气体放电过程分析
气体放电过程
气体放电过程的分析干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
暗放电暗放电主要是非自持放电（但自持放电的某些区域中有暗放电存在）。
关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的，故这种放电也称为汤生放电。
汤生理论的物理描述是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。
新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离,电子数目便雪崩式地增长。
这称为电子繁流（图2）。
气体放电汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目n u为式中n0为阴极发射的电子数；d为阴极阳极间距离；α为汤生第一电离系数。
上式表明,电子数目随距离d指数增长。
在一些光电器件中，特意充入一些惰性气体，使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流，以得到光电流的放大，提高器件的灵敏度。
放电中产生的正离子最后都抵达阴极。
正离子轰击阴极表面时，使阴极产生电子发射；这种离子轰击产生的次级电子发射，称为r过程。
r过程使放电出现新的特点,这就是：r过程产生的次级电子也能参加繁流。
如果同一时间内，由于r过程产生的电子数,恰好等于飞抵阳极的电子数，放电就能自行维持而不依赖于外界电离源，这时就转化为自持放电。
辉光放电低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。
若电极是安装在玻璃管内，在气体压力约为 100帕且所加电压适中时，放电就呈现出明暗相间的 8个区域（图4）。
图中下方的曲线表示光强的分布，按从阴极到阳极的顺序分为7个区。
气体放电研究报告
气体放电研究报告气体放电是一种重要的物理现象，其涉及强电场和气体分子之间的相互作用。
该现象在各种应用中都有广泛的应用，例如照明技术、等离子体技术和放电加工技术等。
因此，研究气体放电对于促进技术发展和实现可持续发展至关重要。
一、气体放电的特征气体放电的主要特征是在气体中形成等离子体。
等离子体是由电离的气体分子和自由电子组成的电中性体系，其特点是具有一定的导电性、化学性和热力学性质。
气体放电的形成过程主要涉及两个方面的过程：电离过程和电子复合过程。
电离过程是指在气体中形成自由电子和离子的过程，它是由电子与分子碰撞而发生的，根据电子吸收的能量不同，电离过程可分为光电离、冷电离和热电离。
电子复合过程是指由自由电子与离子结合的过程，该过程主要是放出光子的过程，这些光子在多数情况下被称为谱线光子。
二、气体放电在光源技术中的应用气体放电在光源技术中有着广泛的应用，例如氙气闪光灯、气体放电管和化学激光器等。
其中，氙气闪光灯是由气体放电产生的一种宽谱辐射源，其光谱范围广，峰值波长集中在253.7nm和184.9nm，具有高辐射强度和发光稳定性的特点。
气体放电管也是由气体放电产生的一种离子化器，它能够将弱信号放大，常用于放大器和谐振器的制备中。
此外，化学激光器则是利用气体放电激发电离的稀有气体，通过不同能量的激活，使气体分子的能级发生变化，从而产生激光。
三、气体放电在等离子体技术中的应用气体放电在等离子体技术中有着广泛的应用，例如等离子体喷雾、等离子体退火和等离子体刻蚀等。
其中，等离子体喷雾是一种将样品溶液产生微细颗粒的技术，其原理是将极化剂和离子源放在气体放电的电子束中，由于强电场和离子与离子之间的碰撞，样品分子被分解成离子和原子，从而形成微细颗粒。
等离子体退火则是将所需材料放在气体放电中，用等离子体的高温等性质退火材料，从而形成装置所需形状的材料。
等离子体刻蚀是将所需材料放在气体放电中，用等离子体的碰撞和物理性质进行刻蚀，从而形成所需的形状和尺寸。
气体放电实验报告
气体放电实验报告
实验目的：
通过气体放电实验，观察气体放电的现象，了解不同气体放电的特点，探究气体放电的原理。
实验步骤：
1. 准备实验仪器：气体放电装置、气体灯管、电源、电压表、电流表等。
2. 按照实验要求选择不同气体灯管，如氢气灯管、氧气灯管、氮气灯管等。
3. 将气体灯管连接到气体放电装置上，接通电源。
4. 调节电源电压和电流，观察气体灯管的放电现象，记录电压和电流值。
5. 重复以上步骤，对不同气体灯管进行实验，比较不同气体放电的特点和现象。
实验结果：
实验结果表明，不同气体放电的特点和现象不同。
在氧气灯管中，放电时会发出红色光芒，氢气灯管中，放电时会发出紫色光芒，氮
气灯管中，放电时会发出紫色光芒和白色光芒。
而且，不同气体的放电电压和电流值也不同。
实验分析：
气体放电现象是气体在电场作用下发生电离，形成等离子体的过程。
当电场强度达到一定值时，气体中的原子或分子会失去或获得电子，形成正负离子对。
这些离子会在电场作用下不断加速，撞击其他原子或分子，继续发生电离，最终形成等离子体。
等离子体的存在使气体灯管中的气体发出了不同的光芒。
不同气体的放电特点和现象与其分子结构和性质有关。
例如，氢气分子中只有一个电子，容易发生电离；氧气分子中的氧原子具有两个未成对电子，易于发生电子跃迁，因此放电时发出红色光芒；氮气分子中的氮原子具有五个未成对电子，放电时发出紫色光芒和白色光芒。
实验结论：
通过气体放电实验，我们了解了气体放电的现象和原理，探究了不同气体放电的特点和现象。
这对我们深入理解等离子体物理学、电子学等领域有着重要的意义。
