气体放电作业
高电压技术——第二讲 气体放电的基本物理过程2.1
电离
（2）光电离：光辐射引起气体分子电离。 光电离：光辐射引起气体分子电离。
普朗克常数 6.63×10-34J·s
W = hν
条 件 ： λ ≤
hc Wi
试推导，能使气体发生光电离的光波长的数量级。
电离
（3）碰撞电离：高速运动的质点与中性的原子或 碰撞电离： 分子碰撞时， 分子碰撞时，如原子或分子获得的能量大于电离 能则发生电离。 能则发生电离。
潘宁效应
2.1.2 电极表面的电子逸出
一些金属的逸出功
从金属表面逸 出的电子也会进入 气体间隙参与碰撞 电离过程。 逸出功： 逸出功：要使电子从 金属表面逸出需要 的能量。
金属 铝 银 铜 铁 氧化铜
逸出功(eV) 逸出功 1.8 3.1 3.9 3.9 5.3
2.1.2 电极表面的电子逸出
（1）正离子撞击阴极：只有当正离子的能量 正离子撞击阴极： 大于金属逸出功的两倍时才能产生电极表面 电子发射。 （2）光电子发射。 光电子发射。 强场发射： （3）强场发射：阴极表面电场强度很大时， 也能使阴极放出电子，称为强场发射或冷发 射。 （4）热电子发射：高温下金属中电子因获得 热电子发射： 巨大的动能而从电极表面逸出。
2.1 带电质点的产生与消失
2.1.1 气体中电子与正离子的产生 2.1.2 电极表面的电子逸出 2.1.3 气体中负离子的形成 2.1.4 带电质点的消失
2.1.1 气体中电子与正离子的产生 原子结构
气体原子：带正电荷 的原子核 原子核和若干带负 原子核 电荷的电子 电子构成。 电子 电子受原子核的吸引 在各自轨道上围绕原子 核旋转。 气体原子呈中性 中性。 中性
2.1.1 气体中电子与正离子的产生
电离 在足够大的外界能量下，电子（ 在足够大的外界能量下，电子（也许 不只一个）就会脱离原子核的吸引， 不只一个）就会脱离原子核的吸引，脱离 的电子称为自由电子 自由电子， 的电子称为自由电子，失去了电子的中性 原子成为正离子 此过程称为“电离” 正离子， 原子成为正离子，此过程称为“电离”。 电离产生的电子和正离子就是我们所 说的“带电质点” 说的“带电质点”。
气体放电现象及其应用
气体放电的研究报告一、气体放电基本理论1、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。
2、气体放电的基本理论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。
3、气体放电的主要类型通常，低气压、低温等离子体是在1~100Pa的气体中进行直流、射频或微波放电产生的，而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD)。
高电压技术中的气体放电及其应用思考
高电压技术中的气体放电及其应用思考发布时间：2021-03-25T06:17:10.394Z 来源：《河南电力》2020年9期作者：毛云峰[导读] 干燥的空气是非常好的绝缘体，但是在生活中偶尔会看到高压变压器、线路上出现跳跃的电弧。
（广西方元电力检修有限责任公司）摘要：气体放电是高电压技术中常见的物理现象，利用高电压对空气中的带电粒子施加压力，使其沿着高电压的电场方向移动，从而在本应是绝缘的气体中发生导电的现象，通常也叫击穿现象。
本文通过探讨高电压技术中气体放电的原理，以及利用气体放电现象，在高压技术中进行有效利用，来达到特定使用目的。
以期能够提升高电压技术中的创新能力。
关键词：高电压；气体放电；技术应用干燥的空气是非常好的绝缘体，但是在生活中偶尔会看到高压变压器、线路上出现跳跃的电弧。
