(完整)1章气体放电过程分析
气体放电物理过程1
1-2 简要论述汤逊放电理论。p49
• 答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此 电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至eαd个。假设 每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（eαd－1）个 正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴 极．按照系数的定义，此（ eαd －1）个正离子在到达阴极 表面时可撞出γ（ eαd －1）个新电子，则(eαd -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γ（ eαd －1）≥1或γeαd ≥1 。
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bp
dU eb
d1 ln( 1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
U bf1pd
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
• 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。
●自持放电条件
形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即 转为自持放电。如果电场均匀，间隙就将被击穿。形成流注的条 件（即自持放电条件），在均匀电场中也就是导致击穿的条件：
●形成流柱的条件
初始电子崩头部的负电荷必须达到一定数量，造成必要的局部电 场的强化和足够的空间光电离。
实验得出
ad
1—主电子崩2—二次电子崩
24
3—流注
(3)主放电阶段： ——正流注向阴极推进
(完整word版)简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程
习题1第36页1.简要分析汤逊理论与流注理论对气体放电过程、电离因素以及自持放电条件的观点有何不同？答：汤逊理论理论实质：电子碰撞电离是气体放电的主要原因，二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子，逸出电子是维持气体放电的必要条件。
所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
流注理论认为形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。
2.解释α、β、γ、η系数的定义。
答：α系数：它代表一个电子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。
β系数：一个正离子沿着电场方向行径1cm长度，平均发生的碰撞电离次数。
γ系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，使阴极金属平均释放出的自由电子数。
η系数：即一个电子沿电场方向行径1cm时平均发生的电子附着次数。
3.均匀电场和极不均匀电场气隙放电特性有何不同？答：在均匀电场中，气体间隙内流注一旦形成，放电达到自持的程度，气隙就被击穿。
不均匀电场分稍不均匀和极不均匀，在同样极间距离时稍不均匀电场的击穿电压比均匀电场的均匀电场气隙的要低，在极不均匀电场气隙中自持放电条件即是电晕起始条件，由发生电晕至击穿的过程还必须升高电压才能完成。
4.对极间距离相同的正极性棒-板、负极性棒-板、板-板、棒-棒四种电极布局的气隙直流放电电压进行排序？答：负极性棒-板最高，其次是棒-棒和板-板，最小的是正极性棒-板。
5.气隙有哪些放电现象？答：在极不均匀电场中，气隙完全被击穿以前，电极附近会发生电晕放电，产生暗蓝色的晕光，这种特殊的晕光是电极表面电离区的放电过程造成的。
在外电离因素和电场作用下，产生了激发、电离、形成大量的电子崩，在此同时也产生激发和电离的可逆过程-复合，这就是电晕。
6.如何提高气隙的放电电压？答：一是改善气隙中的电场分布，使之均匀化，二是设法削弱或抑制气体介质中的电离过程。
第一章 气体放电的基本物理过程
高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能 量应大于金属的逸出功。 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
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掌握 气体放电时，带电粒子如何产生？ of Electrical Engineering and Information SEEI School放电结束后，带电粒子又如何消失？
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第一节 带电粒子的产生和消失
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3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
绝对温度和摄氏温度的关系：
T绝对=273+T摄氏 School of Electrical Engineering and Information SEEI
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第一节 带电粒子的产生和消失
2. 高电压状态
电压升高 达到一定数值 达到一定 数值 气体中的带电粒 子大量增加 气体失去 绝缘 击穿（或 闪络）
电流增大
击穿——纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）
闪络——气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝
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第一节 带电粒子的产生和消失
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。
高压电第1章
dn dn = nαdx或 = αdx n ⇒n = n0exp( ∫αdx ) ⇒ n = n0eαx
0 x 均匀场
α不变
⇒ I = I0eαx ⇒ I
= I0 eαd x=d
中 其 : I0 —外 离 素 起 起 光 流 电 因 引 的 始 电 。 I 当 0 = 0 I = 0 只 α过 ， 电 能 持 ， ， 有 程 放 不 自 。