UNSUENO气体放电过程分析
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰 撞电离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数 说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
• •
•
• •
2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 火花放电 电弧放电 见下图 放电外形示意图
辉光放电
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生
电流又再随电压的增 大而增大.说明出现的新 的电离因素—电子的碰撞 电离.
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电) c点:电流急剧突增 电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
均匀电场中气体的 伏安特性
气体放电管发光原理
气体放电管发光原理引言：气体放电管是一种利用气体放电产生发光现象的器件，广泛应用于照明、显示和通信领域。
本文将介绍气体放电管的发光原理，包括气体放电产生的基本过程、发光机制以及不同气体放电管的特点和应用。
一、气体放电的基本过程气体放电是指在气体中加入适当的电压，使气体分子或原子发生电离的现象。
当气体放电管两端加上足够的电压时，气体中的分子或原子会被电离，形成正、负离子和自由电子。
这些带电粒子在电场的作用下加速运动，与气体分子或原子碰撞，产生光辐射。
二、气体放电管的发光机制气体放电管的发光机制主要有激发辐射和电子碰撞两种方式。
1. 激发辐射激发辐射是指激发态分子或原子由高能级向低能级跃迁时释放出的能量以光的形式辐射出来。
气体放电管中的气体分子或原子在电场作用下被激发到高能级，当其回到基态时会以光的形式发射出能量。
不同气体的电离能级、激发态能级和跃迁过程不同，因此发射的光谱特性也不同。
2. 电子碰撞电子碰撞是指带电粒子与气体分子或原子碰撞时，能量转移导致发光现象。
带电粒子在碰撞过程中将能量传递给气体分子或原子，使其处于激发态。
随后，激发态分子或原子回到基态时会释放出能量，并以光的形式发射出来。
电子碰撞发光机制主要适用于稀有气体放电管，如氖灯和氩氖混合气体放电管。
三、不同气体放电管的特点和应用不同气体放电管的发光特性和应用各有不同，下面介绍几种常见的气体放电管。
1. 氖灯氖灯是一种利用氖气放电产生红光的气体放电管。
氖灯的发光机制主要是电子碰撞。
氖气分子在电场作用下被激发到亚稳态，然后通过碰撞转移到基态，释放出红光。
氖灯具有高亮度、长寿命和稳定性好的特点，广泛应用于广告招牌、指示灯和装饰照明等领域。
2. 汞灯汞灯是一种利用汞蒸汽放电产生紫外线的气体放电管。
汞蒸汽在电场作用下发生电离和激发，产生紫外线辐射。
紫外线经过荧光粉的转换，产生可见光。
汞灯具有高亮度、高效率和长寿命的特点，被广泛应用于照明、显微镜和光刻等领域。
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
2015 hyx-第1章 气体放电过程的分析-1.1~1.2
na n0ed /(1 (ed 1)) I a I 0ed /(1 (ed 1)) I a I 0ed /(1 ed )
高电压工程
pd 值较小的情况（汤森理论） 汤逊自持放电判据
1
(e 1) 1
d
e 1
d
d ln
二次电子来源：正离子轰击阴极
3 W kT 2
波尔茨曼常数 1.38×10-23J/K 热力学温度
如，空气的电离能为13.6eV，那么常温300K下， W=1.5*1.38*10-23*300=3.88*10-2eV<< 13.6eV
可见，常温不足以引起空气电离，但电弧中气体温度达数千度 以上，这时动能足够引起碰撞电离。
高电压工程 （4）分级电离
电负性值
4.0 3.0 2.8 2.5
负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起 抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属 强电负性气体，因而具有很高的电气强度。
高电压工程
带电质点的消失 带电质点会产生，也会消失。
（1）带电质点受电场力的作用流入电极 带电质点与气体分子碰撞后会发生散射，但从宏观上 看是向电极上做宏观运动，在E的作用下，其平均速度达 到某一稳定值。其平均速度为带电质点的驱引速度v=bE， b为迁移率。 电子的迁移率比离子的迁移率大两个数量级，同一种 气体的正负离子迁移率相差不大。 标准参考大气条件下，干燥空气中正负离子的迁移率 分别为1.36和1.87cn*s-1/V*cm-1。
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。 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离，此 时需要能量Wi-We。 亚稳态寿命，通常10-8s，少量10-4-10-5s。
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。
气体放电过程的分析
气体放电过程的分析摘要:气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘介质。
对气体放电过程进行分析，研究气体电介质的绝缘特性具有十分重要的意义。
