气体放电理论(一)
电介质的电气特性及放电理论-高电压技术考点复习讲义和题库
考点1：电介质的电气特性及放电理论（一）气体电介质的击穿过程气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。
20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。
1、汤逊放电理论的适用范围：汤逊理论的核心是：(1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离；(2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。
汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。
因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。
在高气压、长气隙中的放电现象无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面：(1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。
低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。
但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。
(2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。
完成击穿需要一定的时间。
但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。
(3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。
(4) 阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。
实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。
由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。
2、流注理论利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。
(1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。
气体放电原理
气体放电原理气体放电是指在一定条件下，气体中的自由电子受到电场的作用而加速，与气体原子或分子发生碰撞，使其电离并产生电流的现象。
气体放电是一种重要的物理现象，广泛应用于放电灯、气体放电激光器、等离子体物理研究等领域。
气体放电的原理主要包括电离、电子与离子的碰撞、电子能量的损失和复合等过程。
在电场的作用下，气体分子中的自由电子受到电场力的作用而加速，当电子的动能足够大时，就能够克服原子或分子的束缚能而发生电离。
电离过程是气体放电的起始阶段，也是电流的产生阶段。
在电离过程中，产生了大量的自由电子和离子，它们在电场的作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，使得气体分子进一步电离，形成电子级联增殖的现象。
在气体放电过程中，电子与离子的碰撞是不可避免的。
当电子与离子碰撞时，它们会相互传递动量和能量，使得电子的能量逐渐损失，而离子的能量逐渐增加。
这种能量的转移和损失导致了电子的能量分布发生变化，形成了电子能谱。
电子能谱的形状和分布对气体放电过程的性质和特性有着重要的影响。
除了电离和碰撞外，电子的能量损失和复合也是气体放电过程中重要的物理过程。
当电子与气体分子碰撞时，它们会失去能量，并使得气体分子电离或激发。
另一方面，电子还会与正离子复合，释放能量并再次形成原子或分子。
这种能量的损失和复合过程是维持气体放电的能量平衡的重要机制。
综上所述，气体放电是一种复杂的物理现象，其原理涉及到电离、碰撞、能量损失和复合等多个过程。
深入理解气体放电的原理，有助于我们更好地应用气体放电技术，推动相关领域的发展。
同时，气体放电的研究也为我们提供了一个认识自然界和探索未知领域的重要途径。
希望本文能够为读者提供一些有益的信息，促进气体放电领域的进一步研究和应用。
气体放电理论
气体放电理论1)简要论述汤逊放电理论。
当外施电压足够高时，一个电子从阴极出发向阳极运动，由于碰撞游离形成电子崩，则到达阳极并进入阳极的电子数为eas个(α为一个电子在电场作用下移动单位行程所发生的碰撞游离数；s为间隙距离)。
因碰撞游离而产生的新的电子数或正离子数为(eas-1)个。
这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴极．若1个正离子撞击阴极能从阴极表面释放r个(r 为正离子的表面游离系数)有效电子，则(eas-1)个正离子撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子，以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达到自持放电。
即汤逊理论的自持放电条件可表达为r(eas-1)=1。
2)为什么棒－板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高？（1）当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩。
随着电压的逐渐上升，到放电达到自持、爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。
当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。
于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，从而减少了紧贴棒极附近的电场，而略为加强了外部空间的电场。
这样，棒极附近的电场被削弱，难以造成流柱，这就使得自持放电也即电晕放电难以形成。
（2）当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，造成电子崩。
当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。
一部份电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。
