离能量。
由光电离产生的电子称为光电子。
光电离在气体放电中起着很重要的作用。
3．热电离由气体的热状态造成的电离称为热电离。
热电离实质上是由热状态产生的撞击电离和光电离的综合。
一般气体开始有较明显热电离的启示温度为103K数量级。
在电力系统中，热电离的典型例子是电弧。
4．表面电离①逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。
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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。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级之间的差值。
电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。
㈠碰撞电离定义：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。
在放电形成时期主要取决于电子与气体分子的撞击.条件：⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能能量包括动能与位能无电场时，动能小有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场中造成碰撞电离的主要因素是电子。
⑵一定的相互作用的时间和条件通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换主要影响因素有：电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等㈡光电离定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。
由光电离而产生的自由电子亦称为光电子。
光电离在气体放电中很重要。
必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子㈢热电离定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量大且数目多），能量来自气体分子的热能。
1000K数量级Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变㈣表面电离气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。
游离需要能量，称逸出功，一般小于气体的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。
获得逸出功的途径：⑴热电子发射：金属电极加热，分子动能⑵强场发射：电极加上强电场⑶二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面（正离子撞击阴极）⑷光电子发射：短波光照射金属表面㈤负离子的形成中性分子或原子与电子相结合。
将放出能量称亲和能Ｅ，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性。
电负性大 , 易形成负离子负离子现象对气体放电的发展起抑制作用二．气体中带电粒子的消失１．中和受电场力作用流入电极，中和电量２．扩散（分子热运动）带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。
３．复合带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。
复合时有能量释放：光热声等。
－空间光电离§２－２气体放电机理一:概述外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。
随电压↑，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。
（泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。
）场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增长，称电子崩。
电流大增。
（电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，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，产生更多的电子。
依次类推，电子数以几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。
）3．Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。
４．Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展，为自持放电。
两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。
５．此后的发展随电场情况不同分别表现为：1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿2、不均匀电场：自持放电形成电晕（1）、若间距较小即（Ｓ小）：Ｕ↑→火花放电（2）、若间距较大（Ｓ大）：Ｕ↑→刷形放电，Ｕ↑↑→火花放电（电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧）二、汤森德气体放电理论（均匀电场）一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是δ·Ｓ值。
δ：气体的相对密度，Ｓ：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有不同。
（１）当δ·Ｓ值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用，气隙击穿电压大体是δ·Ｓ值的函数——汤森德机理，δ·Ｓ＜０.２６ｃｍ（２）当δ·Ｓ值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理二．δ·Ｓ值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理）【需画图说明，参见备课笔记】㈠汤森德气体放电机理适用范围：低气压、短间隙（δ·Ｓ＜０.２６cm）；和汤森德气体放电机理其相关的3个参数：α电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、β正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、γ表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数），上述个各个数值均为平均值。
㈡放电过程描述：⑴电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生；参数α（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）β作用小可以忽略。
初始激发电子数为0N ；到达阳极的电子数为as x e N N 0=若00=N ，则产生的电子数和正离子数也为0即只有碰撞游离因素，是不能维持放电发展的。
这种需要依靠外界游离因素支撑的放电称为非自持放电。
若10=N ，则产生的电子数和正离子数均为)1(-as e⑵电子崩产生的正离子撞击到阴极表面时造成金属表面游离（至少一个电子逸出）当电压继续升高到c U 后，电流急剧增加，气隙转入良好的导电状态。
由于电压的增加，游离将更为剧烈同时产生更多的正离子。
从上所述，一个电子在经过一段距离s 后，产生的阳离子个数为)1(-as e 个，这些正离子到达阴极以后，又能产生新的电子（γ作用，1<<γ）则)1(-as e 个正离子撞击阴极产生的电子数为)1(-as e γ，即表面至少逸出一个电子，则即使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。
这种只需要依靠电场就能够维持下去的放电称为自持放电。
放电进入自持阶段，并最终击穿。
由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为：1)1(≥-as e γ此时具有清晰的物理含义。
由于偶然的一个因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子)1(-as e 达到阴极能由γ过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。
即自持放电的条件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿）由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压0U 。
对于均匀电场，则气隙被击穿，此后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放电电压0U 就是气隙的击穿电压b U 。
对于不均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压b U 要比起始放电电压0U 要高好多。
以上所描述的均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤森德气体放电理论。
由1)1(≥-as e γ推倒可得到)(s f U b δ=的关系（三）帕邢定律当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压δ和间隙距离S 乘积的函数。
在汤森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。
图－－均匀电场的帕邢曲线帕邢定律：击穿电压Ｕb ＝ｆ（δ·Ｓ）（与δ·Ｓ的积有函数关系）1889年由实验结果总结出解释：a ） 设Ｓ不变 δ↑→λｅ 短，聚能少，有效碰撞几率小→Ｕｂ↑52110.3 5 20.10.533δ↓→λｅ长，但气体分子少，碰撞少→Ｕｂ↑实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（Ｕｂ↑）b）设δ不变,Ｓ↑→E↓得一定的Ｅ，必须Ｕｂ↑Ｓ↓→Ｅ大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ｕｂ↑有上述的介绍可以看出：当δ·Ｓ出现的乘积为很大和很小时，Ｕｂ都会体现出很大的值，即曲线会呈现出U型的分布，也就是两者之间有Ｕｂｍｉｎ。
㈤汤森德放电机理的局限性当气隙气压升高至大气压，δＳ过大时，汤森德机理存在不足：1、放电形式：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道（具有分支和不连续）2、放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间（电子崩产生使得均压电场中气体整个间隙击穿）3、与电极材料关系：阴极材料在放电过程中作用不大，即使没有γ作用，依然能自持放电。