而气体放电又受气体间隙、环境电场影响，其过程的分析需要各种理论的支持。
关键字：气体放电、带电质点、气体间隙、电子崩、汤逊理论、流注理论K一、气体中带电质点的产生与消失1．气体中带电质点的产生气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，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。
气体导电的原因：气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从而形成气体电介质的电导层。
气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子本身发生游离（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。
2．气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质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。
1）带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向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，在一定的电场强度下，其平均速度将达到某个稳定值。
这一平均速度称为带电质点的驱引速度。
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。
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程度。
电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散快得多。
知识资料气体放电的基本物理过程(一)及气体间隙的放电(一)(新版)
第5篇 高电压与绝缘技术第35章 气体放电的基本物理过程35.1 气体中带电质点的产生与出现35.1.1 气体的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，它是气体放电的首要前提。
其所需要的能量成为电离能。
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需的能量称为鼓励能，原子处于鼓励态e W 电离电位为i U ，C e 19106.1-⨯=；鼓励态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子的频率v h 普朗克常数ii eU hvW == 电离过程的表示：e A E A +→++为波尔茨曼常数k K J k W kT i /1038.12323-⨯=≥（热电离） 是普朗克常数光辐射波频率h v W hv i ,≥ （光辐射电离）度是碰撞质点的质量、速、v m W mv i ≥221（碰撞电离） 走过的距离为电子或离子在碰撞前x W eEx i ≥常温下的放电过程，碰撞电离是最重要的电离方式35.1.2 气体的分级电离气体的原子或分子在鼓励态（鼓励能为e W ）再获得能量而发生电离称为分级电离，这种情况下电离所需的能量仅为e i W W - 亚稳原子有很长的平均寿命（10-3 秒或更长）。
在混合气体中,当一种气体的亚稳原子同另一种气体的原子或分子碰撞时，即使它们的动能较低，只要前者的激发能大于后者的电离能，后者将被电离，前者则返回基态。
多余的能量就改变为电子的动能，或使离子激发。
这种过程,称彭宁电离,或称彭宁效应。
因为惰性气体的亚稳原子有较大的激发能，在含有惰性气体的混合气体放电中，彭宁电离比较有效。
彭宁效应还可以使放电管的点火电压降低。
从绝缘角度看，彭宁效应不利35.1.3 电极表面的电子逸出逸出功：金属的微观结构、金属表面状态（小于电离能）：①热电子发射②二次发射③强场发射④光电子发射35.1.4 带电质点的蔓延和复合带电粒子的蔓延带电粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域。
第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
-
5
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
反映了带电质点自由运动的能力
-
6
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
-
61
1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
-
62
1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
-
32
1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
-
33
1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
-
34
1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
-
69
1.5.1 电晕放电
2.气体放电的物理过程
dn n
dx
n n0e
自由行程分布
自由行程大于xi的概率为 电离碰撞次数
e
xi /
1
e
xi /
32
Eqx Wi
