第二章 气体放电的物理过程
高电压技术第二章-气体放电
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
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。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
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、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
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
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、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
Ub
f
2
pS T
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
20
3、带电质点的复合
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
在带电质点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
气体放电的物理过程
一、极不均匀 电场中的放电 过程（短间隙）
”
0 1 非自持放电阶段
0 2
当棒具有正极性时
棒极附近电场强度大，产生电子崩，崩头的电子进入棒极，崩尾的正空间电荷积聚在棒的前方，由 于正电荷的作用，减少了紧贴棒极附近的电场，而加强了前方的电场。造成棒极附近难以造成流注， 使得自持放电、即电晕放电难以形成；而前方却容易产生新的电子崩。
上述过程持续进行，移促进等离子通道 进一步发展，逐渐向板极推进
流注发展阶段
棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空间 电荷，由于此处的电场强度大，等离子体形成困难，电子跑 出正电荷区，消失在间隙中。 （曲线2） 升高电压待前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电荷密 度增大，棒极附近的强电场区产生的大量电子，与其混合， 混合密度越大，导电性越好，电场下降，达到一定程度时， 等离子体形成（曲线3） ，相当于棒极板极推进。
当棒具有负极性时
当等离子通道向板极推进时（不论正负，只是正极推进容 易，负极推进困难），由于通道的电压降，前方的电场越 来越弱，深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕 放电或刷状放电，电压越高，等离子通道越长。
外电压足够高时，等离子通道逼近板极，电场逐步升高， 导致放电加剧，形成正反馈，从而导致间隙完全击穿
长短间隙放电 过程的对比分
析
长间隙时，由于根部的热电离使得等离子体的密度增 大，因而导致放电的二次发展，短间隙不足以产生根 部的热电离；
长间隙时产生的高密度等离子通道（先导）使得通道 接近板及时的电场增大十分显著，从而发生强场电离 （主放电），而短间隙时，由于通道的电阻大，压减 大，接近板极时的前方电场不足以引起强场电离，只 是使流注发展加速，在贯穿电极后，电导电流才足以 引起热电离，发展成电弧。
气体放电的基本物理过程
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，如原 子或分子获得的能量等于或大于其电离能，则会发 生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。
高电压工程基础
（1）碰撞电离
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：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。
带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而
还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以 光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射 在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。 带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则 复合率越高。
2.2 放电的电子崩阶段
阴极表面光电离 气体中的空间光电离
因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
高电压工程基础
1、非自持放电和自持放电的不同特点
电流随外施电压的提 高而增大，因为带电 质点向电极运动的速 度加快复合率减小
电流饱和，带电质 点全部进入电极， 电流仅取决于外电 离因素的强弱（良 好的绝缘状态）
内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成
高电压工程基础
研究气体放电的目的： 了解气体在强电场(高电压)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。
电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)
输电线路以空气 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 气体作为绝缘材料
n
均匀电场 α 不随x变化
气体放电的基本物理过程
放电的电流与电压特性
电流特性
气体放电的电流大小和波形取决于放电条件，如气压、电流密度和电极形状等。在一定条件下，放电 电流会呈现脉冲或持续的波形。
电压特性
气体放电的电压特性与电流特性密切相关。在放电过程中，电压会随着电流的变化而变化，通常在放 电开始时电压较高，随着电流增大，电压逐渐降低。
放电的热效应与声效应
拓展气体放电的应用领域
能源领域
利用气体放电技术实现高 效、清洁的能源转化，如 燃料电池、太阳能电池等。
问题，如烟气脱硫 脱硝、废水处理等。
医疗领域
利用气体放电技术进行杀 菌消毒、病毒灭活等，保 障公共卫生安全。
THANKS
感谢观看
电场与气体原子的相互作用
库仑相互作用
气体原子在电场中受到正负电荷的库 仑力作用，导致原子运动状态发生变 化。
电子与原子的碰撞
电场加速的电子与气体原子发生碰撞 ，传递能量，引起原子的激发和电离 。
电子的产生与运动
电子从气体原子或分子的束缚态跃迁 到自由态，形成自由电子和正离子。
电子在电场中受到加速或减速作用， 能量发生变化，运动轨迹发生偏转。
探索新型的气体放电技术
01
02
03
脉冲放电技术
利用脉冲电源产生高电压、 大电流的脉冲，实现高效 率、高稳定性的气体放电。
介质阻挡放电技术
