修改版-气体击穿理论
气体击穿理论
名词解释
气体放电：气体中流通电流的各种形式的统称 击穿：气体由绝缘状态突变为良导电状态的过程
沿面闪络：发生在气体与液体或气体与固体的交界 面上的击穿过程（击穿和沿面闪络统称放电）
击穿电压（闪络电压）：发生击穿（或闪络）的最 低临界电压（击穿电压与闪络电压统称放电电压） 击穿场强：均匀电场中击穿电压与间隙距离之比： 反映了气体耐受电场作用的能力：介电强度 自持放电：去掉外电离因素的作用后放电随即停止 非自持放电：仅靠电场的作用而维持的放电。
自持放电条件：起始电子崩头部电荷数量足以畸 变电场造成足够的空间光电离 1 d d ln e 1 1 是一常数，工程上 ln 20 击穿电压：
两者在pd较大时相一致
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North China Electric Power University
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第四节：均匀电场中气体击穿的发展过程
非自持放电：外施电压小于U0 时，间隙内电流数值很小， 间隙还未被击穿； 自持放电：当电压达到U0 后，气体中发生了强烈的电离， 电流剧增（辉光放电、火花放电或电弧放电） 放电发展过程：从UB 到 U0电流发展过程 起始电压： U0 ，在均匀电场中为击穿电压
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第五节：不均匀电场中气体击穿的发展过程
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气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘
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
定能量状态，称为能
级。
.
8
第二节 带电质点的产生
(二) 原子的激励和电离
一次电离：中性原子失去最外 层电子。
激励 复合
原子核 基态电子
电离能
.
电离
9
第二节 带电质点的产生
(二) 原子的激励和电离
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2 H2O
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 15.4 12.7
U0
f
( pl,
R1 l
, )
➢ 放电相似定律：不均匀电场中，温度不变时，对于几何相 似间隙，其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几 何尺寸间乘积的函数。
➢ 气体压力和间隙尺寸反比变化，则起始电压可以不变。
.
51
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电 (一)、电晕放电的一般描述
.
36
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展 (一)、在电离室中进行放电发展的实验研究
电离室：利用 饱和蒸汽束缚 气体放电形成 的带电粒子， 使放电轨迹得 以记录和显示。
.
37
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
三、气体击穿的流注理论—火花击穿的发展
E
负极
E3 E2
电晕现象
曲率半径小的电极 尖端发生的蓝紫色 晕光状放电。
极不均匀场的一种 特有的自持放电形 式。
.
52
第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程
三、极不均匀电场中的电晕放电 (一)、电晕放电的一般描述
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。
主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电 离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时 ，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。
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高电压技术
第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
第二节 带电粒子的产生和消失
⒊ 热电离
热电离——因气体热状态引起的电离过程。
发生热电离的条件
注意 分子热运动所固有的动能不足 以产生碰撞电离，20oC时，气 体分子平均动能约0.038eV。热 电离起始温度为103K（727oC） 在一定热状态下物质会发出辐 射，热辐射光子能量大，会引 起光电离
3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
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第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
高电压技术
第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
本章主要内容
气体放电的主要形式简介
第一节
第二节
第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
