气体放电基础分析
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。
气体放电管基础知识
2.1气体放电管2.1.1简介气体放电管是在放电间隙内充入适当的气体介质，配以高活性的电子发射材料及放电引燃机构，通过银铜焊料高温封接而制成的一种特殊的金属陶瓷结构的气体放电器件。
它主要用于瞬时过电压保护，也可作为点火开关。
在正常情况下，放电管因其特有的高阻抗(>1000MQ)及低电容(<2pF)特性，在它作为保护元件接入线路中时，对线路的正常工作几乎没有任何不利的影响。
当有害的瞬时过电压窜入时，放电管首先被击穿放电，其阻抗迅速下降，几乎呈短路状态，此时，放电管将有害的电流通过地线或回路泄放，同时将电压限制在较低的水平，消除了有害的瞬时过电压和过电流，从而保护了线路及元件。
当过电压消失后，放电管又迅速恢复到高阻抗状态，线路继续正常工作。
气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。
放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。
由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。
气体放电管的基本特点是：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。
但残压高，反应时间慢(WIOOns),动作电压精度较低，有续流现象。
Figure 1气体放电外观图2.1.2气体放电的伏安特性气体放电管的伏安特性通常与管子的哪些电极间施加什么极性的电压没有关系。
现以一个直流放电电压为150V的二极放电管为例，来说明放电管伏安特性的基本特征。
下图是按电子元件伏安特性的惯用画法，即以电压为自便量，画作横坐标；以电流为应变量，画作纵坐标。
由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。
如图所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在A点放电，A点的电压称为放电管的直流放电电压。
在A到B之间的这段伏安特性上，其斜率(即动态电阻du/di) 是负的，称为负阻区。
如果200V的直流电压源经1MQ的电阻加到放电管上，放电管即工作在此区间，这时的放电具有闪变特征。
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾 湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
2.气体放电的基理论分析-均匀场与不均匀场的放电
3.流注理论
汤逊气体放电理论实在气压较低，pd值较小的条件下进行放电实验的 基础上建立起来的。pd过小或者过大，放电机理出现变化，汤逊理论就不 适用了。当气压是101.3kPa或更高、长气隙pd>>26.66kPa.cm。
电子崩在正常大气下发展若E=30kV/cm则α=11cm^-1我们可以推算出崩头 电子数的表
自由行程超过 平均自由程为λ，则
令
的电子才能与分子发生碰撞电离，若电子的
气体温度不变时，平均自由程与气压成反比
我们将之前推出的气隙击穿条件带入上式中可以推出击穿电压
1.3汤逊理论的核心理论及适用范围
1.汤逊原理中对实验的分析主要以碰撞电离为理论基础 2.汤逊原理的实验环境仅限于短间隙，低气压，大曲率电极， 均匀电场的条件下(pd<26.66kPa.cm[200mmHg.cm]) 3.达到自持放电后的放电型式和特性取决于所加电压的类型、 电场型式、外电路参数、气压和电源容量等条件。 4.汤逊实验中阴极材料对实验影响较大，γ系数会随材料的 变化而变化，因而击穿电压也受到阴极材料影响。
3.
2.2极性效应
正极性
•棒极附近强场区内的电晕 放电将在棒极附近空间留下 许多正离子
•这些正离子虽朝板极移动, 但速度很慢暂留在棒极附近
•这些正空但速度很慢而暂 留在棒极附近，如图间电 荷削弱了棒极附近的电场 强度，而加强了正离子群 外部空间的电场
•负极性
• 崩头的电子在离开强场（电晕）区 后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍 继续往板极运动，而留在棒极附近的也 是大批正离子 • 这时它们将加强棒极表面附近的电 场而削弱外围空间的电场 • 所以，当电压进一步提高时，电晕 区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是 不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要 比正极性时高得多，完成击穿过程所需 的时间也要比正极性时长得多。 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电 压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极 性的那半周内；在进行外绝缘的冲击高压试 验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这 时的电气强度较低。
第1章 气体放电
第一章 气体放电
2、负棒一正板
第一章 气体放电
a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离， 使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电 场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击 穿电压。
第一章 气体放电
结论： 在间隙距离d相同时 虽然UC(+)＞UC(-) 但 Ub(+)＜Ub(-) 式中 UC——电晕起始电压 Ub——击穿电压 此称为极性效应。
第一章 气体放电
2、当P一定时 ↑→ 要维持足够的电场强度 →必须升高 d d↑→ ↑→要维持足够的电场强度 要维持足够的电场强度→ 电压 反之 ↓→ 当与平均 λ可比拟时 →电子走完全 d d↓→ ↓→当与平均 当与平均λ 可比拟时→ 程中的碰撞次数 ↓→ Ub↑ 程中的碰撞次数↓→ ↓→U
第一章 气体放电
第一节 气体中带电质点的产生与消失 一、气体中带电质点的产生(游离)
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。
第一章 气体放电