气体温度不变时，1/ ＝AP
xi W i qE
或 Ex Ui
1
e
1
e
APe
Wi AP qE
Wi 1 qE AP
h ≥ Wi hc ≤ Wi
光辐射能够引起 光电离的临界波长
可见光（400～750nm）不能 使气体直接发生光电离
光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线 异号粒子复合也产生光子
3.热电离：气体的热状态引起的电离，实质仍是碰撞 电离和光电离，能量来自气体分子的热能。 气体分子的平均动能和气体温度的关系为
是气体中产生带电粒子 的最重要的形式
条件：⑴
撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
⑵ 一定的相互作用的时间和条件，通过复杂 的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 主要的碰撞电离由电子完成 电子引起碰撞电离的条件：
Wi qE ≥ Wi ≥ i qE
即电子为了造成碰撞电离 而必须飞越的最小距离
24
气体放电的主要形式
4. 火花放电
当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续 的明亮细火花。（大气条件下） 特点：具有细的通道形式，并且放电过程不稳定
25
2.2.2 汤逊放电理论-低气压短间隙均匀电场
一 、 电 子 崩 的 形 成
崩尾
崩头大、崩尾小
气体放电分析
气体放电过程分析摘要：在电力系统和电气设备中，气体常作为绝缘介质。
气体作为绝缘介质有着诸多优点，如空气的廉价和广泛性，SF6气体的电气好强度行等，因此在电力系统中内广泛应用。
至于放电过程，在不均匀电场中，气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。
长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。
间隙越长，先导过程就发展得越充分。
间隙越长，先到过程就发展的越充分。
气体放电受诸多因素的影响，主要表现为电场形式、电压波形、气体的性质和状态等。
In power system and electric equipment, gas often as insulating medium。
Gas has many merits as insulating medium, such as air of cheap and universality, SF6 gas electrical good strength line, so in the power system widely in the application。
In uneven electric, air gap is lesser, discharge gap can be roughly divided into electronic fracture, lingers and main discharge stage. Long clearance discharge is can be divided into electronic fracture, lingers, pilot and main discharge stage。
Clearance is longer, the first to process development is more sufficient。
Gas discharge under the influence of various factors, main performance for electric form, voltage waveform, the properties of the gas and state, etc。
气体放电过程分析
气体放电过程分析报告一、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。
二、气体放电过程分析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。
汤逊理论通过引入“电子崩”的概念，较好地解释了均匀电场中低气压短间隙的气体放电过程，通过这个理论可以推导出有关均匀电场中气隙的击穿电压及其影响因素的一些实用性结论。
气体放电过程的分析1
气体放电过程的分析气体放电是人们在自然界和日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，他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。
气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘物质，对气体绝缘特性的研究对气体放电十分重要。
而气体放电又受气体间隙、环境电场的影响，其过程的分析需要多种理论的支持，如汤逊理论和流注理论等。
1.1气体中带电质点的产生先介绍气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此介电常数都接近于1,。
纯净的、中性状态下的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点像电子、正离子、负离子以后，才能导电，并在电场作用下发展成各种形式的气体放电现象。
气体中带电质点的产生有两个途径：一是气体本身发生游离；二是气体中的金属电极表面发生游离。
而带电质点有以下形式的游离形成：（1）碰撞游离在电场作用下，电子被加速获得动能。
