8 气体放电的基本理论

19
▪ 电弧放电：当电源提供较大功率的电能时，若极间 电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中 可持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强 烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是电弧 放电 。电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱 和电极斑点。
▪ 电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些 场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制 等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。
放 下的气隙击穿具有重要意义。
电
④光电子发射：
基
用短波光照射金属表面也能产生表面游离（称为光电
本 子发射）。当然，此时光子的能量必须大于逸出功，但满
理 足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，因为一部分
论
光子会被金属表面反射，金属所吸收的光能中，大部分也 是转化为金属的热能，只有小部分用以使电子逸出。
电 故电离放电只能局限在尖极附近的空间而不能扩展出去。
基
当电压再提高时，如电极间距不大，则可能从电晕放
本 电直接转变成整个间隙的火花击穿。如电极间距离大时，则
理 论
从电晕转到刷形放电阶段，这种刷形放电在空间不断变更位 置。当电压再增高时，刷形放电增长到达对面的电极，就转 变为火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿迅速即转变
这比任何气体的游离能都要小得多，虽然由于气体分子热 运动的统计性质，某些分子的动能远超过此平均值，但
电 其几率是极其微小的，温度升到很高时，气体分子的平均
基 动能增加很多，在互相碰撞时，就可能产生撞击游离。
本
理
论
1
7
第
八
章
在一定热状态下的物质都能发出热辐射，气体也不例
气 外。物体温度升高时，其热辐射光子的能量大，数量多，
体 这种光子与气体分子相遇时就可能产生光游离。
放 电 基
由上述热状态的撞击游离和光游离所游离出来的带电 粒子，在高温下具有较高的热运动速度，在与分子碰撞时， 还可能产生撞击游离。
由此可见，热游离实质上是热状态产生的撞击游离和
本 光游离的综合。
理
论
1
8
第 4.表面游离
八
气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。从
当场强达到或超过Ecr值时，这种电子崩已可仅由电场 的作用而自行维持和发展，不必再依赖于外界游离因素了， 这种性质的放电称为自持放电。
论
由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强Ecr，
2 相应的电压称为临界电压Ucr。
16
第
游离放电的进一步发展和转变到气隙击穿的过程将随 电场情况而不同，可分为均匀电场和不均匀电场两大类。
气
γ——光的频率，Hz。
体
当气体受到光辐射作用时，产生光游离的必要条件是光子的能量
放 应不小于气体的游离能。光游离也可以分级游离的方式来完成。
紫外线、X射线，α、β和γ等短波射线都可以引起光游离。在气
电 体击穿过程中异号带电质点不断复合为中性质点而放出的光子，激发 基 状态的原子还原时放出的光子也有产生光游离的作用，并且是重要的
章 撞击游离。游离出来的电子又参加到撞击游离的过程中去。
于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩。
气
此时电流也相应地有较大的增长，但在场强小于某临
体 界值 Ecr时，这种电子崩还必须有赖于外界游离因素所造
放 成的原始游离才能持续存在；如外界游离因素消失，则这
电 基 本 理
种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下去。 这种放电称为非自持放电。
20
气体放电过程描述框图
2007年3月13日
电
弱电场
较强电场
弧
放
电 源
电
气隙
微弱游离
撞击游离
功 率 很
气隙击穿
均匀电场
电子崩
理 带电质点的驱引速度。
论
1
12
第
八
章
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。
气 体