电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。
结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷。
负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变。
棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于得到满足、易于转入流柱而形成电晕放电。
气体放电物理
气体放电物理试验原理（一）、气体放电特性及原理气体放电是指电流通过气体煤质时的放电现象。
电闪雷鸣为大气中的放电过程；电焊机也属气体放电。
气体放电种类很多，用得最多的是辉光放电和弧光放电两大类。
各种气体放电灯的基本结构大同小异。
见图一所示：等离子体说明书第7页图一直流放电管电路示意图在支流高压下工作的放电灯，分阴、阳极。
在交流高压下工作的放电灯无阴、阳极之分两极交替的作为阴、阳极之用。
灯内充有气体，它可以是惰性气体、金属或金属化合物的蒸气。
当电极两端加以高压时，灯内的自由电子被外电场加速，则运动的电子将与原子发生碰撞，碰撞后的电子将动能交给原子，原子获得能量后，便受激激发到高能态。
处于高能态（激发态）的原子是不稳定的，在大约810S -数量级的时间，就要自发的返回到基态。
此过程原子会以辐射的形式发射光辐射。
光辐射的频率和能量的关系为：hc E e V h νλ∆=∆== (1)式中V ∆为激发态和激态两能级间的距离，也称发生跃迁的两能级间的电位差，单位是伏特。
λ的单位是nm 。
徐强调的是原字的激发和跃迁在激发态之间也可进行。
（二）、气体放电的全伏安特性由图一可知，改变管压得大小，可得到系列放电电流值。
由管压和放电电流的关系画成的曲线，成为全伏安特性曲线。
见图二所示：图二气体放电伏安特性曲线OA段：在外加电场的作用下，灯观中所存在的带电粒子向电极运动，形成电流。
随电场的增加，带电粒子的运动速度增加，复合减少，是电流增大。
AB段：当电场继续增大时，所有电离产生的带电粒子全部到达电极，电流达饱和状态，形成BC段。
BC段:如果外加电压继续增高,则外电场将使初始的带电离子速度达到很大值.他们在和中性原子碰撞时,使之电离后产生的电子又被电场加速,又和另外的中性原子碰撞电离,形成更多的电子.这一过程会使电子数呈现雪崩式的增加.在BC段将发生汤生放电.CDEF段为为辉光放电区:当电压加大到C点以后管压降突然下降,通过放电管的电流却增加很快.同时在放电管中产生可见光.相应C点成为放电管的着火点,相对应的外加电压称为放电管的着火电压. 在C点以后所发生的各种放电称为自持放电.而在C点以前发生的各种非自持转为自持所需的电压就成为着火电压.自C点以后,无论如何增大外加电压,还是减少回路电阻R使电流增加,管压降基本不变,此段(EF)称为正常辉光放电.发生正常辉光放电时, 管压降维持不变,是因为在此范围内,阴极并没有全部用于发射电子,由于阴极发射的面积正比于发射电流,故此时阴极上的电流密度是一常数.FG段:当整个阴极表面都用于发射电子以后.(既F点以后),如还继续加大电流的话, 阴极电流密度就必须增加会造成管压升高.此时就进入异常辉光放电阶段(FG).当管压升高到一定数值后如(G)点,继续加大放电电流, 由于此时阴极温度升高而转入热电子发射,管压大幅降低,电流迅速增加.在一般情况下,放电管呈现负组效应.此时放电将转入较强的弧光放电区域,既GH 段.从图(1)可知,反常辉光放电的峰值电压就是弧光放电的启动电压,它是反常辉光放电和弧光放电的的转折点. (三)、帕型定律通常将放电管与电阻、电感串联,直接接于220伏的交流电网或其他电源上,放电管是不能发光的.我们必须施加更高的电压(或采用其他的启动方法)才能使放电管(或各种气体放电灯)发光.着火电压的大小与气体的压强、阴极的逸出功、电极间距、气体的种类与成分有关。
第1章 气体放电
第一章 气体放电
2、负棒一正板
第一章 气体放电
a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离， 使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电 场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击 穿电压。
第一章 气体放电
结论： 在间隙距离d相同时 虽然UC(+)＞UC(-) 但 Ub(+)＜Ub(-) 式中 UC——电晕起始电压 Ub——击穿电压 此称为极性效应。
第一章 气体放电
2、当P一定时 ↑→ 要维持足够的电场强度 →必须升高 d d↑→ ↑→要维持足够的电场强度 要维持足够的电场强度→ 电压 反之 ↓→ 当与平均 λ可比拟时 →电子走完全 d d↓→ ↓→当与平均 当与平均λ 可比拟时→ 程中的碰撞次数 ↓→ Ub↑ 程中的碰撞次数↓→ ↓→U
第一章 气体放电
第一节 气体中带电质点的产生与消失 一、气体中带电质点的产生(游离)
１、碰撞游离 自由行程:质点两次碰撞之间的距离。 平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。 平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温 度成正比。
第一章 气体放电
２、光游离 各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫 外线、γ线、X线等才有使气体产生光游离的能力。 由光游离产生的自由电子称为光电子。 ３、热游离 在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。 4 、表面游离 包括热电子发射、正离子撞击阴极、短波光 照射效应及强电场发射等，都可以使阴极发射电 子。
第一章 气体放电
二、绝缘的一般分类
1、按存在形式 � 气体介质 � 液体介质 � 固体介质 2、按是否可自行恢复绝缘 � 可恢复绝缘 � 不可恢复绝缘
第一章 气体放电
气体放电理论1修正
非自持放电
外施电压小于 U0 时，间隙内 虽有电流，但其数值甚小， 通常远小于微安级，因此气 体本身的绝缘性能尚未被破 坏，即间隙还未被击穿。而 且这时电流要依靠外电离因 素来维持，如果取消外电离 因素，那么电流也将消失。
自持放电
当电压达到 U0后，气体中 发生了强烈的电离，电流 剧增。同时气体中电离过 程只靠电场的作用已可自 行维持，而不再继续需要 外电离因素了。因此 U0以 后的放电形式也称为自持 放电。
