2章-气体放电的基本物理过程
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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
在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。
④ 强场发射（冷发射）
当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级）, 能使阴极发射电子。
常态下作用气隙击穿完全不受影响;
在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作 用；真空中更起着决定性作用。
➢ 气体中电子与正离子的产生
外界能量
电离: 电子脱离原子核
自由电子、正离子
此过程需要能量
电离能 Wi 电离电位 Ui=Wi/e
发生电离的条件？
根据外界给予原子或分子的能量形式的不同,电离可分为热电离、光电离
和碰撞电离。此外，电离过程可以一次完成，也可以是先激励再电离的
分级电离方式。
6
（1）热电离
气体分子的平均动能与温度的关系
Wi
W i :气体分子的电离能
• 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
8
（2）光电离 光辐射引起气体分子的电离;光子能量:
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
光电离条件:
hv≥Wi 或λ≤hc/Wi
式中 λ——光的波长,m; c——光速 Wi ——气体的电离能，eV。
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
室温下:气体分子的平均动
能10-2eV 数量级
只有在电弧放电产生的高温条 件下才会有明显的热电离！
热游离实质上并不是另外一种独立的形式,
实质上仍是撞击游离与光游离，只是其能
量来源于气体分子本身的热能。
7
产生热游离的条件:
3 2
KT
第2章 气体放电的基本物理过程
2.1 带电粒子的产生与消失 2.2 放电的电子崩阶段 2.3 自持放电条件 2.4 不均匀电场中放电的极性效应
1
气体放电——气体中流通电流的各种形式。 正常状态:优良的绝缘体。 在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带 电粒子并不影响气体的绝缘。 空气的利用:架空输电线路个相导线之间、导线与地线 之间、导线与杆塔之间的绝缘;变压器相间的绝缘等。
使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。
② 光电子发射（光电效应）
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
16
③ 热电子发射
2
变压器相间绝缘以气体作为绝 缘材料
输电线路以气体作为绝缘材料
3
返回
气体绝缘的优点:
不存在老化问题 完全的绝缘自恢复特性 理论体系较完善
4
• 在电气设备中: 外绝缘: 一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)
联合构成 内绝缘: 一般由固体介质和液体介质联合构成
5
2.1 带电粒子的产生与消失
17
➢ 气体中负离子的形成
自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果
情况一
电子碰撞中性的分子或原子
发生电离 产生自由电子
情况二 电子碰撞中性的分子或原子
情况三 电子碰撞中性的分子或原子
形成了负离子
能量不足,撞击 后反弹回来
未产生自由电子
没发生电离, 也没被反弹 回来
被中性的分子捕捉, 成为自己的束缚电 子
18
附着——自由电子与气体分子碰撞时,发生电子与中性分子相 结合而形成负离子的过程。
负离子形成过程的特点
形成负离子时可释放出能量,称为电子亲合能。电子亲合能的 大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易,越大则越易形成负 离子。
因此,在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。
11
（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。
激励能We
一个概念---激励：原子中的电子 外界因素 更高能级的外层轨道
跃迁
可能发生激励的条件: Wi>W≥We 激励态不稳定:10-8s 亚稳激励态：10-4~10-5s
激励过程可能是电离过程的基础。
14
➢ 电极表面的电子逸出
电极表面电离——电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。 逸出功 逸出功——电子从金属表面逸出所需的能量。
金属
铝 (Al ) 银 (Ag)
逸出功 (eV)
1.8 3.1
金属 逸出功 (eV)
金属
逸出功 (eV)
铁 (Fe)
3.9
氧化铜 (CuO)
13
原子的激励与电离的关系
➢ 原子发生电离产生带电粒子的两种情况:
⑴ 激励+电离
原子吸收了一定的能量, 但能量不太高
发生激励,跳到更 远的轨道
发生电离,产生带电粒子
⑵ 直接电离
再次吸收能量
原子吸收直接吸收了足够的能量
发生电离,产生带电粒子
原子的激励过程不产生带电粒子;
原子的电离过程产生带电粒子；
10
需要注意的两点! 1) 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。 2) 碰撞电离主要是由电子引起的,离子引起的碰撞电离概率要
比电子引起的小得多。 原因有两个，请同学们自己分析！
1）电子自由行程大,在电场中获得的能量大。 2）电子质量比离子小的多,易产生弹性碰撞,发生非电离 碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。
v ——为频率
可见光不能使气体直接发生光电离！x,γ射线才能
使其发生光电离。
光电离在气体介质放电过程中很重要！ (正负离子的复合产生光子—流注放电）
光的来源:自然界、人为照射、气体放电过程
9
（3）碰撞电离 带电粒子在电场中获得动能:
1mv2 2
eEx
Wi
条件：x Ui E
一个重要概念:自由行程---两次碰撞间质点行经的距离, 一般 用λ表示。平均自由行程用 表示 。
5.3
铜 (Cu)
3.9
铯 (Cs)
0Fra Baidu bibliotek7
与表1-1相比较,可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得 多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。
阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。 15
电极表面电离按外加能量形式的不同,可分为四种形式
① 正离子撞击阴极表面 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子,
12
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。
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2O
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 12.7
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
对绝缘不利,但可有其他应用！