这种现象是空气在经过高压电的作用下，发生变化，使空气具有一定的导电性。
而利用气体放电的现象，可以对高压进行控制，并在实际使用中，作为断路器开关等手段来达到高电压技术中的特殊需求。
一、高电压技术中气体放电的原理通常来说，干燥的气体拥有较好绝缘性能的原因是，气体中拥有电粒子数量较少，并且活动较少，使电流无法顺利移动。
但是若对气体施加较强的高压电场，使空气中电粒子随着电场移动，并将电压升高一定数值时，电粒子的移动速度加快，在空气中形成电流的流通通道，此时就会发生空气击穿，导致气体放电的现象。
在高电压、电流的影响下，空气中的分子被电离成电子和粒子状态，并拥有较好的传导性能。
高电压下的气体放电现象，使气体原子在接受电压的外力影响下，产生能力变化，让电子能够迁跃至能级较高的轨道，并让原子能够开始激发，并产生低温等离子体。
而高电压中的能量会使电子脱离空气原子核的束缚，从而产生自由的电子和正离子，其特性受到电源、气体属性、结构等影响，从而产生阻挡、滑动、电弧等气体放电类型。
同时气体放电现象会使空气介质中的电子密度较高，从而获得较高的能量，并产生密度高的低温等离子体。
气体局部放电实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本实验旨在研究气体绝缘设备中局部放电的特性，通过实验观察和分析不同气体介质中局部放电的现象，探究局部放电对气体绝缘性能的影响，为提高气体绝缘设备的安全性和可靠性提供理论依据。
二、实验原理局部放电是指在高压电场作用下，气体介质中出现的电击穿现象。
当电场强度超过气体的击穿场强时，气体介质中的分子会发生电离，产生自由电子和正离子，形成导电通道，从而发生局部放电。
局部放电会对气体绝缘设备的绝缘性能造成损害，甚至引发设备故障。
本实验采用直流高压电源对气体介质施加电场，通过测量放电电流、电压等参数，分析不同气体介质中局部放电的特性。
三、实验设备1. 直流高压电源：输出电压0～30kV，输出电流0～1mA。
2. 电流探头：测量范围0～10mA。
3. 电压探头：测量范围0～30kV。
4. 气体介质：空气、氮气、SF6等。
5. 实验室气瓶：用于存储实验用气体。
6. 电压表、电流表、示波器等测量仪器。
四、实验步骤1. 准备实验用气体：将空气、氮气、SF6等气体分别充入实验室气瓶中，确保气体纯净、无杂质。
2. 安装实验设备：将直流高压电源、电流探头、电压探头等设备连接好，确保连接牢固、接触良好。
3. 选择实验气体：依次选择空气、氮气、SF6等气体作为实验介质，分别进行实验。
4. 施加电场：调整直流高压电源输出电压，使气体介质中的电场强度逐渐增加。
5. 观察放电现象：通过示波器观察放电电流、电压波形，记录放电开始、结束时间，分析放电特性。
6. 数据处理：将实验数据整理成表格，分析不同气体介质中局部放电的特性。
五、实验结果与分析1. 空气介质实验结果显示，空气介质在电场强度较低时，不易发生局部放电；随着电场强度的增加，放电电流、电压逐渐增大，放电频率逐渐降低。
2. 氮气介质实验结果显示，氮气介质在电场强度较低时，局部放电现象与空气介质相似；随着电场强度的增加，放电电流、电压逐渐增大，放电频率逐渐降低。
3. SF6气体介质实验结果显示，SF6气体介质在电场强度较低时，不易发生局部放电；随着电场强度的增加，放电电流、电压逐渐增大，放电频率逐渐降低。
气体放电基本物理过程及基本性质
电晕放电是极不均匀场中的局部强场 区的一种自持放电（过程）
稍不均匀场不能产生稳定的电晕！!