带电粒子的产生和消失
均匀电场中气体击穿的发展过程 不均匀电场中的气体击穿的发展过程 持续电压作用下气体的击穿特性 雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性 操作冲击电压下气体的击穿特性
绝对温度和摄氏温度的关系： T绝对=273+T摄氏
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高电压技术
第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
第二节 带电粒子的产生和消失
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合 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子也能造成气体的电离
气体介质的击穿现象
气体介质的击穿现象气体介质的击穿现象是指在一定电压条件下，气体中产生了电击穿现象。
电击穿是指在高电场强度作用下，气体中原本绝缘的状态被突破，导致气体成为导电状态。
本文将从气体击穿的定义、机理、影响因素和应用等方面进行详细论述，并探讨当前相关研究和趋势。
一、气体击穿的定义气体击穿是指当电压达到一定临界值时，气体中的原子或分子被电场加速并与其他粒子碰撞，导致气体发生电离现象，产生局部的导电通道。
这个电离过程可以是从阴极向阳极的电子流（电子击穿）或者从阳极向阴极的离子流（离子击穿）。
二、气体击穿的机理气体击穿是由复杂的物理和化学过程导致的，其机理主要包括以下几个方面：1. 离子化机制：电场加速下，气体中的原子或分子产生离子化，形成自由电子和离子。
2. 碰撞机制：离子与原子、分子碰撞后产生电离级联形成更多的离子和自由电子。
3. 电子减速机制：自由电子与气体分子碰撞后产生电子减速，使其能量转移给其他分子。
4. 穿透机制：产生的离子和自由电子在电场作用下穿越气体并形成导电通道。
三、气体击穿的影响因素气体击穿现象受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 电场强度：电场强度越高，气体击穿越早。
2. 气体性质：不同气体具有不同的击穿电压和击穿场强度。
例如，质子型气体（氢气、氦气）的击穿电压要比电子型气体（氮气、氧气）低。
3. 气体压力：气体的击穿电压随着压力的增加而降低。
当气体压力较低时，击穿电压较高。
4. 温度：温度对气体击穿电压的影响与气体性质有关。
一般情况下，温度越高，击穿电压越低。
四、气体击穿的应用气体击穿现象在科学研究和工程应用中具有重要作用，主要应用于以下领域：1. 电力系统：用于判断电力设备（变压器、绝缘子、电缆等）的耐压性能，以保证电力系统的安全运行。
2. 气体放电灯：例如氖灯、气体放电显示器等，利用气体击穿的特性来产生光电效应。
3. 气体保护：在工业生产过程中，气体击穿可用于保护设备和人员的安全，如气体绝缘断路器等。
改第2章-气体击穿理论
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2、电极表面带电质点的产生 （2）光电效应
光电效应：光照射金属表面而发射出自由电子。 光电子发射条件：光子能量大于金属表面逸出功。 实际上，一部分入射光子被反射，电极吸收的光能大部
分化为金属的热能，平均每100个光子入射才能放射出一 个有效自由电子。
0 x
nd n0 e Id I0 e
d
d
n n0 e x
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碰撞电离系数的数学描述
碰撞电离条件：qExi Wi （x xi时，碰撞才发生电离) 自由行程x x （ i xi内不发生碰撞）的概率：f ( xi ) dx 其后dxi内发生碰撞的概率为： i
W hf hc / Wi
阳光照射形成地球大气电离层，但由于大气层的阻挡作用，到达地面的
0 hc / Wi
最短波长大于290nm，不足以引起光电离。 导致光电离的高频高能光子由外界供：人为X光照射
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2 带电质点的产生 1、电极空间带电质点的产生 （3）热电离：热运动引起气体分子发生电 离。
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4.1汤逊机理
碰撞电离与电子崩
电子崩：连续多次碰撞电离使得电子数按几何级数增长，如雪 崩状发展，电流急剧增加。 电子碰撞电离系数α：单个电子由阴极到阳极每经１ｃｍ路程， 与气体质点相撞发生的碰撞电离次数，也即：单位行程内因碰 撞电离产生的自由电子数。 电子崩过程称α过程（忽略β过程：正离子碰撞） 电子平均自由行程λ∝T/P：每两次碰撞之间电子自由通过的距 离。单位长度内电子的平均碰撞次数：1/λ
气体击穿理论
一、原子的激励和电离
（一）原子的能级
原子结构： 电子具有确定的能量（位能和动能），通常轨道半 径越小，能量越小；电子的能量只能取一系列不连续的确 定值（量子化）；原子的位能（内能）取决于其中电子的 能量，当各电子具有最小的能量，即位于离原子核最近的 各轨道上时，原子的位能最小；正常状态下原子具有最小 位能。当电子从其轨道跃迁到标志着能量更高的离原子核 较远的轨道上时，原子的位能也相应增加，反之亦然。
（一）原子的能级
能级：根据其中电子的能量状态，原子具有一系列 可取的确定的能量状态，称为原子的能级。
电子伏（eV）：微观系统中的能量单位为电子伏； 1 eV的能量相当于一个电子在电场作用下行经1V电位差 所获得的能量。电子的电荷为1.610-19C。所以：
