气体放电的物理过程
气体放电物理过程1
1-2 简要论述汤逊放电理论。p49
• 答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此 电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至eαd个。假设 每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（eαd－1）个 正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴 极．按照系数的定义，此（ eαd －1）个正离子在到达阴极 表面时可撞出γ（ eαd －1）个新电子，则(eαd -1)个正离子 撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子， 以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达 到自持放电。即汤逊理论的自持放电条件可表达为γ（ eαd －1）≥1或γeαd ≥1 。
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bp
dU eb
d1 ln( 1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
U bf1pd
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。
●自持放电条件
形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即 转为自持放电。如果电场均匀，间隙就将被击穿。形成流注的条 件（即自持放电条件），在均匀电场中也就是导致击穿的条件：
●形成流柱的条件
初始电子崩头部的负电荷必须达到一定数量，造成必要的局部电 场的强化和足够的空间光电离。
实验得出
ad
1—主电子崩2—二次电子崩
24
3—流注
(3)主放电阶段： ——正流注向阴极推进
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。
第1章 气体放电的基本物理过程
第一章 气体放电的基本 物理过程
主要内容
1 气体放电的主要形式 2 气体中带电粒子的产生和消失 3 汤逊理论和流注理论 4 不均匀电场中的放电过程 5 冲击电压下气隙的击穿特性 6 影响气体放电电压的因素 7 提高气体介质电气强度的方法 8 沿面放电
1 气体放电的主要形式
❖ 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。
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。
电子附着系数η ：电子行经单位距离时附着于中性原子 的电子数目。
均匀电场中的电子崩计算模型
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
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的距离中又会产 生dn个新电子。
均匀电场中的电子崩计算模型
3.1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论
根据碰撞电离系数的定义，可得：
1.2 气体放电的主要形式
常见放电形式
辉光放电 电晕放电 火花放电 电弧放电
❖ 注意：电晕放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放 电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件不同， 这些放电现象可相互转换。
2 气体中带电粒子的产生和消失
2.1 气体中带电粒子的产生
2. 2 气体中带电粒子的消失
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
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
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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。
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。
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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
气体放电原理
气体放电原理气体放电是指在一定条件下，气体中的自由电子受到电场的作用而加速，与气体原子或分子发生碰撞，使其电离并产生电流的现象。
气体放电是一种重要的物理现象，广泛应用于放电灯、气体放电激光器、等离子体物理研究等领域。
气体放电的原理主要包括电离、电子与离子的碰撞、电子能量的损失和复合等过程。
在电场的作用下，气体分子中的自由电子受到电场力的作用而加速，当电子的动能足够大时，就能够克服原子或分子的束缚能而发生电离。
电离过程是气体放电的起始阶段，也是电流的产生阶段。
在电离过程中，产生了大量的自由电子和离子，它们在电场的作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，使得气体分子进一步电离，形成电子级联增殖的现象。
在气体放电过程中，电子与离子的碰撞是不可避免的。
当电子与离子碰撞时，它们会相互传递动量和能量，使得电子的能量逐渐损失，而离子的能量逐渐增加。
这种能量的转移和损失导致了电子的能量分布发生变化，形成了电子能谱。
电子能谱的形状和分布对气体放电过程的性质和特性有着重要的影响。
除了电离和碰撞外，电子的能量损失和复合也是气体放电过程中重要的物理过程。
当电子与气体分子碰撞时，它们会失去能量，并使得气体分子电离或激发。
另一方面，电子还会与正离子复合，释放能量并再次形成原子或分子。
这种能量的损失和复合过程是维持气体放电的能量平衡的重要机制。
综上所述，气体放电是一种复杂的物理现象，其原理涉及到电离、碰撞、能量损失和复合等多个过程。
深入理解气体放电的原理，有助于我们更好地应用气体放电技术，推动相关领域的发展。
同时，气体放电的研究也为我们提供了一个认识自然界和探索未知领域的重要途径。
希望本文能够为读者提供一些有益的信息，促进气体放电领域的进一步研究和应用。
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
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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
-
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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
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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