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
本 主要是对某些电弧放电的过程有重要的意义。
理
②二次发射：用某些具有足够能量的质点（例如正离
论 子）撞击金属电极表面，也可能产生表面游离（称为二次
1 发射）。
9
第
八
章
③强场发射： 在电极附近加上很强的外电场，也能从金属电极中拉 出电子，称为强场发射或冷发射。这种发射所需的外电场
气 体
极高，其数量级在106V/cm 左右。一般气隙的击穿场强远 低于此数值，所以，在一般气隙的击穿过程中还不会出现 强场发射。强场发射对某些高压强下的气隙击穿或高真空
基 子再与正离子复合的。
本
②异号质点的浓度愈大，复合就愈强烈。因此，强烈
理 的游离区通常也总是强烈的复合区，这个区的光亮度也就
论 较高。
1
14
§8-2 气体放电过程的一般描述
第
八 章
气体放电过程描述框图
2007年3月13日
气
电
弱电场
较强电场
弧
体
放
放
电 源
电
气隙
微弱游离
撞击游离 游离电子
电 基 本
功 率
本
气体导电的原因：气体中出现了带电质点
理 （电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自
论 由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从
1 而形成气体电介质的电导层。
3
第
八
气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子
章 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。
章
②在外加电场作用下，带电质点在电场力的作用具有
一定的能量。
气 形成撞击游离的条件：
体
①撞击质点所具有的总能量至少大于被撞击质点在该
放 种状态下所需的游离能；
电
②撞击质点与被撞击质点有一定的作用时间。
基 本
在有电场存在的情况下，电子与别的质点相邻两次碰 撞之间的平均自由行程比离子大的多，积聚足够的能量后
放 程度。电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到
电 的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散
基 快得多。
本 3.带电质点的复合
理
带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而
论 还原为中性质点的过程称为复合。复合时，质点原先在
1
游离时所吸取的游离能通常将以光子的形式如数放出。 对负离子来说，复合的过程就是从负离子上游离出原先
气隙击穿
均匀电场
很
大
提高电压
火花放电
刷型放电
电子崩 非自持放电
电场小于Ecr
理
论
电极间距小 电极间距大
自持放电
电场大于Ecr
2
提高电压
提高电压
电晕放电
非均匀电场
15
随着气隙中场强增大，电子和离子在与气体分子相邻
第 两次碰撞间所积累的动能也增加，场强高达某一定值，使
八 这种能量的积累达到撞击游离所需值时，气体中即可发生
18
火花放电和电晕放电的区别: ▪ 火花放电是电极间的气体被击穿，形成电流
在气体中的通道，即明显的电火花。 ▪ 电晕放电是电极间的气体还没有被击穿，电
荷在高电压的作用下发生移动而进行的放电， 放电的现象是：在黑暗中可以看到电极的尖 端有蓝色的光晕。 ▪ 火花放电的电流都很大，而电晕放电的电流 比较小。
理 再与其他质点碰撞的几率也比离子大的多，因而在电场中，
论 造成撞击游离的主要因素是电子。
5
2、光游离
第 短波射线的光子具有很大能量、它以光速运动，当它射到中性原 于(或分子)上时所产生的游离称为光游离，光子的能量与其频率成正
八 比，即
章
Ｗ＝hγ (1—1)
式中 h——普朗克常量，等于6.6260755X10-34J·s；
本
§8-5 气Baidu Nhomakorabea的击穿特性
理
§8-6 气体电解质中的沿面放电
论
2
§8-1 气体中带电质点产生和消失
第
八 一、气体中带电质点的产生
章
气体的特点：气体的分子间距很大，极化率
气 体 放 电 基
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。
本 光游离因素。
光游离产生的自由电子称为光电子。宇宙射线中的光子可造成气
理 体游离，并且使游离出来的电子具有很大的动能，可以再造成撞击游 论 离。
6
第
八
3.热游离
章
自由气体的热状态造成的游离称为热游离。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
气 体 放