10削 棒 附 电 弱 极 近 场 ↓ 棒 附 难 形 流 ， 极 近 以 成 注 高。 始 晕 压 。 起 电 电 高 正 间 荷 0 空 电 → 强 正 子 外 电 2 加 了 离 群 部 场 ↓ 有 于 注 间 深 发 ， 展， 利 流 向 隙 处展 低。 其 穿 压 。 故 击 电 低
第一章:气体放电过程的分析 第一章 气体放电过程的分析
1.3.4均匀电场中的自持放电 自持放电条件 即流注形成条件=初崩头部的空间电荷数量达到某一临界值。
e
αd
=常 或 e 数 γ
αd
= 1 α = ln 或 d
1
γ
1.3.5流注理论对Pd很大时放电现象的解释 放电外形:二次电子崩在空间的形成和发展上具有统计性,所以火花放电的 通道是曲折的,并带有分枝.而电子崩中电子密度较小,对外电场的影响较小， 因此合成场强较大，因而不至于影响邻近空间的电场强度，也不会影响其 他电子崩的发展，因而放电是连成一片。 放电时间：光子以光速发展，因此即使空间很长，所需用的时间也很短。 阴极材料：维持放电的空间的光电离，而不是阴极表面的电离过程，因此， 击穿电压与阴极材料无关。
3、电晕放电的利弊 （1）危害 发光、声、热，损失能量；使空气化学反应，产生O3、NO、NO2 等，引起腐蚀作用；脉冲现象产生高频电磁波，干扰通讯和测量。 （2）有利 削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度；工业上应用。
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。
2）带电质点的扩散带电质点的扩散就是指这些质点会从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。
带电质点的扩散是由杂乱的热运动造成的，而不是由于同号电荷的电场斥力造成的，因为即使在很大的浓度下，离子之间的距离仍大到静电力起不到什么作用的程度。
电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散快得多。
第一章气体放电基本物理过程
普通高等教育“十二五”国家规划教材电气工程及其自动化专业系列教材高电压技术第一篇电介质的电气强度绪论●高电压技术主要研讨高电压(强电场)下的各种电气物理问题。
●高电压技术的发展始终与大功率远距离输电的需求密切相关。
●对于电力类专业的学生来说，学习本课程的主要目的是学会正确处理电力系统中过电压与绝缘这一对矛盾。
●为了说明电力系统与高电压技术的密切关系，以高压架空输电线路的设计为例，在图0-1中列出了种种与高电压技术直接相关的工程问题。
●除了电力工业、电工制造业外，高电压技术目前还广泛应用于大功率脉冲技术、激光技术、核物理、等离子体物理、生态与环境保护、生物学、医学、高压静电工业应用等领域。
第一篇电介质的电气强度第一章气体放电的基本物理过程第一节带电粒子的产生和消失第二节电子崩第三节自持放电条件第四节起始电压与气压的关系第五节气体放电的流注理论第六节不均匀电场中的放电过程第七节放电时间和冲击电压下的气隙击穿第八节沿面放电和污闪事故一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征电场的划分：电场不均匀系数：f=Emax Eavf=1为均匀电场；f<2为稍不均匀电场；f>4为极不均匀电场a v U dE=第六节不均匀电场中的放电过程二、电晕放电在220kV以上的超高压输电线路上，特别是在坏天气条件下，其导线表面会呈现一种淡紫色的辉光，并伴有咝咝作响的噪声和臭氧的气味。
这种现象就是电晕放电或简称电晕。
电晕是局部放电的一种，其特点在于它一定触及一个电极或两个电极，而一般所称的局部放电可以发生在电极表面，也可以存在于两极之间的某一空间而不触及任一电极。
电晕放电可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存在的稳定放电形式。
存在稳定电晕放电是极不均匀电场中气体放电的一大特点，因为在均匀或稍不均匀电场中，一旦某处出现电晕，它将迅速导致整个气隙的击穿，而不可能长期稳定地存在电晕放电现象。
虽然也可从理论上求得，但由于它的开始出现电晕放电时的电晕起始电压Uc影响因素很多，这种推算相当繁复和不精确。
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 。
-
5
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
-
6
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
-
61
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
-
62
1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
-
32
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
-
33
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
-
34
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
-
69
1.5.1 电晕放电
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。
汤逊理论通过引入“电子崩”的概念，较好地解释了均匀电场中低气压短间隙的气体放电过程，通过这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论。
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。
高电压技术 第一章第五节 气体放电的流注理论讲解
0.2
9
0.3
27
0.4
81
0.5
245
0.6
735
0.7
2208
0.8
6634
0.9
1.0
19930 59874
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⑶ 负流注
条件：当外加电压＞击穿电压
1
电压较低时，电子崩需经过整个间 隙才能积聚到足够的电子数形成流 注；电压较高时，电子崩不需经过 整个间隙，其头部电离程度已足以 形成流注
主电子崩头部的电离很强烈，光子 射到主崩前方，在前方产生新的电 子崩，主崩头部的电子和二次崩尾 的正离子形成混合通道，形成向阳 极推进的流注，称为负流注 间隙中的正、负流注可以同时向两 极发展。 School of Electrical Engineering and Information
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第五节 气体放电的流注理论