电极表面带电质点的产生
电极表面电离： 电极表面电离：气体放电中存在阴极发射电子的过程。 逸出功：使阴极释放电子所需的能量。与金属的微观结 逸出功 构和表面状态有关，与温度基本无关。 电极表面电离条件：光子能量大于金属表面逸出功。 电极表面电离条件
正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极，将能量传递给阴极电子。 当正离子能量大于阴极材料表面逸出功2倍以 上时，才可能撞出自由电子。 实际上，平均每100个正离子才能撞出一个有 效自由电子 金属表面逸出功一般小于气体分子电离能，因 此，电极的表面电离对气体放电很重要。
气体放电理论（一） 气体放电理论（
美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的主要形式 非自持放电与自持放电 汤逊放电理论
纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在的 气体中出现带点质点以后，才可能导电，并在 电场的作用下，发展为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 气体中带电质点的来源 身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发 生表面电离。 通常大气中约有500-1000对离子/cm3, 带电质 点极少，因而，通常情况下空气是良绝缘体。
热电子发射
高温下金属中电子因获得巨大的动能会 从电极表面逸出，称为热电子发射 热电子发射。 热电子发射 热电子发射仅对电弧放电有意义，并在 电子、离子器件中得到应用。 常温下气隙的放电过程中不存在热电子 发射现象。
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。
第2讲 气体放电理论(一)
气体中带电质点的 气体中带电质点的产生
气体分子本身的电离，可由下列因素引起： 气体分子本身的电离，可由下列因素引起： 分子本身的电离
（1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 电子或正离子与气体分子的碰撞电离 与气体分子的碰撞 （2）各种光辐射（光电离） 各种光辐射 光电离） 光辐射（ （3）高温下气体中的热能（热电离） 高温下气体中的热能 热电离） 下气体中的热能（ （4）负离子的形成 负离子的形成
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几种气体的 几种气体的第一电离电位 N：14.5 V，N2 ：15.5 V 14. 15. O：13.6 V, 13. O2 ：12.2 V 12. Cs （铯） ：3.88V 88V
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1、碰撞电离 （撞击电离） 撞击电离）
撞击质点所具有的总能量（ 所具有的总能量 必要条件 撞击质点 所具有的 总能量 （ 包 动能和势能）大于被撞击质点在该种状态 括动能和势能）大于被撞击质点在该种状态 所需的 下所需的电离能 需要一定的相互作用的时间和条件 需要一定的相互作用的时间和 相互作用 仅考虑动能， 电场作用下 仅考虑动能 ， 在 电场作用 下 ， 撞击质点被加 速而获得动能。可能引起碰撞电离 碰撞电离的条件 速而获得动能。可能引起碰撞电离的条件
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光子， 原称光量子 光子 ， 原称 光量子 （ light quantum） 。 光子 是光线中 光量子（ quantum ） 光子是光线中 携带带能量的粒子 传递电磁相互作用 携带带能量的粒子，传递电磁相互作用的规范粒子 。 的粒子， 电磁相互作用的 能量、 按照质能方程， 光子具有 能量 、 动量和质量 ， 按照质能方程 ， 求出 M=hν /C2,光子由于无法静止，所以它没有静止质量。 M= 光子由于无法静止，所以它没有静止质量 没有静止质量。 能量为W= 。 能量为W=hν。 一个光子被分子吸收时 当一个光子被分子吸收时,就有一个电子获得足够的能 量从而从内轨 道跃迁到外轨 量从而从 内轨 道跃迁到 外轨 道 , 该分子就从 基态 变成 内轨道跃迁到 外轨道 该分子就从基态 基态变成 激发态或电离。 了激发态或电离。
高电压技术 绪论 气体放电理论(一)
的短路电流约增加1.8kA，如果这些机组均装设在负荷
中心地区，对当地电网的短路电流水平有较大的影响。 通过特高压电网，实现分层分区布局，可以优化包 括超高压在内的系统结构，从根本上解决短路电流超标 问题。
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7）加强联网能力
• 通过交流特高压同步联网，可以大幅度缩短电 网间的电气距离，提高稳定水平，发挥大同步 电网的各项综合效益。 • 通过直流特高压异步联网，满足长距离、大容 量送电的要求，沿线不需要提供电源支撑。
线路走廊约76米，单位走廊宽度输送容量为8.4万千
瓦/米，是±500kV、300万千瓦方案的1.29倍， ±620kV、380万千瓦方案的1.37倍。
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6）改善电网结构，降低短路电流
通过特高压实现长距离送电，可以减少在负荷中心
地区装设机组的需求，从而降低短路电流幅值。长距离
输入1000万千瓦电力，相当于减少本地装机17台60万千
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2.中国电网发展历史
中国，1949年前，电力工业发展缓慢，输电电压按 具体工程决定，电压等级繁多： 1949年新中国成立
后，按电网发展统一电压等级，逐渐形成经济合 理的电压等级系列： 1989年建成±500kV葛洲坝上海高压直流输电线，实现了华中-华东两大区的 直流联网。 1984年，国家明确提出500kV以上的输电电压为 1000kV特高压、330kV以上的输电电压为750kV。 1）2005年9月，中国在西北地区（青海官厅—兰 州东）建成了一条750kV输电线路，长度为140.7 km。输、变电设备，除GIS外，全部为国产。 2）2010年1000kV晋东南～南阳～荆门输电线路 工程
量综合造价也约为±500kV直流输电
知识资料气体放电的基本物理过程(一)及气体间隙的放电(一)(新版)
