第2讲 气体放电理论(一)
《气体放电技术》辅导资料
气体放电技术辅导资料一主题：气体放电理论概述学习时间：2011年4月15日－4月17日内容：我们这周主要学习气体放电理论的相关内容。
希望通过下面的内容能使同学们加深对气体放电技术知识的理解。
一、学习要求1．掌握气体放电理论；2．掌握气体放电的概念；二、主要内容（一）气体放电概念干燥气体是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为带电，这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。
基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状（二）气体放电理论气体中流通电流的各种形式的统称。
包括电晕放电、辉光放电、电弧放电、火花放电等。
在电场作用下,带电粒子在气体中运动时,一方面沿电力线方向运动，不断获得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。
经若干次加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u与电场强度E成正比u＝KE，系数K称为电子（离子）迁移率。
对于离子，K是一个常数；对于电子，它并不是一个常数,而与电场强度E有关。
体放电。
荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较高能级。
这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。
要激发一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态,就必须给予(Em-E1)的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe，则有eVe＝Em－E1，电位Ve称为激发电位。
实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。
引起激发的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。
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
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。
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。
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾 湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
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
9
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
10
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
14
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。
气体放电基础分解课件
气体放电在高压电器中应用广泛，主要用于电弧放电和火花放电。
详细描述
在高压电器中，如断路器、变压器等，气体放电主要利用电弧放电的方式进行灭弧。电弧是一种高温、高导电率 的等离子体，能够快速切断电流，防止设备过热和损坏。此外，在高压电器中，气体放电还可用于火花放电，作 为一种绝缘介质，防止电流击穿空气而产生电弧。
03
汤生放电的特性
CATALOGUE
气体放电的数学模型
电流-电压特性
01
02
连续放电阶段
过渡放电阶段
03 火花放电阶段
伏安特性与击穿电压
伏安特性 击穿电压
放电时间与稳定性
放电时间
稳定性
CATALOGUE
气体放电的实验研究
放电装置与测量仪器
放电装置
测量仪器
包括电压表、电流表、功率计、光谱 仪、光度计等，用于测量放电的各项 参数。
在没有外部电场的情况下，由于 气体放电产生的离子和电子在电 场作用下会形成电流，从而维持
放电过程。
火花放电
当外加电场超过气体的绝缘能力 时，会在电极之间产生电弧，形
成火花放电。
电晕放电
在低气压或高电压情况下，气体 分子间距较大，不容易发生碰撞 电离，但会在电极边缘产生高电 场，引发气体局部电离，形成电
气体放电基础分解 课件
目 录
• 气体放电基础概述 • 气体放电的物理过程 • 气体放电的数学模型 • 气体放电的实验研究 • 气体放电的应用案例 • 气体放电的未来展望
contents
CATALOGUE
气体放电基础概述
气体放电的基本概念
气体放电
气体放电的原理
气体放电的触发机制
气体放电的种类
《气体放电的机理》课件
气体放电的应用
发光、视觉效果
利用气体放电产生的亮光，用 于照明、显示及舞台表演等领 域。
工业生产、科学实验
利用气体放电产生的等离子体 进行材料处理、离子束刻蚀等 工业与科学研究。
医学诊断、治疗
利用气体放电产生的高能电子 或离子，用于医学图像检查、 癌症治疗等医疗应用。
气体放电的危害与防护
1 气体中毒
引发气体放电的条件
电压
足够的电压才能克服气体中的绝缘阻力，引发电离。
电流
一定的电流使电离过程维持稳定，产生持续放电。
电场
强电场会引起气体中的带电粒子受力，促成放电的发生。
气体放电的机理
1 电离过程
施加电场后，气体中的原子或分子失去或获得电子，形成带电粒子。
2 离子、电子的行为
带电粒子在电场作用下加速运动，并与其他粒子碰撞，释放能量。
3 电流传输
带电粒子在气体中传播，形成电流流动的道路。
气体放电的种类
1
辉光放电
产生稳定的亮光，常见于荧光灯、氖灯
电弧放电
2
等设备。
高能电流通过空气产生火花、闪电，常
见于电焊、雷击等现象。
3
放电火花
短暂放电现象，可见于点火装置、火花
电晕放电
4
塞等。
类似静电现象，产生微弱光线，常见于 室内空气离子发生器。
《气体放电的机理》PPT 课件
通过本课件，我们将深入探讨气体放电的机理，了解其原理、分类、应用和 危害与防护。让我们一起揭开气体放电的神秘面纱。
什么是气体放电
概念解释
气体放电是指在气体中的电离过程，产生可见光和能量释放。
原理简介
通过施加电场，导致气体中的带电粒子加速运动，从而引发放电。
气体放电理论(一)
1
2
3
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？
4
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
32
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
33
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
10
（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
11
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
12
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
3气体放电的物理过程1
沿着电场方向行经 1cm 长 度 ， 平 均 发 生 的碰撞电离次数
8
•间隙碰撞电离的数学推导
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（忽略空间产生的正负电荷）；