光游离，只是其能量来源于气体分子本身的热能。 在室温(20℃) 时，气体分子平均动能仅约0. 038eV，
2 成电弧。
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▪ 电晕放电：
▪ 气体介质在不均匀电场中 的局部自持放电。最常见 的一种气体放电形式。在 曲率半径很大的尖端电极 附近，由于局部电场强度 超过气体的电离场强，使 气体发生电离和激励 ，因 而出现电晕放电。发生电 晕时在电极周围可以看到 淡蓝色的光晕 ，并伴有咝 咝声。
▪ 电晕放电可以是相对稳定 的放电形式，也可以是不 均匀电场间隙击穿过程中 的早期发展阶段。
吸附的一个电子。
13
第 复合过程的影响因素：
八
与游离过程相似，复合的过程也是带电质点在接近时
章 通过电磁力的相互作用而完成的，需要一定的相互作用时
间和条件。在复合过程中，异号质点间的静电力起着重要
气 体 放 电
作用，这一点与扩散过程不同。 ①参加复合的质点的相对速度愈大，复合的几率就愈
小，气体中电子的速度比离子的速度大得多，所以电子与 正离子复合的几率比负离子与正离子复合的几率小得多 （小几千倍）。参加复合的电子中绝大多数是先形成负离
本 因此俘获电子而成为离子这一现象能对气体放电
理 的发展起抑制作用，有助于气体耐电强度的提高。
论
1
11
第 二、气体中带电质点的消失
八
气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质
章 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。
气 1.带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量
▪ 火花放电：
▪ 高电压电极间的气体被击穿， 出现闪光和爆裂声的气体放 电现象。
▪ 在通常气压下，当在曲率不 太大的冷电极间加高电压时， 若电源供给的功率不太大， 就会出现火花放电，火花放 电时，碰撞电离并不发生在 电极间的整个区域内，只是 沿着狭窄曲折的发光通道进 行，并伴随爆裂声。由于气 体击穿后突然由绝缘体变为 良导体，电流猛增，而电源 功率不够，因此电压下降， 放电暂时熄灭，待电压恢复 再次放电。所以火花放电具 有间隙性。
章 金属电极表面逸出电子，需要一定的能量，通常称为逸出
功。金属的逸出功一般要比气体的游离能小得多，所以，
气 表面游离在气体放电过程中有重要作用。
体
金属电极表面游离所需的能量（逸出功）可以通过下
放 电 基
述途径获得： ①热电子发射：即把金属电极加热，使金属中电子的
动能增加到超过逸出功时，电子即能克服金属表面的位能 壁垒而逸出，称为热电子发射。在强电领域，热电子发射
八
章
在大体均匀的电场中，任意某处形成自持放电时，自 持放电会很快地发展到整个间隙，气隙即被击穿，气隙的击
气
穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。 在很不均匀的电场中，例如在尖端电极的情况，在电压
体 还较低的时候，尖端处的场强就已可能超过临界值而出现自
放 持放电，就是电晕放电。由于离尖端稍远处场强已大为减小，
第八章 气体放电的 基本理论
1
本章主要介绍气体放电理论，重点内容是
第 气体放电过程及其形成机理。介绍气隙的击穿
八 特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电形
章 式。
气
§8-1 气体中带电质点的产生和消失
体
§8-2 气体放电过程的一般描述
放 电 基
§8-3 均匀电场气隙的击穿 §8-4 不均匀电场气隙的击穿
1
10
第 5.负离子的形成
八
章
分子或原子对电子的亲合能E：一个中性分 子或原子与一个电子结合生成一价负离子所释放
气 体 放 电 基
出的能量。E的值越大，就越容易与电子相结合 而成为负离子。
卤素元素的E值比其它元素大的多，因此很 容易俘获一个电子而成为负离子。
如前面所述，离子的游离能力比电子小得多，
体
带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向
放 电 基
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
本 度下，其平均速度将达到某个稳定值。这一平均速度称为
气 1、撞击游离
体
欲使气体质点游离，必须给予该气体质点足够的能
放 量，这个能量由撞击质点传给。这些撞击质点有电子、
电 基 本
正离子、负离子、中性分子、原子等，其所具有的能量 有两种方式：
①动能，mv2/2，m是质点质量，v是质点速度。 ②势能，（数值很小忽略不计）
理
论
1
4
第 动能的产生：
八
①气体质点的热运动使之具有固有的动能；