第5篇 高电压与绝缘技术第35章 气体放电的基本物理过程35.1 气体中带电质点的产生与出现35.1.1 气体的电离原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离，它是气体放电的首要前提。
其所需要的能量成为电离能。
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需的能量称为鼓励能，原子处于鼓励态e W 电离电位为i U ，C e 19106.1-⨯=；鼓励态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子的频率v h 普朗克常数ii eU hvW == 电离过程的表示：e A E A +→++为波尔茨曼常数k K J k W kT i /1038.12323-⨯=≥（热电离） 是普朗克常数光辐射波频率h v W hv i ,≥ （光辐射电离）度是碰撞质点的质量、速、v m W mv i ≥221（碰撞电离） 走过的距离为电子或离子在碰撞前x W eEx i ≥常温下的放电过程，碰撞电离是最重要的电离方式35.1.2 气体的分级电离气体的原子或分子在鼓励态（鼓励能为e W ）再获得能量而发生电离称为分级电离，这种情况下电离所需的能量仅为e i W W - 亚稳原子有很长的平均寿命（10-3 秒或更长）。
在混合气体中,当一种气体的亚稳原子同另一种气体的原子或分子碰撞时，即使它们的动能较低，只要前者的激发能大于后者的电离能，后者将被电离，前者则返回基态。
多余的能量就改变为电子的动能，或使离子激发。
这种过程,称彭宁电离,或称彭宁效应。
因为惰性气体的亚稳原子有较大的激发能，在含有惰性气体的混合气体放电中，彭宁电离比较有效。
彭宁效应还可以使放电管的点火电压降低。
从绝缘角度看，彭宁效应不利35.1.3 电极表面的电子逸出逸出功：金属的微观结构、金属表面状态（小于电离能）：①热电子发射②二次发射③强场发射④光电子发射35.1.4 带电质点的蔓延和复合带电粒子的蔓延带电粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域。
气体放电理论(一)
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气体放电
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程 气隙中带电粒子是如何形成的？ 气隙中的导电通道是如何形成的？ 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
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2.1 气体中带电质点的产生和消失
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）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成 （二） 金属（阴极）的表面电离
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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
电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 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 度成正比
T p
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2、过程
电离系数
正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有 显著的作用 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能， 在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自 由电子来
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（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时 ，金属表面放射出电子 （3）强场发射（冷发射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子 （4）热电子发射 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
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气体中带电质点的消失 （一）电场力作用下进入电极 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
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电场作用下气体中带电质点的运动
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j endv
在气体放电空间 ，带电质点在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质点的
第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
-
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1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
反映了带电质点自由运动的能力
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1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
-
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1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
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1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