通过在放电空间中设置绝 缘介质，降低放电的击穿 电压，实现低电压、高效 率的气体放电。
电晕放电技术
利用高电压电场产生电晕， 使气体发生局部电离，实 现低电流、低能耗的气体 放电。
电弧放电
另一种不稳定的气体放电状态是电弧放电。 电弧放电会产生强烈的弧光和高温，同时伴 随着较大的电流和电压波动。这种不稳定性 会对放电产生负面影响，甚至导致设备损坏。
气体放电的物理过程PPT课件
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bpd
deUb
ln(1
1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
Ub f1pd
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电 极13 间距离的乘积pd的函数
• 实验求得均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系
325V
Umin不是出 现在常压 下，而是 出现在低 气压，即 空气相对 密度很小 的情况下。
23
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
23
（2） 流注阶段
二次电子崩中的电子进入主电子崩头 部的正空间电荷区（电场强度较小）， 大多形成负离子。大量的正、负带电 质点构成了等离子体，这就是正流注
流注通道导电性良好，其头部又是二 次电子崩形成的正电荷，因此流注头 部前方出现了很强的电场
流注头部的电离放射出大量光子，继 续引起空间光电离。流注前方出现新 的二次电子崩，它们被吸引向流注头 部，延长了流注通道
E 电场大大削弱，有助于发
生复合过程，发射出光子 ex 这些光子将导致空间光电离
0
22
E ex
合成电场
dx
光电离的作用：二次电子崩
当电子崩走完整个间 隙后，大密度的头部 空间电荷大大加强了 后部的电场，并向周 围放射出大量光子
光子引起空间光电离， 在受到畸变而加强了 的电场中，造成了新 的电子崩，称为二次 电子崩
a 阴极表面二次发射 正离子 电子崩（ 过程）
（ 过程）
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所 示7 的循环不息的状态，放电就能自己维持下去
• 总结： 1. 将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
-
22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
-
24
电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
-
2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
第二章 气体放电的物理过程
n0
n
na dx d
x
dn ndx
分离变数并积分 ，可得：n n0 e 均匀电场，α不随x 变化，所以
14
（一）光电离
频率为ν的光子能量为 W=hv
式中 h——普郎克常数= 6.63 10
34
J s 4.13 1015 eV s
发生空间光电离的条件为 h Wi
hc 或者 W i
式中 λ——光的波长，m; c——光速 3 10 m / s ；
8
Wi ——气体的电离能，eV。
构成的组合绝缘。例： 电气设备的外绝缘往往是由气体介质（空气）和固 体介质（绝缘子）联合组成；内绝缘则较多地由固 体介质和液体介质联合组成。
3
※一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度， 电介质就会逐渐丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成 导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象可 分为两大类： （1）在弱电场下（当电场强度比击穿强度小得多 时），主要是极化、电导、介质损耗等（第 一章学习）； （2）在强电场下（当电场强度等于或大于放电起 始场强或击穿场强时），主要有放电、闪 络、击穿等（第二、三、四章学习）。
1 2 W mv qe Ex 2
qe Ex Wi
Wi U i （式中 电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 xi qe E E Ui 为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi 相等）， i x
的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可见提 高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
16
下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可以看出：只有 在温度超过10000K时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑 热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子 都已处于热电离状态。
高电压技术复习大纲-2012 (1)
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第三节 极不均匀电场中的沿面放电 o 弱垂直电场分量情况下，提高沿面闪络电压的途径？具 体措施？ o 说明为什么加装均压环后绝缘子柱电压分布可以得到改 善 o 分析线路绝缘子串电压分布的等效电路？均压环如何改 善电压分布？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
• 第四节 受潮表面的沿面放电 o 名词解释：
• 第五节 脏污绝缘表面的沿面放电 o 名词解释：
o 污闪电压；污层等值附盐密度；单位爬电距离
o 干燥情况下绝缘子表面污层对闪络电压是否有影响？ o 什么情况下绝缘子表面污层对闪络电压有显著影响？为 什么？ o 为什么污闪事故对电力系统的危害特别大？ o 简单描述污闪的发展过程 o 污闪与其他沿面闪络过程的最大不同之处是？ o 污闪发展过程中，局部电弧能否发展成闪络取决于哪些 因素？ o 影响污闪电压的因素有哪些？ o 实验室进行人工污秽试验时，如何确定污闪电压？具体 步骤？对污闪试验所用电源的内阻抗有何要求？
o 湿闪络电压；
o 介质表面发生凝露时，沿面闪络电压降如何变化？是否 发生凝露与什么因素有关？ o 低温下为什么相对湿度增加不会显著降低闪络电压？ o 湿闪络电压与干闪络电压的关系？ o 提高绝缘子湿闪电压的措施？ o 为什么户外绝缘子都有伞裙？ o 为什么伞裙宽度进一步增大并不能提高湿闪电压？
第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电