： 主 电 子 崩 ； ： 二 次 电 子 崩 ； ： 流 注
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⑵ 正流注
条件：当外加电压＝击穿电压 ① 正流注体的形成 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
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第五节 气体放电的流注理论
汤逊理论的适用范围
⑴ 适用范围
均匀场、低气压、短气隙 ［pd<36.66kPa ·cm(20mmHg ·cm)］
气体放电的机理
(3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
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
气体放电的机理
制作人： 朱胜
均匀电场中气体击穿的发展过程
一. 自持放电、非自持放电
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
➢ 低气压、 短间隙的电场中，即 p d 200(cm 133pa)
汤逊放电理论不能解释的放电现象
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电极空间，如辉光放 电。但大气压力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通 道。 2、放电时间
基于以上的原因提出了流注放电理论：
谢谢！
γ系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。 上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。
nc n0 n
上式中： n ：阴极表面单位时间和单位面积上由于 过程而产生的自由
电子数。
nc ：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。
n0
：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产 生的自由电子数。
气体放电过程的分析1
气体放电过程的分析气体放电是人们在自然界和日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，他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。
气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘物质，对气体绝缘特性的研究对气体放电十分重要。
而气体放电又受气体间隙、环境电场的影响，其过程的分析需要多种理论的支持，如汤逊理论和流注理论等。
1.1气体中带电质点的产生先介绍气体的特点：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、中性状态下的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点像电子、正离子、负离子以后，才能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。
气体中带电质点的产生有两个途径：一是气体本身发生游离；二是气体中的金属电极表面发生游离。
而带电质点有以下形式的游离形成：（1）碰撞游离在电场作用下，电子被加速获得动能。
如果其动能大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞时，就能使气体质点产生游离分裂成正离子和电子，这就是碰撞游离。
（2）光游离电磁射线的能量hV等于或大于气体质点游离能时所引起的游离过程叫做光游离。
（3）热游离因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离，其实质仍是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同。
（4）表面游离放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。
金属表面游离是所需能量可以从以下途径获得。
（1）正离子碰撞阴极正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将能量传递给电子而使金属表面逸出两个电子，其中一个与正离子结合而合成中性质点，另一个才可能成为自由电子。
（2）光电效应金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。
（3）强场发射在阴极附近加上很强的外电场，其电场强度达1000000V/cm,将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。
（4）热电子发射将金属电极加热到很高的温度，可以使其中电子获得很大能量，逸出金属在电子、离子器件中常利用热电子发射作为电子来源，在强场领域，对某些电弧放电的过程有重要作用。
第一章气体放电的基本物理过程
平行平板电极的电场
《高电压技术》第一讲 29
第一章
气体放电的基本物理过程
第二节 均匀电场中气体击穿的发展过程
1、非自持放电和自持放电
光照射
A V
图1-2 测定气体中电 流的回路示意图
图1-3 气体中电流和电压的关 系——伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 30
第一章
气体放电的基本物理过程
实验分析结果
《高电压技术》第一讲 17
第一章
气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失
(1) 原子的电离和激励
施加能量 W > Wi 自由电子
施加能量 施加能量 激发 分级游离
激发
施加能量
光子
自由电子
《高电压技术》第一讲 18
第一章
气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失 (1)原子的电离和激励
图1-3 气体放电的伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 32
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气体放电的基本物理过程
实验分析结果
当Ub≤U ≤ Uc
在曲线bc段，电流又开 始随电压的升高而增大。电 流随电压的增加按指数规律 增长。但当外电离因素消失， 电流会迅速降低，这是由于 气隙中出现了碰撞电离和电 子崩。 α过程
图1-3 气体放电的伏安特性曲线
