气体电介质的绝缘特性一
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气体放电的主要形式
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
辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电 刷状放电
19
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
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
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
W h
3
原子电离——
原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电 子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程
电离过程所需要的能量——电离能Wi（10-15 eV），也 可用电离电位Ui（V）
12
表面电离的形式
（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功
时，金属表面放射出电子 （3）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 （4）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
13
1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失
（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失） （二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合 （中和，空间或器壁） （四）附着效应
Eq
1 2
m
2
Wi
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关
9
（二）光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，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
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
14
（ 一） 电场作用下气体中带电粒子的运动
带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j qnvd
在气体放电空间 ，带电粒子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，即上述的带电粒子的
驱引速度
vd bE
b ——迁移率
电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中 ，电子迁移率也随场强而变
第2讲 1 气体电介质的绝缘特性（一）
1
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
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？
2
原子激励和电离
原子能级 以电子伏（eV）为单位
1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
4
1.1.1 气体中带电粒子的产生
（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）
（二） 金属（阴极）的表面电离
5
（一）碰撞电离
自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程 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，其中粒子的平均自由行程越
16
（三）带电粒子的复合
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
在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其 浓度
15
（二）带电粒子的扩散
带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的
气体中带电粒子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
：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通 过的平均行程
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
8
（一）碰撞电离
气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分 子碰撞而引起的
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
小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比
Twk.baidu.com
p
6
自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的 自由行程大于x的概率为
x
f (x) e
如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继n0次 碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的 粒子数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
7
粒子的平均自由行程
0
hc qUi
1229 Ui
nm
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下， 一般是不能直接发生光电离的
10
(三）热电离
因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞电离 与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为
3 Wm 2 KT
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千
度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离
11
（四）金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功（1－5eV） ：与金属的微观结构 、金属表面 状态有关
金属表面电离的多种方式 （1）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
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。管中所充气体本同，发光颜色也不同
20
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
17
（四）附着效应——负离子的形成
有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6 等）
质量大、速度小——阻碍放电，绝缘强度较高
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1.2 均匀电场中气体的击穿
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
辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电 刷状放电
19
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
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
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
W h
3
原子电离——
原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电 子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程
电离过程所需要的能量——电离能Wi（10-15 eV），也 可用电离电位Ui（V）
12
表面电离的形式
（2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功
时，金属表面放射出电子 （3）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 （4）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
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1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失
（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失） （二）带电粒子的扩散 （三）带电粒子的复合 （中和，空间或器壁） （四）附着效应
Eq
1 2
m
2
Wi
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的 大小有关
9
（二）光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，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
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
14
（ 一） 电场作用下气体中带电粒子的运动
带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形
成电流
j qnvd
在气体放电空间 ，带电粒子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，即上述的带电粒子的
驱引速度
vd bE
b ——迁移率
电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中 ，电子迁移率也随场强而变
第2讲 1 气体电介质的绝缘特性（一）
1
1.1 气体中带电粒子的产生和消失
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？
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原子激励和电离
原子能级 以电子伏（eV）为单位
1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
4
1.1.1 气体中带电粒子的产生
（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）
（二） 金属（阴极）的表面电离
5
（一）碰撞电离
自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程 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，其中粒子的平均自由行程越
16
（三）带电粒子的复合
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
在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其 浓度
15
（二）带电粒子的扩散
带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的
气体中带电粒子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
：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通 过的平均行程
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
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（一）碰撞电离
气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分 子碰撞而引起的
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
小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密 度成正比
Twk.baidu.com
p
6
自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的 自由行程大于x的概率为
x
f (x) e
如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继n0次 碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的 粒子数（或次数）n(x)应为
x
n(x) n0e
7
粒子的平均自由行程
0
hc qUi
1229 Ui
nm
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下， 一般是不能直接发生光电离的
10
(三）热电离
因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞电离 与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为
3 Wm 2 KT
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千
度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离
11
（四）金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功（1－5eV） ：与金属的微观结构 、金属表面 状态有关
金属表面电离的多种方式 （1）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
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。管中所充气体本同，发光颜色也不同
20
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
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（四）附着效应——负离子的形成
有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子
有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6 等）
质量大、速度小——阻碍放电，绝缘强度较高
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1.2 均匀电场中气体的击穿