（起晕电压接近击穿电压） 气体放电的基本物理过程和基本性质
27
2、电晕放电的效应
发出咝咝的声音、臭氧的气味、 电极附近空间蓝色的晕光
化学反应产生新物质 回路电流明显增加(绝对值仍很
小)，可以测量到能量损失 产生高频脉冲电流-----干扰源
气体放电的基本物理过程和基本性质
19
流注理论对S较大时放电现象的解释
放电外形： S较大时，放电具有通道形式
流注中电荷密度很大，电导很大，其中电
场强度较小。因此流注出现后，对周围空
间内的电场有屏蔽作用，并且随着其向前
发展而更为增强
当某个流注由于偶然原因发展更快时，将
抑制其它流注的形成和发展，并且随着流
37
1、极不均匀电场中的放 电过程（短间隙）
非自持放电阶段
流注发展阶段（自持）
气体放电的基本物理过程和基本性质
38
以棒－板间隙为例
非自持放电阶段(设外界 因素产生了一个电子崩)
当棒具有正极性时
在棒极附近，积聚起正
空间电荷，减少了紧贴
棒极附近的电场，而略
微加强了外部空间的电
场，棒极附近难以造成
➢ 汤森德放电是弥散的一片！流注放电
有明亮的细通道！
气体放电的基本物理过程和基本性质
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自持放电条件
➢一旦形成流注，放电就进入了新的阶段， 放电可以由本身产生的空间光电离而自 行维持，即转入自持放电了
➢ 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以 流注形成的条件就是自持放电条件，在 均匀电场中也就是导致击穿的条件
气体放电的基本物理过程和基本性质
实验一 气体放电实验
实验一气体放电实验（电气104）实验时间：第九周星期二晚上地点：电信学院楼实验分两组进行，第一组名单（晚上7点30到8点30）第二组（晚上8点30到9点30），分组情况在最后附有。
务必提前写好预习报告。
一、实验目的1.熟悉高压试验变压器和直流高压装置的使用方法；2.研究交流电压作用下空气间隙的放电特性；3.观察沿面放电和电晕放电现象。
二、实验内容1.研究交流电压作用下空气间隙的放电特性；1）通过比较同样极间距离情况下的击穿电压值，说明电场均匀性对间隙击穿电压的影响；2）不对称电极不均匀电场中间隙放电的极性效应。
3）验证提高气体间隙放电的措施（如屏障等）2.观察具有强垂直分量电场结构的放电过程。
3．观察电晕放电现象1）尖端电极的电晕放电；2）输电线路的电晕放电。
三、实验设备及其接线图1.实验设备(1)GYT-2000型交直流一体化遥控操作发生器；(2)导线、放电电极若干；(3)保护球隙；(4)相关放电模型。
2．接线原理图～220V图1 交流电压实验接线图滤波电容图2 直流电压实验接线图四、实验步骤1.记录实验时的当地大气压强（兰州大气压强85.3kPa）、温度、湿度及主要实验设备的型号、参数。
2.不对称电极不均匀电场中间隙放电的极性效应（1）按图2接线实验电路，将直流电压装置的高压正极接于间隙的尖极板电极接地，调节间隙距离为1cm。
记录间隙的击穿电压。
（2）改变直流高压装置的高压输出端为负极性,高压负极接尖极，板极接地，调节间隙距离为1cm，记录放电间隙放电电压。
（3）比较极间距相同时，正尖—负球和负尖—正球的击穿电压值，是否满足极性效应。
3.电场均匀程度的对于击穿电压的影响（1）将球—球极间距调整为2cm，测量其工频击穿电压，记录放电电压。
（2）将尖—球极间距调整为2cm，测量其工频击穿电压，记录放电电压。
（3）比较两种情况下的击穿电压值并作简单的分析。
4．沿面放电1）放电模型2）逐渐施加电压观察沿面放电的发展过程。
《气体放电技术》课程大作业
大连理工大学网络教育学院《气体放电技术》大作业学生姓名：奥鹏卡号：学习中心：题目四：介质阻挡放电具有较广泛的前景，根据课程所学，介绍介质阻挡放电技术的重要应用；并选择其中一种应用领域，简述其原理。
一、介质阻挡放电概述介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。
介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为10～10000。
电源频率可从50Hz至1MHz。
电极结构的设计形式多种多样。
在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。
在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。