3气体放电的物理过程1
沿着电场方向行经 1cm 长 度 ， 平 均 发 生 的碰撞电离次数
8
•间隙碰撞电离的数学推导
设：在外电离因素光辐射的作用下，
单位时间内阴极单位面积产生n0 个电
子（忽略空间产生的正负电荷）；
在距离阴极为x的横截面上，单位 时间内单位面积有n个电子飞过
这n个电子行过dx之后，又会产生 dn个新的电子
外施电压小于UB时，空间产生的电荷完全移动到极板，故
电流的大小决定于空间电荷的产生速度，当光照不变时，
电流为常数。
外施电压小于U0时，气体中发生了电离，此时空间电荷增
多，电流增大。
外施电压等于U0时，电离产生的电荷靠电场的作用已可自 行维持，而不再继续需要外电离因素了。因得电子的增长规律为
nn0exp0xdx
9
对于均匀电场， 不随空间位置而变
n n0ex
相应的电子电流增长规律为
I I0ex
令x＝d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流
I I0ed
2、过程
电离系数：正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能
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 n0ed
正离子数
nn0(ed1)
正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数
nnn0(ed1 )
如果此时电离出的电子数为n0,放电则由非自持转入自持, 条件为
电形式也称为自持放电 。此时的电压称为放电起始电压。
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1章11气体放电的基本物理过程
电气设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘
概念
击穿：电介质（绝缘体）在电场的作用下发生剧 烈放电或导电的现象叫击穿。
绝缘强度：绝缘本身耐受电压的能力，一般用绝 缘发生击穿时作用在绝缘材料上的临界电压值来 表示。电力设备的绝缘强度用击穿电压表示；而 绝缘材料的绝缘强度则用平均击穿电场强度。
自持放电：电压大于U0时，取消外电离因素，间隙电流靠 电场作用能自行维持。
电子崩：场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离， 如雪崩状发展过程，电流急剧增加。U0为击穿电压。
电子碰撞电离系数α：一个电子由阴极到阳极行程中，每１ cm路程与气体质点发生碰撞电离平均次数。即：单位行程 内因碰撞电离而产生的自由电子数。
下计算值远大于实测值。 • 击穿电压： pd大时，计算值与实验值差别大。 • 阴极材料的影响：汤逊放电及击穿电压与阴极材料有关，而
高气压下间隙击穿电压基本与电极材料无关
1.1.3 流注理论
➢ pd 值较大的情况（流注）
实测的放电时延远小于正离子穿越间隙所需的时间，这表 明汤逊理论不适用于pd值较大的情况。
•电晕放电：高场强附近出现发光薄层，通道仍是绝缘状态； •刷状放电：电晕极伸出细亮断续放电通道，通道未击穿； •火花放电：贯通两极细亮断续放电通道，间歇击穿； •电弧放电：持续贯通两极细亮放电通道，完全击穿；（闪电）
气体放电的起因？
气体是由气体分子组成的，气体中气体分子是由正电 的原子核和围绕原子核高速旋转的外层电子组成。由 于原子所带正、负电荷相等，故正常情况呈中性。
2、金属电极表面游离——电子逸出
一些金属的逸出功
金属
逸出功
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。
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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。
激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级之间的差值。
电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。
㈠碰撞电离定义：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。
在放电形成时期主要取决于电子与气体分子的撞击.条件：⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能能量包括动能与位能无电场时，动能小有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场中造成碰撞电离的主要因素是电子。
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影响因素有：电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等㈡光电离定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。
由光电离而产生的自由电子亦称为光电子。
光电离在气体放电中很重要。
必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子㈢热电离定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量大且数目多），能量来自气体分子的热能。
1000K数量级Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变㈣表面电离气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。
游离需要能量，称逸出功，一般小于气体的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。
获得逸出功的途径：⑴热电子发射：金属电极加热，分子动能⑵强场发射：电极加上强电场⑶二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面（正离子撞击阴极）⑷光电子发射：短波光照射金属表面㈤负离子的形成中性分子或原子与电子相结合。
将放出能量称亲和能Ｅ，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性。
电负性大 , 易形成负离子负离子现象对气体放电的发展起抑制作用二．气体中带电粒子的消失１．中和受电场力作用流入电极，中和电量２．扩散（分子热运动）带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。
３．复合带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。
复合时有能量释放：光热声等。
－空间光电离§２－２气体放电机理一:概述外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。
随电压↑，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。
（泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。