o GIS的母线筒和测量电压用的球间隙属于什么类型的电 场？高压输电线路？套管？ o 如何描述电场的不均匀性？以稍不均匀场和极不均匀场 为例予以说明 o 极不均匀场区别于均匀场的放电现象是？ o 同样间隙距离下，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀场 间隙的要高还是低？ o 电晕放电是自持还是非自持放电？ o 极不均匀场间隙中自持放电条件是？ o 电晕放电的危害、降低电晕放电的措施与电晕放电的有 利之处？
气体放电物理知识要点总结2014-6-6
气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。
2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。
3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。
原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。
当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。
4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。
负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。
气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。
每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。
5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。
即6. 原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。
主量子数n(n=1,2,3…), 它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。
轨道磁量子数m l,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。
电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。
高电压技术-第二章.
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能 小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电 子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁 回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
阴极表面电离，统称为 过程。 为此引入系数。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生 微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负 带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓 度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压 时，可检测到微小的电流。
自持放电条件为 γ (eαd −1) =1
(1-21)
γ ：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的 二次电子数
α ：电子碰撞电离系数 d ：两极板距离
此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进
入阳极后可以由α及γ过程在阴极上又产生一个新的替
身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
（2）汤逊放电理论的适用范围
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 α 。
α: 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完
成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。
由于碰撞电离和电子
崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图 产生dn个新电子。
1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。
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。
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程一、带电质点的产生与消失产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。
激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。
激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。
电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。
电离所需的能量称为电离能Wi ，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui 表示， Ui = Wi /e (e 为电子的电荷量)。
1、电离的方式：碰撞电离、光电离、热电离、分级电离属于空间游离。
金属表面电离 电极表面带电质点的产生2、带电质点的消失与两电极的电量中和、带电质点的扩散、带电质点的复合3、放电的电子崩阶段1）非自持放电和自持放电的不同特点各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离气体中的空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。
在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
外施电压小于U0时的放电是非自持放电。
电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，此时的放电为自持放电。
2）电子崩的形成外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流称为电子崩。
放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关：汤逊理论(pd 值较小)流注理论(pd 值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。
3）自持放电条件要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。