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
外施电压小于UB时，空间产生的电荷完全移动到极板，故
电流的大小决定于空间电荷的产生速度，当光照不变时，
电流为常数。
外施电压小于U0时，气体中发生了电离，此时空间电荷增
多，电流增大。
外施电压等于U0时，电离产生的电荷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。因得电子的增长规律为
nn0exp0xdx
9
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n n0ex
相应的电子电流增长规律为
I I0ex
令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流
I I0ed
2、过程
电离系数：正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能
及位能，引起阴极表面电离，使阴极释放出自由电子。
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
10
• 一次过程产生的正电荷数
由前推导可知，从阴极飞出的n0个电子，到达阳极后，电子
数将增加为（注意此时的电子数包含初始电子n0）
n n0ed
正离子数
nn0(ed1)
正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数
nnn0(ed1 )
如果此时电离出的电子数为n0,放电则由非自持转入自持, 条件为
电形式也称为自持放电 。此时的电压称为放电起始电压。
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。
气体放电机理PPT课件
2.电子崩的形成
外界因素引起
3.自持放电与非自持放电
非自持放电 必须借助外界因素才能使放电发展
的气体放电。
自持放电 当外界因素撤销后，仍能够仅在
电场作用下自我维持的气体放电。
一、汤逊放电理论
1.均匀电场中气体间隙的伏安特性
汤逊理论中的三个系数
系数α：
一个电子经过1cm，由碰撞电离产生的 自由电子数
系数β：
一个正离子经过1cm，由碰撞电离产生 的自由电子数
系数γ：
一个正离子撞击阴极，逸出的自由电 子数
S
no
-
dx
+
n
x
x
dn n dx
dn dx
n
dn n
dx
ln n x ln C
空间电荷对原有电场的 影响
空间光电离的作用
1.空间电荷引起电场畸变
2.空间光电离
3.流注的形成与气体击穿
4.流注理论的气体放电过程
电子崩 流注
主放电
5.流注理论的要点 强调了空间电荷畸变电场的作用； 电离因素除电子的空间碰撞电离外还
考滤空间光电离（光子、短波光射线 引起） 自持放电条件是流注形成
（α过程）及正离子的阴极表面电离（γ
过程)
气隙击穿的必要条件是：自持放电
适用范围：短间隙、低气压 PS≤ 200mmHg • cm
放电外观：放电充满整个空间
一、流注放电理论
气体放电流注理论以实验为 基础，它考虑了高气压、长 气隙情况下不容忽视的若干 因素对气体放电的影响，主 要有以下两方面：
气体放电原理
气体放电原理干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量超过某一临界值时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子。
逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增值，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。
基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。
汤生放电理论一种描述低气压（约104帕以下）条件下气体击穿的理论。
在极间电场足够大时，电子在电场中获得足够能量使气体粒子产生激发和电离，新生的电子和离子在电场作用下又获得能量产生激发和电离，以致电子向阳极运动过程中带电粒子浓度按指数规律增长，这种现象称电子雪崩或电子繁流。
在这过程中所产生的正离子向阴极运动，又会使阴极产生二次电子发射，又增长了电子繁流过程，直至所产生的二次电子发射等于初始电子发射，此时即使撤离外致电离源也能维持放电，由此推得放电自持的条件是：γ(eαd-1)=1，其中γ是正离子轰击阴极的二次电子射系数，α是电子在电场方向运行单位距离所产生的电离数，即电离系数，d是极间距离。
等离子体概念等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
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
气体放电理论
3、汤逊理论适用范围
一般间隙、标准大气压下气隙的放电： 1、按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高； 2、按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长； 3、一般间隙的击穿电压与阴极材料无关； 4、放电形状不同
汤逊理论适用于低气压、短间隙、均匀电场中
1汤逊理论外界游离因素s电子崩汤逊理论的实质就是电子崩理论外界游离因素s汤逊第一放电系数
1、汤逊理论 外界游离因素
+
+
+ +
+
+ +
S
电子崩
汤逊理论的实质就是电子崩理论
外界游离因素
+
+#43;
+ +
+
+
S
e 电子数： s
正离子数：
es 1
汤逊第一放电系数α：一个电子由阴极向阳极运 动，经过1cm的距离，平均发生的碰撞游离次数。
2、汤逊理论非自持放电与自持放电 外界游离因素
有效电子
+
+
+
+
+ +
++ +
+
+
+
S
非自持放电：需要外界游离因素和电压两个 条件来维持的放电。
自持放电：不需要外界游离因素的作用，只 靠电压就能维持的放电。
自持放电条件
1个起始电子
e 电子数：
s
正离子数： es 1
汤逊第三放电系数γ：一个正离子撞击阴极板 时，使阴极板发射出来的有效电子数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
9
质点的平均自由行程
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 的行程 平均自由行程（） 自由行程具有统计性， 定义为质点自由行程的平均值
10
质点的平均自由行程
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自由行
程大得多
气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程
43
过程（电子崩的形成 ）
一个起始电子自电场获得 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，形成了电子崩
44
电子崩
45
雷电放电
4
名词解释
激励
电离
电子平均自由行程
复合
电子崩
5
原子激励
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 ，原子处于激励态 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 ，h 普朗克常数
分级电离 光电离在气体放电中起重要作用 反激励、复合释放具有一定能量的光子 (具有
较大的初始速度)
18
3、热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
Wm
3 KT 2
K ：波尔茨曼常数 K=1.38×10-23J/K T ：绝对温度，K