二、介质阻挡放电的应用虽然介质阻挡放电已被开发和广泛的应用，可对它的理论研究还只是近20年来的事，而且仅限于对微放电或对整个放电过程某个局部进行较为详尽的讨论，并没有一种能够适用于各种情况DBD的理论。
其原因在于各种DBD的工作条件大不相同，且放电过程中既有物理过程，又有化学过程，相互影响，从最终结果很难断定中间发生的具体过程。
由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如OH、O、NO 等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。
因而可利用这些自由基的特性来处理VOCs，在环保方面也有很重要的价值。
DBD等离子体材料表面改性时的作用深度范围从材料表面下几纳米至几百纳米，能在不影响基体性能的前提下改善材料表面的物理化学性能。
同时，该项技术还具有工艺简单、操作简便、环保节能等优点，十分适合大规模连续化工业应用。
气体放电的物理应用及原理
气体放电的物理应用及原理引言气体放电是指在特定条件下，气体中的电荷运动产生明亮或闪烁的电光现象。
气体放电在日常生活和科学研究中有着广泛的应用，从荧光灯到雷电都与气体放电有关。
本文旨在介绍气体放电的物理应用及其原理。
1. 气体放电的基本原理气体放电是通过加电压，使气体中的原子或分子电离并产生自由电子和离子，从而形成电流的一种现象。
气体放电的基本原理可以归结为以下几个步骤： 1. 断电击穿：当瞬时电压超过气体的击穿电压时，气体中的电子会加速到足够高的能量，击穿气体中的原子或分子，并产生电流。
2. 电子冲击电离：被电压击穿的原子或分子会失去电子，形成正离子和自由电子。
这些自由电子会加速并与其他原子或分子碰撞，继续释放电子。
3. 光辐射和电子复合：自由电子和正离子再次相遇时，可能会发生电子和正离子的复合，产生能量并释放出可见光。
2. 气体放电的物理应用气体放电的物理应用非常广泛，包括但不限于以下领域：2.1 照明气体放电在照明方面有着广泛的应用。
最常见的就是荧光灯和气体放电灯。
荧光灯利用气体放电产生的紫外光激发荧光粉发出可见光，实现照明。
气体放电灯则利用气体的放电现象产生光线，如气体放电等离子体灯。
2.2 活动显示屏气体放电技术被广泛应用于活动显示屏的制造中。
例如，等离子体电视和气体放电显示器就是利用放电产生的高亮度和高对比度的特点来显示图像和信息。
2.3 激光气体放电还可以用于激光器的产生。
通过在含有气体的放电腔内施加电场，使气体中的原子或分子被激发并产生受激辐射，从而实现激光的产生。
2.4 粒子加速器气体放电在粒子加速器中也有重要应用。
例如，在带有气体放电管的离子加速器中，气体放电可以产生离子束，用于科学研究、医学和工业应用等领域。
2.5 大气中的气体放电大气中的气体放电也是气象学研究中的一部分。
雷电就是大气中电离气体导电性的结果，它与大气环境和电场强度有关。
总结气体放电是一种重要的物理现象，其原理是通过加电压使气体中的原子或分子电离并形成电流。
气体放电的物理过程2
1.1 气体放电的基本物理过程 本节内容：
1.1.1 带电质点的产生 1.1.2 带电质点的消失 1.1.3 电子崩与汤逊理论 1.1.4 巴申定律与适用范围 1.1.5 不均匀电场中的气体放电
气体放电的基本理论： ●汤逊理论 ●流注理论
常用的高压工程术语及基本概念 什么是气体放电 • 气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称；
∵逸出功＜电离能， ∴同样的光辐射引起的表面电离比引起的空间光电离强烈很
多
（3）强场发射（冷发射、场致发射）
当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出 电子
条件：需要极强的外电场，108V/m数量级
一般的气隙击穿过程中不会出现
对高真空下的气体击穿；或对某些高电强气体在 高压强下的气隙击穿具有重要意义
气体放电的基本物理过程 气体介质的电气强度和沿面放电 固、液体的击穿机理
第一章 气体的绝缘特性与介质的 电气强度
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及其提高方法
本章内容
1.1 气体放电的基本物理过程 1.2 气体介质的电气强度 1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电 习题与思考题
自由行程 ：一个质点在 相邻次碰撞间自由地通过 的距离。
平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。
kT 2 r p