如果其动能大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞时，就能使气体质点产生游离分裂成正离子和电子，这就是碰撞游离。
（2）光游离电磁射线的能量hV等于或大于气体质点游离能时所引起的游离过程叫做光游离。
（3）热游离因气体分子热运动状态引起的游离称为热游离，其实质仍是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同。
（4）表面游离放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现象称为表面游离。
金属表面游离是所需能量可以从以下途径获得。
（1）正离子碰撞阴极正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将能量传递给电子而使金属表面逸出两个电子，其中一个与正离子结合而合成中性质点，另一个才可能成为自由电子。
（2）光电效应金属表面受到光的照射，也能产生表面游离。
（3）强场发射在阴极附近加上很强的外电场，其电场强度达1000000V/cm,将电子从阴极表面拉出来，称为强场发射或冷发射。
（4）热电子发射将金属电极加热到很高的温度，可以使其中电子获得很大能量，逸出金属在电子、离子器件中常利用热电子发射作为电子来源，在强场领域，对某些电弧放电的过程有重要作用。
气体放电的基本物理过程
气体放电的基本物理过程气体放电是指在气体中一些条件下产生的电流和光辐射现象。
它是由于电流穿过气体时，气体分子与电子碰撞而产生的。
1.电离阶段：当气体中存在电场时，电场的作用下，电子受到电场力的作用而受激，能量增加，然后具有足够的能量与气体分子发生碰撞。
这些高能电子与气体分子碰撞后会将气体分子中的电子击出，产生自由电子和正离子。
这个过程称为电离。
2.生长阶段：在电离阶段后，自由电子会与气体分子重新碰撞形成新的电子和正离子。
这个过程称为复合。
而新产生的电子又与其他气体分子发生碰撞，形成更多的正离子和自由电子。
这种电子的产生和复合的过程不断重复，直到达到一个动态平衡，产生了足够的自由电子和离子。
3.暴击阶段：当电子和正离子的数量进一步增加时，电子会与正离子再次碰撞，使其能量增加。
而当电子进一步与气体分子发生碰撞时，能量超过分子的离解能，就会导致气体分子的电离和激发，产生更多的自由电子和离子。
这个过程会导致电流和电压的增加。
4.衰减阶段：当电压继续升高时，电离和激发的过程会不断增强，导致放电区域中电子和气体分子的密度变得非常高。
这会使得电子和离子发生更多的碰撞，将能量转移给气体分子并使其激发或电离。
然而，当电子和正离子的能量损失超过其再激发或电离的能量时，放电区域中电子和离子的数量会逐渐减少，最终放电将停止。
这个过程称为电流的衰减。
总体来说，气体放电的基本物理过程是通过电场的作用将气体分子电离，产生自由电子和正离子。
这些电子和离子通过与气体分子的碰撞产生更多的电离和激发，导致电流和电压的增加。
最终放电区域中电子和离子的能量损失超过再激发或电离的能量，导致电流的衰减。
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。
高电压课件 第二章 气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程2-1 气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在气体中出现了带电质点（电子、离子等）以后，才可能导电，并在电场的作用下，发展成各种形式的气体放电现象。
气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生；二是气体中的固体或液体金属表面发生电离。
下面讨论各种形式的电离：1．撞击电离撞击电离乃是两个质点在接近时通过复杂的电磁力相互作用，达到两者之间发生能量转换的结果，这就需要一定的相互作用的时间和条件。
一般来说，撞击体的动能愈大，造成电离的概率也愈大，但超过一定速度的电子，其速度进一步增大时，其撞击电离的概率反而逐渐减小，这是因为当相对速度很大时，相撞击的两个质点相互作用的延续时间很短，可能来不及完成能量转换的缘故。
当不存在电场时，质点的动能只能是该质点的热运动所固有的动能，只有当气体的温度升高到足够高，使部分气体质点热运动的动能超过该气体质点的电离能时，才能发生电离。
当存在电场时，带电质点受电场力的作用，在电场方向得到加速，积聚动能，但如果中途遇到别的质点碰撞，就会失去已积聚的动能。
正、负离子的体积比电子大得多，它们的运动和碰撞并不能造成电离；而电子与别的质点相邻两次碰撞之间的平均自由程比离子大得多，在电场的作用下，积聚足够的动能后再与其他质点碰撞的概率比离子大得多。
所以，在电场中，造成撞击电离的主要因素是电子。
2．光电离辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能量与光的波长有关，波长越短，能量越大。
例宇宙线，γ线，x线，短波长紫外线具有较强的电离能量。
由光电离产生的电子称为光电子。
光电离在气体放电中起着很重要的作用。
3．热电离由气体的热状态造成的电离称为热电离。
热电离实质上是由热状态产生的撞击电离和光电离的综合。
一般气体开始有较明显热电离的启示温度为103K数量级。
在电力系统中，热电离的典型例子是电弧。
4．表面电离①逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的电离,称为光电离.