（二）原子的激励
激励：在外界因素作用下，原子中的电子从较低能 级跃迁到较高能级的过程。
强的外电场使阴极放射出电子，称为场致发射或冷发射。 由于场致发射所需外电场极强，在107 V/cm数量级，
所以在一般气体间隙的击穿过程中不会发生。（高气压、 高真空） （四）热电子放射
热电子放射：阴极达到很高温度时，其中电子可获得 巨大动能而逸出金属，称为热电子放射。
第三节 带电质点的消失
三种方式： 1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于
生电荷的传递而互相中和，并还原为原子或分子的过 程称为复合。
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
第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程
均匀电场中气体的击穿：汤逊气体放电理论；流注理 论。这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压力和 极间距离的乘积）范围内气体放电的现象。
气体放电理论1修正
非自持放电
外施电压小于 U0 时，间隙内 虽有电流，但其数值甚小， 通常远小于微安级，因此气 体本身的绝缘性能尚未被破 坏，即间隙还未被击穿。而 且这时电流要依靠外电离因 素来维持，如果取消外电离 因素，那么电流也将消失。
自持放电
当电压达到 U0后，气体中 发生了强烈的电离，电流 剧增。同时气体中电离过 程只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。因此 U0以 后的放电形式也称为自持 放电。
电极表面带电质点的产生
电极表面电离： 电极表面电离：气体放电中存在阴极发射电子的过程。 逸出功：使阴极释放电子所需的能量。与金属的微观结 逸出功 构和表面状态有关，与温度基本无关。 电极表面电离条件：光子能量大于金属表面逸出功。 电极表面电离条件
正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极，将能量传递给阴极电子。 当正离子能量大于阴极材料表面逸出功2倍以 上时，才可能撞出自由电子。 实际上，平均每100个正离子才能撞出一个有 效自由电子 金属表面逸出功一般小于气体分子电离能，因 此，电极的表面电离对气体放电很重要。
气体放电理论（一） 气体放电理论（
美国俄克拉荷马州塔尔萨市上空出现的闪电奇观
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的主要形式 非自持放电与自持放电 汤逊放电理论
纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在的 气体中出现带点质点以后，才可能导电，并在 电场的作用下，发展为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 气体中带电质点的来源 身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发 生表面电离。 通常大气中约有500-1000对离子/cm3, 带电质 点极少，因而，通常情况下空气是良绝缘体。
热电子发射
高温下金属中电子因获得巨大的动能会 从电极表面逸出，称为热电子发射 热电子发射。 热电子发射 热电子发射仅对电弧放电有意义，并在 电子、离子器件中得到应用。 常温下气隙的放电过程中不存在热电子 发射现象。
修改版气体击穿理论
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常见的电场结构
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问题的提出
气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程形成电流。
xy
2：电子连续迁移xy而不碰撞的概率：
Uy / E
x y / e
3：电子迁移1cm与气体分子平均碰撞次数： 1 / e
4：一电子迁移1cm平均发生碰撞电离次数 1 eU y / Ee
5：气体相对密度与电子平均自由程成反比 6：间隙电压U＝E×d
e
A 1/ e
击穿电压：
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第二节：气体放电过程一般描述
2：气体放电主要形式
辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、电 源功率小；霓虹灯
火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断续 的明亮火花；大气压下、电源功率小
电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀场
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名词解释
3：电离（游离）
• 原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱 原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为 电离
• 原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子 • 使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