《高电压技术》第一讲 19
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气体放电的基本物理过程
第一节 带电粒子的产生和消失
(2)电离的四种形式 1）光电离 当满足以下条件时，产生光电离：
h Wi或 hc Wi
h 普朗克常数(6.63 10 34 J s )
频率 波长, m
第1章11气体放电的基本物理过程
电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘
概念
击穿：电介质（绝缘体）在电场的作用下发生剧 烈放电或导电的现象叫击穿。
绝缘强度：绝缘本身耐受电压的能力，一般用绝 缘发生击穿时作用在绝缘材料上的临界电压值来 表示。电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而 绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度。
自持放电：电压大于U0时，取消外电离因素，间隙电流靠 电场作用能自行维持。
电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离， 如雪崩状发展过程，电流急剧增加。U0为击穿电压。
电子碰撞电离系数α：一个电子由阴极到阳极行程中，每１ cm路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程 内因碰撞电离而产生的自由电子数。
下计算值远大于实测值。 • 击穿电压： pd大时，计算值与实验值差别大。 • 阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而
高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关
1.1.3 流注理论
➢ pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表 明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。
•电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态； •刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿； •火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿； •电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；（闪电）
气体放电的起因？
气体是由气体分子组成的，气体中气体分子是由正电 的原子核和围绕原子核高速旋转的外层电子组成。由 于原子所带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。
2、金属电极表面游离——电子逸出
一些金属的逸出功
金属
逸出功
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•电极空间带电质点的产生 •电极表面带电质点的产生 1.1.3 带电质点的消失 •带电质点受电场力的作用流入电极 •带电质点的扩散 •带电质点的复合
1.1 带电质点与气体放电
1.1.1 气体放电的主要形式 1.空气在强电场下放电特性
* 气体放电: 气体中流通电流的各种形式统称气体放电. * 气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体 积内仅含几千个带电粒子, * 但在高电压下,气体从少量电荷会突然产生大量的电荷, 从而失去绝缘能力而发生放电现象. * 空气间隙由绝缘状态突变为导体状态的变化,称为击穿.
适用条件: 均匀电场,低气压,短间隙
实验装置
均匀电场中气体的 伏安特性
分析：
oa段:
随着电压升高，到 达阳极的带电质点数量 和速度也随之增大.
ab段：
电流不再随电压的 增大而增大.由外电离 因素产生的带电质点数 (少),全部落入电极,饱 和电流密度极小.气体 间隙仍处于良好的绝缘 状态.
均匀电场中气体的 伏安特性
第1章 气体放电过程 的分析
第1章 气体放电过程的分析
1.1 带电质点与气体放电 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论
和巴申定律 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论 1.4 高气压下不均匀电场气体击穿的发展过
程
1.1 带电质点与气体放电
1.1.1气体放电的主要形式 辉光放电 、电晕放电 、刷状放电 、火花放电 、
二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出 电子，逸出电子是维持气体放电的必要条 件。
所逸出的电子能否接替起始电子的作用是 自持放电的判据。
1.2.2 巴申定律
1889年,巴申从大量实验中总结了击穿电压Ub与pd的 关系,称为巴申定律.
表达式: Ub f ( pd )
其中 p:气体压力 d:极间距离
γ过程:在阴极表面发生的,克服金属表面逸出功后形成的
电离. (1)正离子碰撞阴极表面而释放电子(主要); (2)正负离子复合产生的光子在阴极表面引起的电离.
γ系数:折算到每个碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的
自由电子数.该系数同样可以通过I与电极间距离d的实验 曲线,计算后获取(书P16 公式1-17)
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰
撞电离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数
说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
书P10 表1-2 气体的电离电位及光电离临界波长
因为大气层的阻挡,阳光到达地面的波长λ ≥290nm, 因 此,普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离.
热游离
气体在热状态下引起的电离过程称为热电离
热电离本质:高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离, 只不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能.
气体分子平均动能W与分子温度T的关系: W = 3KT/2
( P11 表1-3 金属及金属微观结构氧化物的逸出功). 金属表面逸出功比气体电离能小很多, 在气体放电中,电 极表面电离很重要.