光波的能量W决定于其频率f: W = hf = hc/λ
其中,h为普朗克常数,f c λ分别为光波频率,光速,波长. 产生光游离的条件：
hf Wi
即当气体分子受到光辐射时,若光子能量大于气体 分子电离能,则可能引起气体分子的光电离. 书P10 表1-2 气体的电离电位及光电离临界波长
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电) c点:电流急剧突增
均匀电场中气体的 伏安特性
电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
(1).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止 (2).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能自行维持 下去 (3).电子崩 在电场作用下,电子从阴极向阳极推进而形成的 一群电子.将因碰撞电离使自由电子不断增加的现象 称为电子崩(下图).
结论:
(1)电子崩头部电荷密度大,电离过程强烈,且电 场分布畸变,导致崩头放射大量光子; (2)崩头前后电场增强,有利于分子离子发生激励 现象,其从激励状态恢复正常状态时,放射出光 子; (3)电子崩内部正负电荷区域间电场削弱,有利于 发生复合过程,同样发射出光子. 当外电场较弱时,上述过程不强烈,没有发 生新的现象;当外电场达到击穿场强时,上述过 程十分强烈,电子崩头部形成流注.
第1章 气体放电过程 的分析
第1章 气体放电过程的分析
1.1 带电质点与气体放电 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 和巴申定律 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论 1.4 高气压下不均匀电场气体击穿的发展过 程
1.1 带电质点与气体放电
1.1.1气体放电的主要形式 辉光放电 、电晕放电 、刷状放电 、火花放电 、 电弧放电 1.1.2 带电质点的产生 •电极空间带电质点的产生 •电极表面带电质点的产生 1.1.3 带电质点的消失 •带电质点受电场力的作用流入电极 •带电质点的扩散 •带电质点的复合
1.1.3 带电质点的消失(去游离)
a.流入电极 带电质点受电场力的作用下,流入电极 迁移率:单位场强下的运动速度 电子迁移率远远大于离子迁移率 同一种气体的正负离子迁移率相差不大 b.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动,从而使 带电质点在空间各处的浓度均匀. 电子质量远小于离子,电子的扩散过程强. c.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子. 质点间相对速度大,复合率就小 电子速度比离子大,正离子与电子复合率小,正负离子复 合率大. d.附着效应 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子. 离子的电离能力差,因此气体放电过程中负离子的形成起着 阻碍放电作用.
巴申定律与汤逊理论的关系
前者为后者提供实验结果支持;后者为前者提供理论依据.
pd过大和过小时,放电机理发生变化,汤逊理论不 再适用.
1.3 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论
1.3.1 1.3畸变 流注的形成 均匀电场中的自持放电条件 流注理论对放电现象的解释
( P11 表1-3 金属及金属微观结构氧化物的逸出功). 金属表面逸出功比气体电离能小很多, 在气体放电中,电 极表面电离很重要.
金属表面电离
正离子碰撞阴极: 正离子能量传递给阴极, ≥2 金属表面逸出功时发生电离 光电效应: 金属表面受到光照时,光子能量>金属 表面逸出功时,可造成电离 热电子放射: 加热阴极,使电子获取足够动能,克 服金属表面逸出功 强场放射: 在阴极附近施加强电场可使阴极释放 电子.
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰 撞电离数 b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数 说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
自持放电的物理概念: 一个电子在自己进入 阳极后,可以由α和γ过 程在阴极上产生一个新的 替身,从而无需外电离因 素,放电可继续. 自持放电条件可表达为:
(e 1) 1
综上所述，将电子崩和阴极上的r过程作为气体自持放 电的决定因素是汤逊理论的基础。
S
汤逊理论的实质：
气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放 电的主要原因(电子崩) 二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出 电子，逸出电子是维持气体放电的必要条 件。 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是 自持放电的判据。
Wi
3 KT Wi 2
：气体分子的电离能
常温下(T=300K),不足以引起空气的热电离;当发生电 弧放电时,气体温度达到输千度以上,可以导致碰撞电离.