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第二章-气体击穿理论
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.9流注理论对pd很大时放电现象的解释 流注理论对pd 4.9流注理论对pd很大时放电现象的解释
放电外形：流注电导很大， 放电外形：流注电导很大，其中电场强 度很小，对周围其他流注有“屏蔽” 度很小，对周围其他流注有“屏蔽”作 因此最终只有一条通道； 用，因此最终只有一条通道；衍生崩随 机性使其曲折分支。 机性使其曲折分支。 放电时间：光子以光速传播， 放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳 跃式发展，因此放电发展时间很短。 跃式发展，因此放电发展时间很短。 阴极材料的影响：维持放电的是光电离 阴极材料的影响： 而不是表面电离，因而与阴极材料无关。 而不是表面电离，因而与阴极材料无关。
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4.5电子崩空间电 4.5电子崩空间电 荷对电场的畸变
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4.6正流注的产生 4.6正流注的产生
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气体击穿理论分析和气体间隙绝缘
气体放电光源中的气体击穿和绝缘
气体放电光源是利用气体放电产生的光辐射的一种光源。在放电过程中，气体分 子被电离形成带电粒子，这些带电粒子在电场作用下加速运动并撞击其他气体分 子，使气体分子激发和电离，形成连续的放电电流。
为了维持稳定的放电状态并提高光源的光效和寿命，需要解决气体击穿和绝缘问 题。常用的方法包括优化电极结构、选择合适的气体介质和操作条件以及采用附 加的抑制电路等。
在气体中施加电压后，电场强 度逐渐增强。
电子崩发展
在电场作用下，气体中的电子 获得能量并碰撞气体分子，使 其电离产生更多的电子和离子 。
导电通道形成
随着电子崩和离子崩的发展， 丝状电流形成并扩展，最终导 致气体击穿。
放电现象
气体击穿后，电流在气体内流 动，产生放电现象。
03
气体间隙绝缘
气体间隙的绝缘性能
01
气体间隙的绝缘性能主要取决于气体的种类、压力、 温度和电场强度等参数。
02
在低气压下，气体分子的碰撞减少，导致电离率降 低，绝缘性能提高。
03
在高电场强度下，气体分子更容易发生电离，导致 绝缘性能降低。
气体间隙的击穿电压
气体间隙的击穿电压是指在一定条件下，气体能 够维持其绝缘性能的最大电压。
击穿电压与气体的种类、压力、温度和电场强度 等因素有关。
气体击穿和绝缘的基本概念
气体击穿
气体在电场的作用下，从绝缘状 态转变为导电状态的过程。
气体间隙绝缘
利用气体进行隔离，以实现不同 电位之间的电气隔离。
02
气体击穿理论
汤逊理论和流注理论
汤逊理论
该理论认为气体击穿是由电子崩发展而来的，当电子从电场中获得足够能量时， 会与气体分子碰撞并使其电离，产生更多的电子和离子，最终形成导电通道。
浅谈气体击穿理论
教学研究
浅谈气体击穿理论
◆朱泳康
（湖北襄樊第四中学）
【摘要】高压电技术在能源、电力、医疗器 械、环 境 保 护 等 国 民 经 济 中 起 着 非 常 重 要 的 作 用，尤 其 在 国 民 经 济 迅 速发展的பைடு நூலகம்天，高压电技术的重要性就显得更加突出。 在电力工业中，可以说没有高压电技术就谈不上电力工 业，因 为 当 今 电 力 的 传 输 必 须 要 依 靠 提 高 电 压 的 方 法 才 能 将 电 能 传 送 到 不 同 的 用 户，否 则 就 会 造 成 电 能 传 输 过 程 中大量的损耗。 高压电技术的应用不仅仅在电力工程中，在社会生活其他领域也得到了广泛的应用。 对于高压 电技术的理论也是越来越完善，对于各种电介质的击穿理论，至今为止人们已经做了很多研究。 所谓击穿，对于 气体而言，就是所谓的放电现象。 在高压放电技术中，气体击穿的理论是其他理论的基础，因为气体对于电力工 业来说，是应用最为广泛的，比如高压输电。 目前，几乎国内所有的输电线都是利用空气来绝缘，变压器相间绝 缘也以气体作为绝缘材料。 对气体击穿的理论做出介绍和分析。 【关键词】电介质 气体 击穿 自持放电 非自持放电
03/2018 ９１
中国校外教育下旬刊
教学研究
两种来源。 热电离是指由分子的热运动而引发的气体分子的电
离。 热电离的本质是气体分子的热状态引起的碰撞电 离和光电离的综合。 在常温下，气体分子发生热电离 的概率是极小的。 当温度大于１００００K 的时候，才需要 去考虑热电离，而 当 温 度 大 于 ２００００K 的 时 候，几 乎 全 部的分子都是出于热电离状态的。