）场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增长，称电子崩。
电流大增。
（电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，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，产生更多的电子。
依次类推，电子数以几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。
）3．Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。
４．Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展，为自持放电。
两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。
５．此后的发展随电场情况不同分别表现为：1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿2、不均匀电场：自持放电形成电晕（1）、若间距较小即（Ｓ小）：Ｕ↑→火花放电（2）、若间距较大（Ｓ大）：Ｕ↑→刷形放电，Ｕ↑↑→火花放电（电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧）二、汤森德气体放电理论（均匀电场）一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是δ·Ｓ值。
δ：气体的相对密度，Ｓ：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有不同。
（１）当δ·Ｓ值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用，气隙击穿电压大体是δ·Ｓ值的函数——汤森德机理，δ·Ｓ＜０.２６ｃｍ（２）当δ·Ｓ值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理二．δ·Ｓ值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理） 【需画图说明，参见备课笔记】 ㈠ 汤森德气体放电机理适用范围：低气压、短间隙（δ·Ｓ＜ ０.２６cm ）；和汤森德气体放电机理其相关的3个参数： α电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、β正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、γ表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数），上述个各个数值均为平均值。
㈡ 放电过程描述：⑴电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生；参数α（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）β作用小可以忽略。
初始激发电子数为0N ；到达阳极的电子数为as x e N N 0=若00=N ，则产生的电子数和正离子数也为0即只有碰撞游离因素，是不能维持放电发展的。
这种需要依靠外界游离因素支撑的放电称为非自持放电。
若10=N ，则产生的电子数和正离子数均为)1(-as e⑵电子崩产生的正离子撞击到阴极表面时造成金属表面游离（至少一个电子逸出） 当电压继续升高到c U 后，电流急剧增加，气隙转入良好的导电状态。
由于电压的增加，游离将更为剧烈同时产生更多的正离子。
从上所述，一个电子在经过一段距离s 后，产生的阳离子个数为)1(-as e个，这些正离子到达阴极以后，又能产生新的电子（γ作用，1<<γ） 则)1(-as e 个正离子撞击阴极产生的电子数为)1(-as e γ，即表面至少逸出一个电子，则即使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。
这种只需要依靠电场就能够维持下去的放电称为自持放电。
放电进入自持阶段，并最终击穿。
由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为：1)1(≥-as e γ此时具有清晰的物理含义。
由于偶然的一个因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子)1(-as e 达到阴极能由γ过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。
即自持放电的条件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿）由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压0U 。
对于均匀电场，则气隙被击穿，此后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放电电压0U 就是气隙的击穿电压b U 。
对于不均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压b U 要比起始放电电压0U 要高好多。
以上所描述的均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤森德气体放电理论。
由1)1(≥-as e γ推倒可得到)(s f U b δ=的关系（三）帕邢定律当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压δ和间隙距离S 乘积的函数。
在汤森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。
图－－均匀电场的帕邢曲线帕邢定律：击穿电压Ｕb ＝ｆ（δ·Ｓ）（与δ·Ｓ的积有函数关系）1889年由实验结果总结出解释：a ） 设Ｓ不变 δ↑→λｅ 短，聚能少，有效碰撞几率小→Ｕｂ↑δ↓→λｅ 长，但气体分子少，碰撞少 →Ｕｂ↑实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（Ｕｂ↑） b ）设δ不变,Ｓ↑→E ↓得一定的Ｅ，必须Ｕｂ↑Ｓ↓→Ｅ大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ｕｂ↑有上述的介绍可以看出：当δ·Ｓ出现的乘积为很大和很小时，Ｕｂ都会体现出很大的值，即曲线会呈现出U 型的分布，也就是两者之间有Ｕｂｍｉｎ。
㈤ 汤森德放电机理的局限性当气隙气压升高至大气压，δＳ过大时，汤森德机理存在不足：1、放电形式：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道（具有分支和不连续）2、放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间（电子崩产生使得均压电场中气体整个间隙击穿）3、与电极材料关系：阴极材料在放电过程中作用不大，即使没有γ作用，依然能自持放电。
52115 233不能解释的原因：1、没有考虑到电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。