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1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
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1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
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1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
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1.5.1 电晕放电
第二章气体放电的物理过程（1）
第⼆章⽓体放电的物理过程（1）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：不均匀电场条件下的⽓体⾃持放电现象。
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）放电辉光放电：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。
气体放电学原理
气体放电学原理1.碰撞,激发与电离1). 碰撞碰撞分为弹性碰撞与非弹性碰撞, 弹性碰撞只改变电子及分子的运动方向, 非弹性碰撞则引起原子的激发与电离.2). 潘宁效应: Penning Effect若A, B分别为不同种类的原子, 而且, 原子A的激发电位大于原子B的电离电位, 当受激原子A与基态原子B碰撞后,使基态原子B电离,受激原子A的能级降低或变为基态原子A,这种过程称为潘宁碰撞或潘宁效应. 例如: Ne的亚稳态激发电位是16.53V, 大于Ar的电离电位15.69V.3). 电离前的管内电流电压变化原理 (瞬间变化)当电压逐渐增加时,电流逐渐增加; 电压增加到一定程度时, 开始有原子被激发, 电子能量被转移, 此时电流反而减小; 当电压继续增加时, 电子能量继续增加, 电流再次增大.4). 激发与电离规则有效碰撞面积越大, 激发与电离的几率越大电子的运动速度越大, 激发与电离的几率越大; 但电子速度到一定程度时, 来不及与原子发生能量转移, 激发与电离的几率反而减小. 当电子速度非常大时, 激发与电离的几率再次增加.5). 特殊形式的激发与电离∙光致激发与光致电离∙热激发与热电离: 在辉光放电中, 原子热运动很小, 热电离和热激发作用极其微弱,可以忽略; 但在高压气体和超高压气体中的弧光放电, 热电离和热激发过程就必须考虑. 温度越高, 激发和电离越多.∙放射性射线引起的激发和电离α射线引起的电离: 相当于高速正离子和气体的第一类非弹性碰撞,电离能力很大.β射线引起的电离: 相当于高速电子和气体的第一类非弹性碰撞,电离能力较弱.γ射线引起的电离: 相当于能量很大的光引起的光致电离, 穿透力极强,对气体电离作用十分显著.6) 带电粒子的消失带电粒子的消失有两种: a. 带电粒子的复合 b. 带电粒子在外电场作用下跑上电极而消失.带电粒子的复合有空间复合与管壁复合.空间复合: 正负粒子在放电空间相互作用而形成中性粒子,包括电子复合及离子复合.管壁复合: 放电熄灭后,管内电极电位与管壁相同,电子与正离子会从放电空间跑上管壁及电极表面, 并且复合, 这一过程称为管壁复合.7) 汤生电子繁流(电子雪崩)理论电子从阴极跑向阳极的路程中,不断与气体原子发生碰撞电离,新产生的电子也向阳极运动产生更多的电子,电子越来越多, 电子流迅速增长的过程叫做电子繁流或电子雪崩.α: 汤生第一电离系数, 代表电子对气体的空间电离.β: 正离子的空间电离系数, 代表离子对空间气体的电离.γ: 正离子的表面电离系数, 汤生第二电离系数. 代表正离子轰击阴极表面,使阴极逸出二次电子.8) 巴邢(Paschen)定律在其它条件不变时, 击穿电压(着火电压)Ub不是单独地与压强P或极间距d有关,而是与Pd的乘积有关. 随着Pd由小到大, Ub先下降而后上升, 存在一个最小值Umin.A, B是取决于气体种类的常数, C可以看作常数.除了Pd以外, 影响击穿电压(着火电压)的其它因数有:a.气体的种类和成分当基本气体加入少量的杂质气体,即使含量很少,也将明显的改变击穿电压(着火电压).当杂质气体电离电位小于基本气体的亚稳态激发电位,由于潘宁效应,将使击穿电压降低.例如氢氮混合气体, 当基本气体氮掺入不同含量的杂质气体氢时, 可使混合气体的击穿电压有不同程度的降低.气体比例不同击穿电压也不同.在惰性气体中混入双原子分子杂质气体, 往往会使击穿电压升高. 因为双原子分子吸收碰撞能量转换为能级能量或分解,而没有发生电离.b.电极材料和表面状况电极材料主要通过γ系数影响击穿电压.若阴极逸出功低, 则γ较大, 相应的击穿电压也较低. 阴极表面状况对击穿电压也有影响.气体放电管的老化过程就是为了清洁电极表面和纯化工作气体,使击穿电压由极不稳定变为比较稳定.c.电极分布的影响电极的形状应该有利于强电场的形成,以便快速形成击穿电流运动轨迹,制造雪崩放电.d.外界电离源9) 罗果夫斯基理论在电子繁流(电子雪崩)过程中, 电子向阳极运动, 越靠近阳极新产生的电子和正离子越多. 电子速度快,很快跑上阳极消失,而正离子移向阴极的速度很慢, 这样在阳极前面就形成正空间电荷,改变电极间的电位分布,相当于阳极往阴极方向移动.从而电场增强,电离系数α, β和γ也增加了.10) 气体放电种类稳态放电: 辉光放电, 弧光放电, 电晕放电非稳态放电: 低频交流放电, 火花放电, 高频放电和脉冲放电2.气体放电过程1). 气体放电的过程OAB: 无声非自持放电, 没有电子碰撞电离发生BC: 非自持暗放电, 部分电子获得足够的能量引起电子碰撞电离, 放电电流明显增大, 发光很微弱.CD: 由非自持放电过渡到自持放电, C点称为击穿电压(着火电压).EF: 辉光放电, 是一种稳定的小电流自持放电(10-4 ~ 10-1A).FG: 反常辉光放电, 管压很高, 阴极发生强烈的溅射.HI~ In: 弧光放电, 放电电流猛增, 是一种稳定的大电流自持放电, 电流在10-1A以上, 发出比辉光放电强烈得多的光辉.2). 气体放电的维持条件管内条件: 气体成分, 气体压力(密度), 电极形状和位置, 电极材料与表面状况,电流密度等.管外条件: 电源极限功率, 限流电阻R, 外致电离源等.