实验现象表明，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd ）有关：汤逊理论 (pd 值较小)： b()U f pd1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。
2 气体放电的物理过程—均匀电场中气体击穿(高电压技术)
3）热电离
3热电离.exe
一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 包括： 包括： •随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离， 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。 高温下高能热辐射光子引起的光电离。
4）金属(阴极)的表面电离： 金属(阴极)的表面电离：
设：一个电子从阴极行走 x 距离产 生的自由电子数为 n 产生的新电子数为： n 个电子前进 dx 产生的新电子数为：
dn = nαdx, 或dn = αdx n 所以： 所以：一个电子从阴极到阳极产生 的电子数为： 的电子数为：
自持放电条件： 自持放电条件：
N =e 0
∫αdx
S
= eαS
γ (e
αS
− 1) ≥ 1
一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为： 一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：
e
αS
−1
均匀电场中气体击穿的 发展过程
气体击穿的两个基本理论： 气体击穿的两个基本理论： 一、汤逊理论（巴申定律） 汤逊理论（巴申定律） 二、流注理论
一、巴申定律（汤逊理论）： 巴申定律（汤逊理论）：
δ一定：d小，d小于λ，U击 ↑
d大，U击 ↑ 大，U
d一定：δ小，碰撞机会少，U击 ↑
δ大，λ小，U击 ↑
汤逊理论中气隙的击穿过程是： 汤逊理论中气隙的击穿过程是： 电子崩——气隙击穿 电子崩——气隙击穿 仅适用于短间隙低气压的辉 仅适用于短间隙低气压的辉 光放电
二、流注理论： 流注理论： 流注：由正负离子构成的具有良好导电性的冷等离子体 流注： 放电的主要因素： 放电的主要因素： 电子的碰撞电离及空间光电离（光子、短波光射线 电子的碰撞电离及空间光电离（光子、 引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用， ），强调了空间电荷畸变电场的作用 引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用， 流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。 流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。
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。
第2章 气体放电的物理过程
图2-3-2 导线上流注性质的电晕
二. 电晕放电效应
（1）伴随着电离、复合、激励、反激励等过程而有 声、光、热等效应，表现是发出“丝丝”的声音，蓝色 的晕光以及使周围气体温度升高等。
阴极表面电离
放电过程
气体空间电离
气体中的自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩（α）过 程
阴极表面二次发
射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
帕邢定律
Ub = f (δ ⋅S)
50 30 Ub(kV) 20 10
δ = P ⋅ Ts = 2.9 P
T Ps
T
5 3 2 1
0.5 0.3 0.2
电压再提高,刷状放电中的个别光束突发的前伸,形 成明亮的火花通道到达对面电极,气隙被就击穿了.当 电源功率足够时,火花击穿迅速的转变成电弧。
（三）电场不均匀系数
f = E max E av
式中， Emax 最大电场强度； Eav 平均电场 强度。
E av
=
U d
式中， U ——电极间的电 压；
d—— 极间距离。
0.1 0.10.20.30.51 2 3 5 10 20 30 50 100 300
1000 δS
图2-2 均匀电场中空气的帕邢曲线
帕邢定律：在均匀的电场中，击穿电压 Ub与气体的 相对密度 δ 、极间距离S的积有函数关系，只要 δ ⋅ S 的乘积不变，U b 也就不变。
汤森德放电机理的不足：
继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更 多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增 多，像雪崩似的发展,这种急剧增大的空间电流被称为 电子崩。
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。
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2.1 带电粒子的产生和消失
原子的能量
动能：取决于原子的质量和运动速度。 位能：取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时，原子的位能也相应增加。
能级：根据原子中电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的位能， 称为原子的能级。
原子的正常状态相当于最低的能级。
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气体放电研究概述
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气体放电研究概述
Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约104帕以下）均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。
汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性
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气体放电的主要形式
1、辉光放电（击穿状态）
（1）条件：低气压，均匀电场 （2）特点：电流密度小，放电
光子的能量：
光
W hv 式中 h—普朗克常数
电 产生光电离的必要条件：
离
hv Wi
或 hc
Wi
式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能
光子的来源：
可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生
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2.1 带电粒子的产生和消失