Байду номын сангаас
p：气压
T：气温
k：波尔兹曼常数
r：气体分子半径
T p
常温常压下空气中电子平均自由行程在10-5cm 数量级 。
气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子 发生碰撞时的行程 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越 小。（对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成
气体放电实验报告
气体放电实验报告一、实验目的本实验旨在探究气体放电现象，研究气体放电的基本规律和特性，以及不同条件下气体放电的变化。
二、实验原理气体放电是指在两个电极之间加上足够高的电压时，使其周围的气体分子发生离子化，形成带正负电荷的离子空间，并且在这个空间内发生放电现象。
气体放电可以分为直流放电和交流放电两种类型。
直流放电是指在两个极板之间施加直流高压，使得极板之间产生强烈的静电场，从而使得气体分子发生离子化并形成等离子体。
等离子体中存在着大量的自由带电粒子（如正负离子、自由电子等），它们通过碰撞和复合反应来维持等离子体中能量和带电粒子数目的平衡。
交流放电是指在两个极板之间施加交流高压，使得极板之间产生强烈而快速变化的静电场。
当静电场达到一定程度时，会引起气体分子发生离子化并形成等离子体。
由于交流高压的特殊性质，等离子体中的自由带电粒子会随着电场的变化而快速移动，从而使得等离子体中的能量和带电粒子数目发生快速变化。
三、实验装置本实验使用的气体放电装置主要包括高压发生器、气体放电室、气压计、电流表、电压表和示波器等设备。
四、实验步骤1. 将气体放电室连接到高压发生器上，并设置合适的输出电压和频率。
2. 将气体放电室内充满所需气体，并调节气压计以保持恒定的气压。
3. 通过调节高压发生器输出电压和频率，观察不同条件下气体放电现象的变化。
4. 使用示波器观察不同条件下气体放电产生的波形，并记录相关数据。
五、实验结果与分析在本次实验中，我们观察了不同条件下气体放电现象的变化。
具体来说，我们研究了以下几个方面：1. 不同气体对放电现象的影响：我们使用了不同种类的气体（如氢气、氧气、氮气等）进行了实验，发现不同气体的放电特性存在明显的差异。
例如，氢气放电时产生的电流较小，而氧气放电时产生的电流较大。
2. 不同压力对放电现象的影响：我们调节了不同压力下的放电条件，并观察了其对放电现象的影响。
实验结果表明，在低压条件下，放电容易发生且容易维持；而在高压条件下，放电难以发生且容易熄灭。
3 气体放电的物理过程(1)
2.正流注
当电子崩走完整个间隙后 ，光子的能量才足以引发 二次电子崩时，称为正流 注。 二次电子崩头部的电子注 入入电场区，与残留的空 间正电荷混合，形成等离 子区。 等离子细导电通道，其头 部又是二次电子崩形成的 正电荷，于是产生很强的 局部电场，使电离加剧， 又产生大量光子，诱发新 的二次电子崩。
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 n0e
d
正离子数
n n0 (e
27
原子电离：原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子 脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的 过程称为原子的电离。电离过程所需要的能量 称为电离能Wi（ev），也可用电离电位Ui（v）
质点的平均自由行程 ：一个质点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 。动能的大小除决 定于电场强度外，还和其自由行程有关
Wm 3 2 KT
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离
辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电 刷状放电
2
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
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
1—主电子崩 2—二次电子崩 3—流注 19
第一章 气体放电
一、冲击电压作用下气隙的击穿特性及相关概念