如图中所示, R1>R2, 根据负载线可以看出, R1只有一个交点产生不稳定的暗放电, R2则能有机会产生稳定的弧光放电.3.辉光放电1)正常辉光放电辉光放电是一种高电压低电流的自持放电,阳极发射电子主要靠正离子轰击阴极表面的 过程.放电时管内出现明暗相间的辉光.辉光放电时的管压降比击穿电压(着火电压)低得多.正柱区: 电子和离子浓度很大,而且相等, 称为等离子区.由于带电粒子浓度很大,导电能力很强,因此就像导体一样在气体放电中起着传导电流的作用.负辉区最亮.对于维持放电来说,最重要的是阴极区.从阴极发射出来的电子,仅在阴极区引起电子繁流(电子雪崩), 电子增长在阴极暗区最强.2)反常辉光放电当阴极发射电子面积占满了整个阴极后,若再要增加电流,就必须增加电流密度, 而要增加电流密度又必须增加阴极位降.我们把阴极位降随电流密度而增加得辉光放电叫反常辉光放电.在反常辉光放电中,电流密度越大, 阴极位降越高,阴极位降区的功率损耗越大,在阴极表面产生严重的溅射现象.阴极溅射的一些规律:∙轰击的正离子质量越大,溅射越厉害∙被溅射的颗粒沿直线向各处飞散∙电流密度越大,溅射越厉害∙阴极位降越大,溅射越厉害∙气压越高,阴极溅射越小∙阴极材料不同,溅射不一样4.弧光放电1)弧光放电弧光放电包括热阴极放电和冷阴极放电.∙热阴极: 单独被加热的阴极或被反常辉光放电加热到高温的由难熔材料做成的自持热阴极,阴极上产生强烈的热电子发射,由辉光放电到弧光放电可能是逐渐的过渡曲线.∙冷阴极: 对于铜,铁等自持冷阴极,易蒸发,导热性能好,阴极温度不可能很高,其电子发射一般是场致发射.弧光放电空间可以分为: 阴极区, 阳极区和作为电流导通的等离子区.2)弧光放电的阴极现象在反常辉光放电中,高速正离子轰击阴极,阴极温度陡然升高产生强烈电子发射.这时的阴极发射逐渐地集中到阴极的小部分区域,该处逸出功最小,温度最高, 叫做阴极斑点. 对于阴极来说,阴极斑点一般是不变的.3)弧光放电的正柱区现象正柱区是等离子区域,在该区域内电子数和正离子数是相等的.对于HID来说,由于电子与高密度气体的频繁碰撞,使气体温度升得很高,并且分布不均匀.管轴气体5000~10000K, 管壁气体一般小于1000K, 径向温度梯度达到几千度/毫米. 管轴带电粒子向管壁扩散,由于管壁冷区气体密度大,迁移率小,向管壁扩散的带电粒子对电流的贡献可以忽略.从而有大量的带电粒子在管壁附近复合,因此, 在正光柱周围高密度气体代替管壁起到限制正柱区的作用.正光柱有一个最佳半径: 如果正光柱很粗,电流密度小,气体温度低,电离度小,导电率小,要维持电流就需要加大电场;如果正光柱很细,气体温度高,电离度大,导电率大,但截面积小而不能维持足够的电流,也必须加大电场.4)弧光放电的阳极现象(略)5.技术名词1)光通量: 流明lm单位时间dt内通过单位面积ds的光能量Φ.Φ = Q / dsdt.2)光强度光源在给定方向的单位立体角Ω中发射的光通量.I = Φ / Ω.3)光出度光源单位面积上向半个空间内发出的光通量.M = Φ / S.4)光照度投射在被照物体单位面积上的光通量.E = Φ / S.5)光亮度光源在某一给定方向上的单位投影面上、在单位立体角中发射的光通量.L( ϕ, θ ) = Φ (ϕ, θ ) / S ⋅ cosθ⋅Ω.6)光效: 流明/瓦lm/w.光源所发出的光通量Φ和该光源所消耗的电功率P之比.η= Φ / P.7)显色指数: 百分比%.光源照射在物体上时,使被照物体的颜色再显现出来的能力8)色温: 度K黑体发光是连续光谱, 光谱分布仅仅由温度决定, 就是说知道黑体的温度就等于知道了它的辐射光谱分布. 这种与光谱分布或颜色相关的黑体温度称为色温.9)相关色温: 度 K气体放电光源的光谱能量分布不是连续光谱, 因此不能称色温.光源所发出的光谱与黑体在某一温度下发射的光谱最接近, 我们称黑体的这一温度为该光源的相关色温. 详细解释见下表.10)金卤灯的最小电压随着灯的点燃启动，灯电压从电源电压（220V）很快下跌到12-20V左右，这是冷态灯的启动特性。
气体放电的机理
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
如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子
能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去 外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产
(e d 0
dx
1)
1
自持放电条件图解分析
外界电离因子
阴极表面电离 气体空间电离
气体中的 自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩 （α）过程
阴极表面 二次发射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
（五）击穿电压、巴申（帕邢）定律
Ape (Bp / E)
d ln 1
E
U d
Bpd
汤逊放电理论不能解释的放电现象
3、击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件
求得的击穿压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和
实验值将有很大出入。 4、阴极材料的影响
根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定 作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无 关。
生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维
持下去，这就变成了自持放电。
在整个路程撞击出的正离子数为：
令γ 表示一个正离子撞击到阴极表 面时产生出来的二次电子数，则从金属 表面电离出的电子数为：
n0 (ead 1) n0 (ead 1)
气体放电——精选推荐
气体放电1、 弹性碰撞和非弹性碰撞要使原子从能量较小的定态跃迁到能量较大的定态，必须要有外界对原子发生作用，这种作用实质上就是电子、光子、离子或其它原子等粒子对原子的碰撞。
它是气体放电中主要的物理过程。
所有这些碰撞可以分为两大类，一类是弹性碰撞，一类是非弹性碰撞。
但它们在过程中都遵从动量守恒和能量守恒的基本原理。
所谓弹性碰撞，是指在碰撞过程中两粒子的动能并未和粒子内部能量发生相互交换。
因此不仅总能量，总动能也是守恒的。
而非弹性碰撞，是指在碰撞过程中两粒子的动能和其内部的能量发生了相互转变，因此两粒子的总的能量虽然守恒但总的动能就不再守恒了。