实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游
热
离的综合。
区域占据整个电极空间。
2、火花放电 （击穿状态）
（1）条件：高气压 （2）特点：明亮的火花，火花
向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生，放电过程不稳定
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气体放电的主要形式
3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电
负极性电晕下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明 亮的细放电通道，称为刷状放电 ； 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后 整个间隙被击穿 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转 入击穿
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2.1 带电粒子的产生和消失
撞击质点：电子、正负离子、中性分子、原子等
撞 撞击电离的首要条件：
击
撞击质点总能量（动能+势能）
电
> 被撞击质点当前状态时的电离能
离
① 撞击是复杂的电磁力子的撞击电离
④ 动能需要积累
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2.1 带电粒子的产生和消失
※ 对气体放电的研究不仅在理论上推动了物理学的发 展，而且在工程上推动了电力，照明，环境，光学， 电子等多种工程应用的发展。因此对气体放电物理 的研究具有重要的理论和工程应用意义。
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气体放电研究概述
1836年， 法拉第 （1791-1867）注意到低压气体中的放电现象， 将其称之为“辉光放电”（glow discharge），并预言这种放电现 象将给以后的电学研究带来很大影响。 1855年，德国的玻璃技工盖斯勒（1815-1879）利用托里拆利真 空原理制成了简易的水银真空泵——盖斯勒泵，并制成了低压气 体放电管——盖斯勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现 象及其本质创造了条件。 19世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年代电气工业开始有 了发展, 发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用， 然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时， 电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体 放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。
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气体放电的主要形式
5、电弧放电
（1）条件：电源功率足够大 （2）现象：气体发生火花放电之后，便立即发展至对面电极，
出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放 电时，电弧的温度极高。
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2.1 带电粒子的产生和消失
原子的结构
原子是由带正电的原子核和绕核旋转 的电子组成。电子在原子核外是分层 排布的，各层具有不同的轨道半径。 电子运动的轨道半径不同，其能量也 不同。
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 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 沿面放电
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气体放电研究概述
※ 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体 放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。
※ 用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使 人们认识到了阴极射线，并由此发现了电子，解开 了原子结构的秘密，促进了原子物理的发展。
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2.1 带电粒子的产生和消失
原子的激励与电离
激励（轨道跃迁）
原子的一个或若干个电子 转移到离核较远的轨道上去， 所需能量称为激励能We 电离
电子跃迁到最外层轨道之外， 脱离原子核的束缚，成为自由 电子。所需能量称为激励能Wi
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2.1 带电粒子的产生和消失
带电粒子的产生方式
碰撞电离 光电离 热电离 阴极表面电离
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气体放电研究概述
英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人 J．J．汤姆 逊 （1856-1940）从1881年开始利用气体放 电管研究阴极射线并并于1897年发现电子，推动了原子 物理，粒子物理，量子物理等现代物理学的发展。
1897年电子发现之后，对气体放电的研究走向了微观粒子之间相互作用的 层面，并由此发展了气体放电物理学。对此作出开创性研究工作的重要人物 是汤姆逊的学生英国科学家 J. S. Townsend (1868-1957）。 Townsend借助理论假设和大量的实验系统地研究了气体放电过程中电子、 离子等基本粒子的特性，提出了“平均电子”，“平均粒子”，“电离系数 α”，“电子崩”等概念，并利用这些概念成功地解释了在低气压下均匀电 场气隙间的击穿现象，这就是著名的汤生气体放电理论。后人在汤生气体放 电理论的基础上，继续发展了流注放电理论。汤生气体放电理论和流注放电 理论互为补充，构成了目前的气体放电物理学的基本理论。
电
空气的电离度m 与温度的关系
离
T>10000K，才考虑热电离 T>20000K，几乎所有分子都处于热电离状态
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2.1 带电粒子的产生和消失
逸出功：从金属电极表面发射电子需要的能量。
表 当逸出功<<电离能时，阴极表面可在下列情 面 况下发生：
电
正离子撞击阴极表面
离
光电子发射（短波光照射）