３．火 花 放 电 在 较 高 的 气压 下，比 如 大 气 压 力 下，气 体 击 穿 后 总 是 形 成 收 窄 的 发 光 通 道，而 非 分 散 到 整 个 区 域，此 时 称 之为火花放电。 火花放电的产生分为两种情况：当外 回路中阻抗较大的时候或者当外回路中阻抗很小且电源 功率足够大的时候。 ４．电 晕 放 电 随 着 电 压 的 增 大，在 电 极 周 围 电 场 最 强 的 地 方 出 现 发光 层，随 着 电 压 的 继 续 提 高，发 光 层 随 之 变 大， 放 电 电流也逐渐增强。 这种现象叫做电晕放电。 电晕放电 时，气 体 间 隙 中 只 有 小 部 分 尚 丧 失 绝 缘 性 能，放 电 电 流 微弱，间隙依 然 可 以 耐 受 管 端 电 压。 此 时 继 续 增 大 电 压，从 电 晕 电 极 中 延 伸 出 来 很 多 的 比 较 明 亮 的 细 放 电 通 道，叫做刷 状 放 电。 电 压 再 增 大，最 后 气 体 间 隙 整 个 被 击 穿，根 据 电 源 功 率 的 强 弱 而 转 换 成 电 弧 放 电 或 者 是 火花放电。 三、带电质点的产生与消失 普通状态下的气体是中性不导电的，气体导电并产 生放电现象是因为气体分子发生了电离，产生了充足的 带电粒子。 １．带 电 质 点 的 产 生 带电质点的产生气体放电现象发生的前提。 空气 介质中带电质点的形成主要有气体分子的电离和金属的 表面电离两种形式。 气体分子 的 电 离 可 以 由 碰 撞 电 离、 光 电 离、 热 电 离、电极表面电离这四种方式产生。 碰撞电离主要由电子和分子的碰撞所引发。 电子 在 电 场 下 被 加 速 而 获 得 动 能，使 其 获 得 摆 脱 原 子 核 束 缚 的能量。 当电子从电场获得的动能大于气体分子的电 离 能 时，就 有 可 能 因 为 碰 撞 而 使 得 气 体 分 子 发 生 电 离， 产生电子与正离子。 光电离是指由光辐射引发的气体分子的电离。 由 异号带电粒子复合而成中性粒子释放出光子，或者由激 励态分子回复到正常态释放出光子，这是光游离发生的
气体的击穿
负流注的形成 阴极发射初始电子→外电场作用下形成主电子崩→电子 运动过程中形成激发态原子辐射出大量的光子→光电子 形成大量次电子崩→次电子崩互相汇合→形成向阳极扩 展的负流光
1.汤生理论
(1)电子崩及α过程 α—电子碰撞游离系数，表示一个电子沿着 电场的方向行进的过程，在单位距离内平 均发生碰撞的次数。 α 与气体的种类，相对密度和电场强度有 关。
（4）汤生自持放电条件
e
（5）巴申理论
Байду номын сангаас
ad
1
Vb f ( pd )
式中P—气压 d—极间距
(6)适用范围及局限性
解释低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即 pd较小时。 局限性： 解释击穿的形成时延； 没有考虑电子崩引起的空间电荷的效应； 高pd时，电火花通道是曲折的，是分枝的，汤 生理论不能解释这种现象。
正流柱的形成 初崩→产生大量的空间电荷→电场分布畸变→崩头、崩 尾电场增强（使游离更强烈），崩内电场削弱（使复合 更容易） →空间辐射大量光子→光电离→产生光电子→ 被主崩正离子吸引→二次崩产生→与主崩汇合形成流注 （导电性好）→流注迅速发展→流注贯穿两极→间隙击 穿
气体击穿理论
气体击穿理论影响气体击穿的主要因素：1、电场分布2、电压种类3、气体状态气体放电形式根据气体压力、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：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。
2、电弧放电电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
3、火花放电气体击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间，称为火花放电。
4、电晕放电电极附近电场最强处出现放电现象称为电晕放电。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。
气体中带电质点的产生气体分子的电离：碰撞电离；光电离；热电离碰撞电离：在电场作用下，电子被加速而获得动能，当电子从电场获得的动能等于或大于气体分子的电离能时，就有可能因碰撞而使气体分子发生电离，分裂为电子和正离子。
光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离热电离：由分子热运动引起的气体分子的电离。
负离子的形成和电负性气体负离子的形成：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于分子，形成了负离子。
电负性气体：能够在电子碰撞过程中形成负离子气体，称为电负性气体。
金属的表面电离金属表面电离：电子从金属表面逸出的过程。
金属表面电离的主要形式：1、正离子碰撞阴极；2、光电效应；3、场致发射；4、热电子放射。
带电质点的消失1、带电质点在电场作用下作定向运动，从而消失于电极（造成电流）；2、带电质点的扩散；3、带电质点的复合气体击穿的发展过程（汤逊气体放电理论）图2-5 气体放电试验电路示意图图2-6 气体放电过程中电流与电压的关系为了比较各种结构的电场的不均匀程度，引入电场不均匀系数f，它是最大场强Emax 和平均场强Eav的比值。
根据放电的特征，大致可以做如下区分：不均匀系数f<2 时，属于稍不均匀电场；不均匀系数f>4 后，属于极不均匀电场；不均匀系数2<f<4 时，稍不均匀到极不均匀的过渡区域，属于不均匀电场。
气体击穿理论分析和气体间隙绝缘讲课文档
xi
Wi ge E
Ui E
式中：Ui为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等。
xi 的大小取决与场强 E ，增大气体中的场强将使 xi 值减小， 可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。
注意
碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。
主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电 离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时， 往往只考虑电子所引起的碰撞电离。