1、放电时间 间隙击穿的必要条件 足够的电压 充分的时间 放电时间tb=t0+ts+tf=t0+tlag tb──放电时间; t0──升压时间,电压从零升高到U0所需的时间; ts──统计时延,从电压升到U0的时刻起到气隙中形成第一个 有效电子的时间; tf──放电形成时延,从形成第一个有效电子的时刻起到气隙 完全被击穿的时间; t1ag──放电时延, t1ag=ts+tf。
δ T0 P 273 20 P P s δ 0.289 δ T P0 273 t 101.33 273 t 0
式中 ——空气的相对密度; p——实际大气条件下的气压，kPa; t——实际大气条件下的温度，℃;
二、湿度对击穿电压的影响 在极不均匀电场中,湿度增大后，气隙击穿电压 随之提高。
2、负棒一正板
极性效应： 在间隙距离相同时 UC(+)＞UC(-) Ub(+)＜Ub(-) 式中 UC——电晕起始电压 Ub——击穿电压
（二）长间隙的击穿（d＞1m时）
1.先导放电阶段 具有热游离过程的通道称为先导通道。 2.主放电阶段
小结： a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放 电和主放电四个阶段。
1.碰撞游离 自由行程:质点两次碰撞之间的距离。 平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。 平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温度 成正比。 2．光游离 各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫外线、 线、X线等才有使气体产生光游离的能力。 由光游离产生的自由电子称为光电子。
3.热游离 热游离是在热状态下产生碰撞游离和光游离的综 合。 4.表面游离 如将金属电极加热，正离子撞击阴极、短波光照射 电极及强电场的作用等，都可以使阴极发射电子。
1 气体放电的基本物理过程
2.1 气体中带电粒子的产生
（五）负离子的形成
附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞 电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子 与中性分子相结合形成负离子的情况。
负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变， 但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起 抑制作用。
2.2 气体中带电粒子的消失
1.1.3 气体的电气强度
➢ 气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力。
➢ 均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强 Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的 电气强度。 ➢ 空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;
➢ 注意：不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比 称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。
3.1.1 非自持放电和自持放电 3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 3.1.3 巴申定律 3.1.4 汤逊理论的适用范围
3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电实验的伏安特性曲线
非自持放 电与自持 放电的分 界点
3.1.1 非自持放电和自持放电
气体放电实验的伏安特性曲线
图表示实验所得平板 电极(均匀电场)气体 中的电流I与所加电 压的关系：即伏安特 性
空气电离度m和温度T的关
2.1 气体中带电粒子的产生
（四）表面电离
❖ 含义：金属阴极表面发射电子的过程。 ❖ 形式：
▪ 热电子发射； ▪ 强场发射； ▪ 正离子碰撞阴极表面； ▪ 光电子发射； ❖ 表面电离系数：γ 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自 由电子数，汤逊第三电离系数。
粒子的自由行程等于或大于某一距离x的概率为：
P(x) ex (1-1)
气体放电及其应用
1952
1959
1965