分子的热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离， 20oC 时，气体分子平均动能约 0.038eV 。热电离 起始温度为103K 在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能 量大，会引起光电离
越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体 的密度成正比，空气中 电子e=10-5 cm
T p
11
质点的平均自由行程
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
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
h Wi
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波
长）：
hc 1234 0 eU i Ui nm
17
2、光电离
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
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成为导致电离的因素
参与复合的质点的相对速度愈大，复合概率愈
小。通常放电过程中离子间的复合更为重要
带电质点浓度越大，复合速度越大，强烈的电
离区也是强烈的复合区
14
1、碰撞电离 （撞击电离）
必要条件
撞击质点所具有的总能量（包括动能 和势能）大于被撞击质点在该种状态下所需的电 离能
需要一定的相互用用的时间和条件 仅考虑动能，在电场作用下，撞击质点被加速而
获得动能。将可能引起碰撞电离的条件
1 2 me ve Wi 2
me：电子的质量 ve ：电子的速度 Wi：气体分子的电离能
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，这时临界电压是间隙的电晕起始电压， 而击穿电压可能比起始据气体压力、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
40
2、汤森德气体放电理论
汤森德（Townsend）放电理论
流注（Streamer）放电理论
这两种理论互相补充，可以说明广阔的 S （ 为 气体的相对密度，以标准大气条件下的大气密度 为基准；S为气隙距离）范围内气体放电的现象
41
2、汤森德气体放电理论
过程（电子崩的形成 ）
过程 过程和 过程同时作用产生的电流
自持放电条件
击穿电压、帕邢定律 汤森德放电理论的适用范围
42
2、汤森德气体放电理论
20 世纪初，汤森德根据大量的试验研究结果，提 出了较均匀电场和 S 较小时气体放电理论
理论认为，电子的碰撞电离和正离子撞击 阴极造成的表面电离起主要作用 提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式
辉光放电 电弧放电 火花放电
电晕放电 刷状放电
35
1、气体放电的主要形式
辉光放电
当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中
串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后， 回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极 间整个空间忽然出现发光现象
特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据
了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉 光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色 也不同
n( x ) n0 e
x
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
第一节 气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生
（一）气体分子本身的电离，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） 气体中的固体或液体金属的表面电离
第2 讲 气体放电的物理过程 (一）
1
2
气体放电
研究在电场作用下，气体间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
3
主要内容
气体中带电质点的产生和消失
气体放电机理
电晕放电
不均匀电场中气体击穿的发展过程
带电质点的扩散是由于热运动造成，带电质点
的扩散规律和气体的扩散规律相似
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
28
3、带电质点的复合
We h
6
原子激励
原子处于激励态的平均寿命只有10-7~10-8秒 激励电位：Ue = We / e
几种气体和金属蒸汽的第一激励电位
N：6.3 V，N2 ：6.1 V
O：9.1V,，O2：没有
Cs：1.38V（最小）
原子具有亚稳激励态，其寿命长10-4~10-2秒
7
原子电离
24
5、金属（阴极）的表面电离
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，逸出金属表面 对于某些电弧放电的过程有重要的意义
25
第一节 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流入电极
（二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
26
31
非自持放电
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，那么电流也将消失 U0 以前的放电形式称为非自持放电
32
自持放电
当电压达到 U0 后，气体中 发生了强烈的电离，电
产生电子崩，电流剧增
气体中电离过程只靠电场
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
38
1、气体放电的主要形式
电晕放电
电极曲率半径很小或电极间距离很远（电场极
不均匀），当电压升高到一定值后，首先在紧 贴电极电场最强处出现发光层，回路中出现用 一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发 光层扩大，放电电流也逐渐增大
正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自
由电子 正离子与电子复合时发出的势能起作用
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
23
5、金属（阴极）的表面电离
光电效应
金属表面受到短波光的照射。同样的光辐射引 起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多
强场放射（冷放射）
当阴极附近所加外电场足够强时，可使阴极发射 出电子。场强在 106V/cm左右，一般气体击穿场 强远低于此值 此情况会出现在高气压间隙和高真空间隙放电中
1、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 envd
vd：平均速度
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
vd bE
b ：迁移率
电子迁移率比离子迁移率大两个数量级
27
2、带电质点的扩散
29
第二节 气体放电机理
气体放电的主要形式
非自持放电和自持放电
汤森德气体放电理论
流注放电理论