注意
激励状态存在的时间很短（ 10-7 —10-8 s），电子将自动返 回到常态轨道上去。
原子的激励过程不会产生带电粒子。
14
现在十四页，总共一百九十一页。
⒊ 原子的电离
电离——在外界因素作用下，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。
电离能（Wi）——使稳态原子或分子中结合最松弛的那个 电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏 eV）
光子能量W＝hν
Wi—气体的电离能，eV； c—光速=3×108m/s；
λ—光的波长，m。
现在十九页，总共一百九十一页。
注意
可见光都不可能使气体直接 发生光电离，只有波长短的高
能辐射线 （ 例如X 射线、γ射 线等）才能使气体发生光 电离。
19
⒉ 碰撞电离
碰撞电离——由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电 子碰撞电离）
现在三十页，总共一百九十一页。
由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度
式中：r—气体分子半径；
e
1 r2N
N—气体分子密度。
又由 Nkp TekrT 2pe∝ T P
式中：p—气压，Pa； T—气温，K； k—波尔茨曼常数， （k =1.38×10-23J/K）。
气体间隙击穿理论
非持续作用电压雷电冲击过电压、操作冲击过电压持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计。
间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系用伏秒特性来表达气隙的击穿特性伏秒特性以斜角波电压为例说明考虑放电时延的必要性在间隙上缓慢地施加电压，达到静态击穿电压U 0后，间隙中开始发展起击穿过程。
但击穿需一定时间∆τ= t l ，在此时间内电压上升击穿完成时间隙上的电压应为U 0+∆Utu U ∆∆⋅∆=∆/τ例如某间隙的静态击穿电压为50kV ，放电时延为如果电压上升的平均陡度为，与50kV 相比，可以忽略电压上升的平均陡度：，与50kV 相比，不能忽略V/S 10s )105/(V 1050733=××−V/S 10s )105/(V 10501063=××−S 106−=∆τV 10107=∆×=∆τU KV 101010=∆×=∆τU伏秒特性的制订方法工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性伏秒特性用实验方法求取放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域伏秒特性的应用Ｓ２对Ｓ1起保护作用在高幅值冲击电压作用下，Ｓ２不起保护作用气隙击穿电压的概率分布无论何种作用电压，气隙的击穿电压都有分散性，但分散程度不同接近正态分布：用50%击穿电压U和相对标50准偏差σ来表示，表3-2-1耐受电压：工程中将对应于（99%以上）的电压最为耐受电压U50(1-3σ)——击穿几率99.86%球—球间隙极性效应：当d＞D/4，大地对电场的畸变作用使间隙电场分布不对称：电场最强的电极为负极性时的击穿电压略低于正极性时的数值电场均匀程度影响：同一间隙距离下，球电极直径越大，击穿电压也越高照射效应：增大气隙中出现有效电子的概率，减小击穿电压的分散性直流电压下的击穿电压¾极性效应：棒—棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒—板电极之间¾击穿电压与间隙距离接近正比，平均击穿场强：正棒—负板：4.5kV/cm负棒—正板：l0kV/cm棒—棒：4.8~5.0kV/cm工频电压下的击穿电压¾击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生¾间隙距离小于2.5cm，击穿电压和距离近似直线关系¾平均击穿场强(幅值)：棒—棒间隙为5.36kV/cm，棒—板间隙为4.8kV/cm¾“饱和现象”：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒—板间隙尤为严重d＝1m， 5 kV/cmd＝l０m，2 kV/cm¾在图所示范围内击穿电压和间隙距离呈直线关系¾棒—板间隙有明显的极性效应，棒—棒间隙也有不大的极性效应操作冲击电压下空气的击穿电压极不均匀电场中的操作冲击50％击穿有许多特点¾极性效应正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险¾电场分布的影响“邻近效应”：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压¾“饱和”现象：和工频电压下类似，棒—板间隙更严重¾分散性大：波前时间在数十到数百微秒之间，U50的标准偏差约为5％；波前时间超过1000µs以后，可达8％¾波形的影响在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压低，呈现出“Ｕ形曲线”放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的对应极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，在50∼200µs之间1、改进电极形状以改善电场分布 增大电极曲率半径减小表面场强。