1985
100年来世界上的输电电压等级提高了100倍
2. 中国电力工业的现状与展望： 发电量：18000-20000亿度/年，人均1400度 装机容量：4亿kW 电压等级： 交流：500kV/ 220kV / 110kV / (66 kV) 35kV 500kV/ / 10kV 直流：±500kV（±600kV） 500kV（ 600kV） 500kV 西北电网：750kV/330kV / 220kV / 110kV / 750kV/330kV 35kV / 10kV
气体放电及其应用
人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿
高压实验室
特高压输电
同 杆 多 回
直流输电
交流紧凑型输电
1.高压输电的发展：
交流输电各电压等级首次出现的时间
电压 /kV 首次 年份
10 50 110 220 287 380 525 735 1150
1890
1907
1912
1926
1936
中国电网示意图
东北与华北电网
华中与南方电网
西北与华东电网
不均匀场的电晕放电
在极不均匀电场中，最大场强比平均场强 高得多，当所加的电压尚不足以导致整个 气隙击穿时，气隙间便已存在各种形式的 预放电现象：电极曲率半径较小处的局部 场强很高，在这种局部强场区中，产生强 烈的电离，形成局部自持放电区，也就是 电晕层。由于这种局部区域之外的场强较 低，从而使得电晕得以稳定存在，这也是 极不均匀场气隙的一大特点。
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气体放电理论分析就引用
1、引言：
气体中流通电流的各种形式统称气体放电，处于正常状态并隔绝各种外电离因素的气体是完全不导电的，但空气中总会有来自空间的各种辐射，总会有少量带电质点，一般情况下每立方厘米空气中有约500-1000对离子。
气体放电等离子体作为物质的第四态，其物性及规律与固态、液态、气态的各不相同。
气态放电等离子体是由电子、各种离子、原子组成的，远比气体、液体、固体复杂，其中发生着大量各不相同的基本过程。
气体放电时等离子体物理的一个重要组成部分，气体放电现象时通过气体以后由电离了的气体表现出来的。
研究气体放电的目的是要了解这种电离了的气体在各种条件下的宏观现象及其性质，同时研究其中所发生的的微观过程，并进一步把这两者联系起来，由表及里地掌握气体放电的机理。
由此可见气体放电现象的主要任务是研究各种气体放电现象的物理过程及其内在规律。
在自然界和人们的日常生活中经常会碰到气体放电现象，犹如大气的电离层、太阳风、日冕和闪电等都是自然界的气体放电现象。
现在对气体放电的类型进行分类阐述并对其应用前景进行研究探讨。
2、气体放电的分类
在不同的物理条件下，由于占主导地位的基本物理过程不同，会产生各种不同形式的气体放电现象。
按维持放电是否必须有外界电离源把放电分为非自持放电和自持放电；按放电参量是否随时间变化分为稳态放电和非稳态放电；可根据阴极的工作方式分为冷阴极放电和热阴极放电；可按工作气压的高低分为低气压放电、高气压放电和超高压放电；根据以哪一种基本过程占优势以及电子离子在放电过程中运动的特点为依据可以分为：
辉光放电：辉光放电充满整过电极空间，电流密度较小，一般为1mA/cm2 -5mA/cm2,整个空隙仍呈上升的伏安特性，处于绝缘状态。
电晕放电：高场强度电极附近出现发光的薄层，电流值也不大，整个空隙仍处于绝缘状态。
刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断续放电通道，电流增大，但此时间隙仍未被击穿。
火花放电：贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，间隙由一次次火花放电间歇地被击穿。
气体放电过程描述框图：
图1气体放电过程描述框图
3、汤生放电理论
气体放电过程应包括：启始放电和稳定放电。
气体放电是如何形成的呢？英国物理学家汤生在1910年第一个提出了“雪崩”气体放电理论，适用范围是非自持暗放电区及过渡区；1931~1932年，罗果夫斯基在考虑了空间电荷使放电间隙中电场发生畸变，对汤生理论做了重要补充，使适用范围扩展到了自持暗放电和辉光放电区。
所以人们通常把电子雪崩放电理论称为汤生--罗果夫斯基理论。
在1901~1903年，汤生在斯托列托夫实验基础上，完成了著名的汤生实验。
实验装置如图2。
是由一个大直径放电室中的可调节极间距的平行平板电极系统组成。
阳极板A为一块镀有导电膜的石英圆平板，即可以透射紫外光，有可以作为放电电极；阴极C为放电间隔可调节的金属圆平板，A、C组成了放电系统，放电间隔d可调节范围5~20mm。