在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。
④ 强场发射（冷发射）
当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级）, 能使阴极发射电子。
常态下作用气隙击穿完全不受影响;
在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作 用；真空中更起着决定性作用。
➢ 气体中电子与正离子的产生
外界能量
电离: 电子脱离原子核
自由电子、正离子
此过程需要能量
电离能 Wi 电离电位 Ui=Wi/e
发生电离的条件？
根据外界给予原子或分子的能量形式的不同,电离可分为热电离、光电离
和碰撞电离。此外，电离过程可以一次完成，也可以是先激励再电离的
分级电离方式。
6
（1）热电离
气体分子的平均动能与温度的关系
Wi
W i :气体分子的电离能
• 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
8
（2）光电离 光辐射引起气体分子的电离;光子能量:
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W h
光电离条件:
hv≥Wi 或λ≤hc/Wi
式中 λ——光的波长,m; c——光速 Wi ——气体的电离能，eV。
W 3 kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K
热力学温度
室温下:气体分子的平均动
能10-2eV 数量级
只有在电弧放电产生的高温条 件下才会有明显的热电离！
热游离实质上并不是另外一种独立的形式,
实质上仍是撞击游离与光游离，只是其能
量来源于气体分子本身的热能。
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产生热游离的条件:
3 2
KT
第2章 气体放电的基本物理过程
2.1 带电粒子的产生与消失 2.2 放电的电子崩阶段 2.3 自持放电条件 2.4 不均匀电场中放电的极性效应
1
气体放电——气体中流通电流的各种形式。 正常状态:优良的绝缘体。 在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带 电粒子并不影响气体的绝缘。 空气的利用:架空输电线路个相导线之间、导线与地线 之间、导线与杆塔之间的绝缘;变压器相间的绝缘等。
使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。
② 光电子发射（光电效应）
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
16
③ 热电子发射
2
变压器相间绝缘以气体作为绝 缘材料
输电线路以气体作为绝缘材料
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气体绝缘的优点:
不存在老化问题 完全的绝缘自恢复特性 理论体系较完善
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• 在电气设备中: 外绝缘: 一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)
联合构成 内绝缘: 一般由固体介质和液体介质联合构成
5
2.1 带电粒子的产生与消失
17
➢ 气体中负离子的形成
自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果
情况一
电子碰撞中性的分子或原子
发生电离 产生自由电子
情况二 电子碰撞中性的分子或原子
情况三 电子碰撞中性的分子或原子
形成了负离子
能量不足,撞击 后反弹回来
未产生自由电子
没发生电离, 也没被反弹 回来
被中性的分子捕捉, 成为自己的束缚电 子
18
附着——自由电子与气体分子碰撞时,发生电子与中性分子相 结合而形成负离子的过程。
负离子形成过程的特点
形成负离子时可释放出能量,称为电子亲合能。电子亲合能的 大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易,越大则越易形成负 离子。
因此,在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。
11
（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。
激励能We
一个概念---激励：原子中的电子 外界因素 更高能级的外层轨道
跃迁
可能发生激励的条件: Wi>W≥We 激励态不稳定:10-8s 亚稳激励态：10-4~10-5s
激励过程可能是电离过程的基础。
14
➢ 电极表面的电子逸出
电极表面电离——电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。 逸出功 逸出功——电子从金属表面逸出所需的能量。
金属
铝 (Al ) 银 (Ag)
逸出功 (eV)
1.8 3.1
金属 逸出功 (eV)
金属
逸出功 (eV)
铁 (Fe)
3.9
氧化铜 (CuO)
13
原子的激励与电离的关系
➢ 原子发生电离产生带电粒子的两种情况:
⑴ 激励+电离
原子吸收了一定的能量, 但能量不太高
发生激励,跳到更 远的轨道
发生电离,产生带电粒子
⑵ 直接电离
再次吸收能量
原子吸收直接吸收了足够的能量
发生电离,产生带电粒子
原子的激励过程不产生带电粒子;
原子的电离过程产生带电粒子；
10
需要注意的两点! 1) 碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。 2) 碰撞电离主要是由电子引起的,离子引起的碰撞电离概率要
比电子引起的小得多。 原因有两个，请同学们自己分析！
1）电子自由行程大,在电场中获得的能量大。 2）电子质量比离子小的多,易产生弹性碰撞,发生非电离 碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。
v ——为频率
可见光不能使气体直接发生光电离！x,γ射线才能
使其发生光电离。
光电离在气体介质放电过程中很重要！ (正负离子的复合产生光子—流注放电）
光的来源:自然界、人为照射、气体放电过程
9
（3）碰撞电离 带电粒子在电场中获得动能:
1mv2 2
eEx
Wi
条件：x Ui E
一个重要概念:自由行程---两次碰撞间质点行经的距离, 一般 用λ表示。平均自由行程用 表示 。
5.3
铜 (Cu)
3.9
铯 (Cs)
0Fra Baidu bibliotek7
与表1-1相比较,可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得 多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。
阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。 15
电极表面电离按外加能量形式的不同,可分为四种形式
① 正离子撞击阴极表面 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电子,
12
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。
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2O
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 12.7
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
对绝缘不利,但可有其他应用！