金属表面电离
电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为表面游离 使阴极释放电子需要的能量: 逸出功
逸出功与金属的和表面状态有关, 与金属温度无关
因此,在大量实验研究的基础上,提出流注放电理论.
1.3.1 空间电荷对电场的畸变
a图:电子崩发展过程中,电子 移动速度快,正离子相对于电 子可看成静止的,崩头集中电 子,后部为正离子;由于电子的 扩散作用,电子崩横向半径逐 渐扩大----形成半球头的锥体. b图:电子崩过程中,电子数 N 呈指数增加.电子崩的电离过 程集中在头部,空间电荷分布 极不均匀. c图:当电子崩发展到一定程度, 其形成的空间电荷的电场大大 增强. d图:崩头和崩尾的电场增强, 电子崩内正负电荷区域间电场 削弱,合成电场发生明显的畸 变.
Wi
1 2 m Wi 2
：气体原子（或分子）的电离能
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都 引起电离-----引入”自由行程”概念:
* 自由行程定义:一个质点在每两次碰撞间自由通过的距离. * 平均自由行程λ:众多质点自由行程的平均值
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
电子崩的发展过程称为α过程. α称为碰 撞电离系数,定义为一个电子沿电场方向行 经1cm长度,平均发生的碰撞电离次数.若每 次碰撞电离仅产生一个新电子,则α表示在 单位行程内新电离出的电子数. 利用实验测量不同极间距离d与外回路电流 I关系,可以计算α (P14 公式1-9). 标准参考大气条件下空气的α系数与电场 强度E的关系 (P15 图1-6)
不同气体,巴 申曲线上的最低击 穿电压和此时的pd 值各不相同.如空 气的击穿电压极小 值出现在低气压下, 即空气相对密度较 小的情况 下,Ub.min=325V pd=0.55cm.mmHg.
对上图的分析:
击穿电压极小值的右侧: pd增大:(1)极间距离增加,电压不变时,间隙中场强 下降,电离减弱;(2)气压变大,电子自由行程缩短,电子不 易积累能量,电离减弱.由此,所需击穿电压变大 击穿电压极小值的左侧: pd下降:主要是p下降引起,电子自由行程大,积累能量 大,但是空气密度低,气体分子数量太少,碰撞次数少,因此 电离减弱. 结论:高气压和高真空都可以提高击穿电压.
输电线路以气 体作为绝缘材料
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
•
•
•
• •
2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 火花放电 电弧放电 见下图 放电外形示意图
辉光放电
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生 (1) 激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态 (2)电离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离 原子核的束博而形成自由电子和正离子 (3)电离的方式 a.碰撞电离 b.光电离 电极空间带电质点的产生 c.热电离 d.金属表面电离: 电极表面带电质点的产生
α过程:电极空间的电子引起的碰撞电离
二次过程: β过程:正离子从电场获得动能,引起的碰撞电离过程.因
为离子平均自由行程小,获取的动能少;离子质量大,速度 慢,弹性碰撞时易损失动能.因此,由正离子产生的电极空 间碰撞电离作用小,可以忽略不计.
γ过程:在阴极表面发生的,克服金属表面逸出功后形成的
电离. (1)正离子碰撞阴极表面而释放电子(主要); (2)正负离子复合产生的光子在阴极表面引起的电离. γ系数:折算到每个碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的 自由电子数.该系数同样可以通过I与电极间距离d的实验 曲线,计算后获取(书P16 公式1-17)
因为大气层的阻挡,阳光到达地面的波长λ ≥290nm, 因 此,普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离.
热游离
气体在热状态下引起的电离过程称为热电离
热电离本质:高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离, 只不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能.
气体分子平均动能W与分子温度T的关系: W = 3KT/2 其中, K:波茨曼常数, T:绝对温度 产生热游离的条件：
1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论
在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象
a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍 b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大 气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.
c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地 发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道
1.1 带电质点与气体放电
1.1.1 气体放电的主要形式 1.空气在强电场下放电特性 * 气体放电: 气体中流通电流的各种形式统称气体放电. * 气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体 积内仅含几千个带电粒子, * 但在高电压下,气体从少量电荷会突然产生大量的电荷, 从而失去绝缘能力而发生放电现象. * 空气间隙由绝缘状态突变为导体状态的变化,称为击穿. 一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态