金属表面电离
正离子碰撞阴极: 正离子能量传递给阴极, ≥2 金属表面逸出功时发生电离
光电效应: 金属表面受到光照时,光子能量>金属 表面逸出功时,可造成电离
热电子放射: 加热阴极,使电子获取足够动能,克 服金属表面逸出功
c图:当电子崩发展到一定程度, 其形成的空间电荷的电场大大 增强.
d图:崩头和崩尾的电场增强, 电子崩内正负电荷区域间电场 削弱,合成电场发生明显的畸 变.
结论:
(1)电子崩头部电荷密度大,电离过程强烈,且电 场分布畸变,导致崩头放射大量光子;
(2)崩头前后电场增强,有利于分子离子发生激励 现象,其从激励状态恢复正常状态时,放射出光 子;
可见,击穿电压不仅仅由d决定,而是气体压力 和极间距离的函数,而且是个U形曲线,具有极小值, 见下图.
均匀电场中几种气体的击穿电压Ub与pd的关系
不同气体,巴 申曲线上的最低击 穿电压和此时的pd 值各不相同.如空 气的击穿电压极小 值出现在低气压下, 即空气相对密度较 小的情况 下,Ub.min=325V pd=0.55cm.mmHg.
自持放电的物理概念: 一个电子在自己进入
阳极后,可以由α和γ过 程在阴极上产生一个新的 替身,从而无需外电离因 素,放电可继续.
自持放电条件可表达为:
(eS 1) 1
综上所述，将电子崩和阴极上的r过程作为气体自持放 电的决定因素是汤逊理论的基础。
汤逊理论的实质：
气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放 电的主要原因(电子崩)
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
输电线路以气 体作为绝缘材料
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式
• 辉光放电 • 电晕放电 • 刷状放电 • 火花放电 • 电弧放电
见下图 放电外形示意图
辉光放电
1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论
在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象 a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍
b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大 气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.
c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地 发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生
(1) 激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态
(2)电离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离
原子核的束博而形成自由电子和正离子
(3)电离的方式
a.碰撞电离
b.光电离
电极空间带电质点的产生
c.热电离
d.金属表面电离: 电极表面带电质点的产生
bc段：
电流又再随电压的增 大而增大.说明出现的新 的电离因素—电子的碰撞 电离.
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电)
c点:电流急剧突增
电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
(1).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的电离,称为光电离. 光波的能量W决定于其频率f: W = hf = hc/λ 其中,h为普朗克常数,f c λ分别为光波频率,光速,波长.
hf W 产生光游离的条件： i
即当气体分子受到光辐射时,若光子能量大于气体 分子电离能,则可能引起气体分子的光电离.
电子质量远小于离子,电子的扩散过程强. c.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子. 质点间相对速度大,复合率就小
电子速度比离子大,正离子与电子复合率小,正负离子复 合率大. d.附着效应 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子. 离子的电离能力差,因此气体放电过程中负离子的形成起着 阻碍放电作用.
巴申定律与汤逊理论的关系
前者为后者提供实验结果支持;后者为前者提供理论依据.
pd过大和过小时,放电机理发生变化,汤逊理论不 再适用.
1.3 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论
1.3.1 空间电荷对电场的畸变 1.3.2 流注的形成 1.3.3 均匀电场中的自持放电条件 1.3.4 流注理论对放电现象的解释
1 2
m
2
Wi
Wi ：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.
对上图的分析:
击穿电压极小值的右侧: pd增大:(1)极间距离增加,电压不变时,间隙中场强
下降,电离减弱;(2)气压变大,电子自由行程缩短,电子不 易积累能量,电离减弱.由此,所需击穿电压变大 击穿电压极小值的左侧:
pd下降:主要是p下降引起,电子自由行程大,积累能量 大,但是空气密度低,气体分子数量太少,碰撞次数少,因此 电离减弱. 结论:高气压和高真空都可以提高击穿电压.
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.
(3)电子崩内部正负电荷区域间电场削弱,有利于 发生复合过程,同样发射出光子.
当外电场较弱时,上述过程不强烈,没有发 生新的现象;当外电场达到击穿场强时,上述过 程十分强烈,电子崩头部形成流注.
1.3.2 流注的形成
1. 正流注的形成
a图:外电场因素从阴极释放电子向阳极运动,形成电子崩. b图:电子崩的过程中头部电离愈加强烈,走完整个间隙后,
因此,在大量实验研究的基础上,提出流注放电理论.