最新2、气体放电的基本物理过程PPT课件

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。
✓ 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：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。
➢ 当电压达到U0 后，气体中发生 了强烈的电离，电流剧增，其中的 电离只靠电场的作用自行维持，不 再需要外电离因素。这种放电形式 称为自持放电。
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。
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：
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
r：气体分子半径
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）。
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
✓ ห้องสมุดไป่ตู้数：
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
2、气体放电的基本物理过程
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
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。
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。
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
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：
dnnd,x或dndx
n
✓ 一个电子从阴极到阳极产生
的电子数N ：
d
d
Ne0dxed
✓ 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
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。
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）。