紫外光可以通过石英窗片P、A照射到阴极C 上，使阴极C表面发射电子。
气体压强P=13~665Pa，电源电压VD=0~400V。
4 、气体放电现象的应用
（1）辉光放电的应用
辉光放电各区域中最早被利用的是正柱区。
正柱区的发光和长度可无限延伸的性质被利用于制作霓虹灯。
作为指示用的氖管、数字显示管，以及一些保护用的放电管，也是利用辉光放电。
在气体激光器中，毛细管放电的正柱区是获得激光的基本条件。
近代微电子技术中的等离子体涂覆、等离子体刻蚀，也是利用辉光放电过程。
从正柱区的研究发展起来的等离子体物理，对核聚变、等离子体推进、电磁流体发电等尖端科学技术有重要意义。
辉光放电中的负辉区，由于电子能量分布比正柱区的为宽，近年来被成功地用于制作白光激光器。
利用辉光放电原理工作的辉光放电质谱仪，它具有灵敏度高、检测限低、干扰较小的优点，在分析固体样品中比电感耦合等离子体质谱仪更有优势和潜力。
专家们认为，辉光质谱仪的潜力仍未得到开发，但已经在电子学、冶金、航空航天、化学、材料、地质等领域得到广泛的应用，在金属和半导体的分析中显示出它的优越性。
对绝缘体、粉沫、液体、有机物和生物样品的分析应用也正在积极
进行研究和完善，未来的辉光质谱仪势必在元素分析领域占据举足轻重的位置。
（2）电弧放电的应用
电弧是一束高温电离气体，在外力作用下，如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。
电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。
在电力系统中，开关分断电路时会出现电弧放电。
由于电弧弧柱的电位梯度小，如大气中几百安以上电弧电位梯度只有15伏/厘米左右。
在大气中开关分断100千伏5安电路时，电弧长度超过7米。
电流再大，电弧长度可达30米。
因此要求高压开关能够迅速地在很小的封闭容器内使电弧熄灭，为此，专门设计出各种各样的灭弧室。
灭弧室的基本类型有：①采用六氟化硫、真空和油等介质；
②采用气吹、磁吹等方式快速从电弧中导出能量；③迅速拉长电弧等。
直流电弧要比交流电弧难以熄灭。
碳极电弧是最早的强光光源。
各种高气压放电灯如高气压汞灯、氙灯、钠灯，是在管泡内进行电弧放电的光源。
电弧焊接、电弧切割在工业上有广泛应用；电弧的高温可作为电炉的热源。
（3）电晕放电的应用
了解了电晕放电的原理和机制以后，我们很容易看出在我们的日常生活中很多时候都是要消除电晕放电的。
电晕放电通常会给我们的生活和生产带来不必要的困难，在我们对它有了正确的认识之后，我们就得想方设法去解决它所带来的难题。
目前人们已经找到合适的方法消除电晕放电带来的负面因素。
虽然电晕放电给人们的生产、生活带来一些不便，但是我们却也不能全盘否定它。
在日常生活中，电晕放电还是有其广泛的用途的。
电晕放电日益广泛应用
于静电除尘器和预荷电器的同时,也有很多新的应用,例如,杀菌、在化工中的应用、物质分离和臭氧的制备等。
为了增加电晕放电在应用中的效率,就必须增加电晕放电电流。
近年来,一些研究者采用了磁场增强电晕技术来增加放电电流,并对其中的一些现象进行了研究,指出磁场对电晕放电的影响主要是拉莫运动,也报道了磁场对光电离的影响,同时也影响碰撞、附着以及电子雪崩的发展等。
这些都充分体现了电晕放电的应用。
（4）火花放电的应用
火花放电使电极材料受到严重的烧蚀，利用这一现象制成的电火花加工设备，能对金属进行切割、抛光等加工。
火花放电时，不仅击穿气体，还能击穿其通路上的薄片绝缘材料，电火花打孔的加工技术就是利用这一现象的。
依据火花放电现象制成的触发管和火花放电器，常用于脉冲调制电路中。
在当前的科学领域，科学家们已经利用火花放电产生的紫外线进行实验，验证紫外线具有荧光效应、化学作用、消毒灭菌作用。
众所周知，紫外线是波长约为5 nm～370 nm的一种射线。
一切高温物体如太阳、弧光灯发出的光中都含有紫外线。
利用气体放电、火花放电也可以产生较强紫外线。
经过研究发现，利用电子感应圈电极之间的火花放电产生的紫外线，以及臭氧可以进行消毒灭菌实验。
5 、结论
气体放电现象在日常生活中很普遍也很常见，如闪电，照明灯等。
辉光质谱仪已经在诸多领域中取得广泛的应用，但专家认为，其潜力仍未得到开发，假以时日，辉光质谱仪势必在元素分析领域占据举足轻重的位置。
高密度的电离气体通过大电流时，气体可以被加热到几万K，气体加热器就是利用这种热效应产生高温气体。
利用电晕放电可以制造电除尖器，还可以产生臭氧(O3)净化水源，这
成为改善环境的重要技术手段之一。