如果碰撞中原子的内部变化是低能级向高能级的跃迁，原子内部能量增加，而粒子的总动能因转化为原子内部能量而减少，这一类非弹性碰撞称为第一类非弹性碰撞。
如果碰撞中原子内部变化是高能级向低能级的跃迁，则两粒子的总动能因得到了原子内部能量而增加，这一类非弹性碰撞称为第二类非弹性碰撞。
在弹性碰撞中电子几乎不传递能量给中性分子，而离子能把一半的能量传递给中性分子。
当电场存在时，虽然电子和离子都能从电场获得能量，由于上述原因，离子在气体中，它的平均能量和气体分子相同，而电子的平均能量则要比气体分子的平均能量大。
在电场取消后，离子很快地与气体分子达到能量平衡，而电子则必须经过较长的时间才能达到平衡。
在气体放电中，在电场作用下，经常有动能比气体分子大得多的电子和离子出现，在弹性碰撞中，离子传递的能量要比电子传递的多得多。
然而在非弹性碰撞中，电子最多几乎能把全部的能量转化为原子内部的能量，一般地也能传递自己的大部分动能。
但离子与弹性碰撞的情况一样，只是将自己一半的动能转化为原子内部的能量。
2、 激发和放电 激发和电离是气体放电中最常见的两种非弹性碰撞。
激发，是指原子在其它离子碰撞时，由较低的能级向较高的能级发生跃迁的过程。
也就是说，原子从能量较小的定态到能量较大的定态的跃迁称为激发。
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
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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
e xi /
41
在lcm长度内，一个电子的平均碰撞次数为l／ 其中
1
e xi /
是电子自由行程超过xi 而发生的碰撞 ，即电离碰撞次数
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形 成电流
j envd
在气体放电空间 ，带电质点在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电质点的 驱引速度 v bE
d
b ——迁移率 电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中 ，电子迁移率也随场强而变
18
32
1、电子崩的形成 （ 过程 ）
一个起始电子自电场 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 电子数目迅速增加，如 同冰山上发生雪崩一样
33
电离系数
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 如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离 子， 即是一个电子在单位长度行程内新电离 出的电子数或正离子数
x
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
n( x) n0 e
x
9
一、气体中带电质点的产生和消失
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）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （4）负离子的形成
29
由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压 如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据 气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花 放电或电弧放电，而起始电压 U0 也就是间隙的 击穿电压Ub
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的区域发生电 晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压 ，而击穿电压可能比起始电压高很多
11
光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，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
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
hc 1234 0 eUi Ui nm
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下， 一般是不能直接发生光电离的
（3）强场发射（冷发射）
当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子
（4）热电子发射 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
16
一、气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的消失
（一）电场作用下气体中带电质点的运动
（二）带电质点的扩散
（三）带电质点的复合
17
电场作用下气体中带电质点的运动
电离能Wi (eV) 气体 15.6 12.5 15.4 CO2 H2O SF6
激励能We (eV) 10.0 7.6 6.8
电离能Wi (eV) 13.7 12.8 15.6
6
质点的平均自由行程
：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通 过的平均行程
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
19
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 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
表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金
属平均释放出的自由电子数
37
从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将增加为
n n0e
正离子数
d
n n0 (e
d
1)
正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数
n n0 (e 1)
d
38
3、自持放电条件
设 n0＝1 放电有非自持转入自持的条件为
22电弧放电减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大 到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮， 管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越 大
电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大 ，电路具有短路的特征
23
火花放电
在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形 成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的 整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电 流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放 电过程不稳定
We h
5
原子电离： 原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核 的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离 电离过程所需要的能量称为电离能 Wi（ev），也可用电离 电位Ui（v） 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位
气体 N2 O2 H2
激励能We (eV) 6.1 7.9 11.2
带电质点的扩散
带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的
气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越 高或者温度越低，扩散过程也就越弱 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
n n0 ex
相应的电子电流增长规律为
I I 0 ex
令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流
I I 0e
d
36
2、过程
电离系数
正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有 显著的作用 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能， 在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自 由电子来
7
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 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 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 度成正比
T p
8
自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的 自由行程大于x的概率为
f ( x) e
e 1 1
d
在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有
清楚的物理意义
39
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部 分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去
40
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
3
名词解释
电子平均自由行程
激励
电离
复合
4
原子激励和电离
原子能级
以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
原子激励
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态， 所需能量称为激励能We
激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光
子（光辐射）的频率
1
e
x i
1
Bp E
e
U i E
气体温度不变时，1／ ＝Ap，并令AUi＝B，可得
Ape
42
将 的计算式代入自持放电条件
Apde
Bpd Ub
ln( 1)
1
击穿电压Ub
Ub
Bpd Apd ln ln 1 /
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压 Ub 是气体压 强和电极间距离的乘积pd的函数 U b f1 pd
30
三、均匀电场中气体击穿的发展过程
汤逊放电理论
流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压
强和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象
31
（一）汤逊气体放电理论
汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电 离和正离子撞击阴极造成的表面电离起着主 要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数
34
设：在外电离因素光辐射的作用下 ，单位时间内阴极单位面积产生 n0 个电子 在距离阴极为 x 的横截面上，单 位时间内单位面积有n个电子飞过 这n个电子行过dx之后，又会产生 dn个新的电子
dn ndx
将此式积分，可得电子的增长规律为
n n0 exp 0 dx
35
x
对于均匀电场， 不随空间位置而变
金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电 子以逸出金属所需的能量
（1）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两 个及以上电子时才能出现自由电子
15
（2）光电效应
金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时 ，金属表面放射出电子