２、光游离 各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫 外线、γ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 在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。 4 、表面游离 包括热电子发射、正离子撞击阴极、短波光 照射效应及强电场发射等，都可以使阴极发射电 子。
第一章 气体放电
二、绝缘的一般分类
1、按存在形式 � 气体介质 � 液体介质 � 固体介质 2、按是否可自行恢复绝缘 � 可恢复绝缘 � 不可恢复绝缘
第一章 气体放电
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。
气体放电基础分解课件
气体放电在高压电器中应用广泛，主要用于电弧放电和火花放电。
详细描述
在高压电器中，如断路器、变压器等，气体放电主要利用电弧放电的方式进行灭弧。电弧是一种高温、高导电率 的等离子体，能够快速切断电流，防止设备过热和损坏。此外，在高压电器中，气体放电还可用于火花放电，作 为一种绝缘介质，防止电流击穿空气而产生电弧。
03
汤生放电的特性
CATALOGUE
气体放电的数学模型
电流-电压特性
01
02
连续放电阶段
过渡放电阶段
03 火花放电阶段
伏安特性与击穿电压
伏安特性 击穿电压
放电时间与稳定性
放电时间
稳定性
CATALOGUE
气体放电的实验研究
放电装置与测量仪器
放电装置
测量仪器
包括电压表、电流表、功率计、光谱 仪、光度计等，用于测量放电的各项 参数。
在没有外部电场的情况下，由于 气体放电产生的离子和电子在电 场作用下会形成电流，从而维持
放电过程。
火花放电
当外加电场超过气体的绝缘能力 时，会在电极之间产生电弧，形
成火花放电。
电晕放电
在低气压或高电压情况下，气体 分子间距较大，不容易发生碰撞 电离，但会在电极边缘产生高电 场，引发气体局部电离，形成电
气体放电基础分解 课件
目 录
• 气体放电基础概述 • 气体放电的物理过程 • 气体放电的数学模型 • 气体放电的实验研究 • 气体放电的应用案例 • 气体放电的未来展望
contents
CATALOGUE
气体放电基础概述
气体放电的基本概念
气体放电
气体放电的原理
气体放电的触发机制
气体放电的种类
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。
04气体放电的物理基础4解析
弧隙上的电压uh决定于相应的动态伏安特性。ih的大小由负载决定. c.在ih半波末了时，u下降至低于uxh时，电弧uh又随u变化（电弧完全 熄灭），ih很小趋向于零。
HOME
§4-4 交流电弧的特性
2. 电弧电压对交流电路电流的影响 1）零休现象
电流过零前后一小段时间内，Ph< Ps，弧隙被迅速冷却，弧柱 变细， Rh迅速增大，使得此时的ih与负载额定电流相比，几乎可 以认为是零。 这一现象通常称为电流的“零休现象”。
由于零休现象的存在，电流在过零前后，其波形不再表现为 平滑的正弦波形，而是变化比较剧烈，甚至产生曲折的现象。这 一情况，在电阻性负载电路中比电感性负载电路中要严重得多。
结果：urh之前和uxh之后的uh波形（实际是弧熄的波形），皆与u 的波形基本重合。
7
§4-4 交流电弧的特性
(2) 电感性负载
Urh
u i
uh
Uxh
ωt
结论： 在开断同一电流时，电阻性负载电路中的电弧比电感性负
载电路中的电弧更容易熄灭。
HOME
§4-4 交流电弧的特性
（2）电感性负载下，交流电弧的熄灭过程： ih落后电源电压u约90°。
§4-4 交流电弧的特性
1. 交流电弧的伏安特性 1）交流电弧的伏安特性
uh, i 燃弧尖峰Urh
uh
i
熄弧尖峰Uxh
0
ωt
电弧电压随时间变化关系
HOME
§4-4 交流电弧的特性
uh A
C
B
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。
气体放电基础知识
气体放电基础知识关于气体击穿常用气体绝缘介质：空气、 SF6、CO2、 N2、混合气 + CO2、 SF6 + N2）等。
体（SF6气体击穿：正常情况下气体是良好的绝缘介质，但当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力（气体击穿）。
气体击穿是气体绝缘失败的最后表现形式，深入了解气体击穿的发展过程，对于提高分析问题、解决问题的能力更有意义。
平均电场强度与最大电场强度尖端效应或边缘效应电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。
在电极尖端或边缘的曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。
这种现象称为尖端效应或边缘效应。
尖端效应或边缘效应是极不均匀电场的重要标志。
工程上常需改善电极形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。
分析绝缘结构的击穿电压时，不仅要考虑绝缘距离，而且还要考虑电场不均匀程度的影响。
对于同样距离的间隙，电场愈不均匀，通常击穿电压愈低。
茹柯夫斯基电极任一等位面上电场强度最大值：12211222C U U C C =+静电感应现象电容分压导体受邻近带电体的影响，在其表面不同部位出现正负电荷的现象称为静电感应。
气体放电的几个概念：气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
气体击穿：由于外施电压升高，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。
气体由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
气体放电的基本形式包括：1、电晕放电（局部放电）；2、辉光放电；3、电弧放电；4、火花放电。
气体击穿后的放电形式受气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响。
1、电晕放电：随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层。
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。
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），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出现发光现象。
04气体放电的物理基础1
χ = 1.55 ×1
−2
T e p / 133
式中： 气体压力，单位为Pa； 式中： p — 气体压力，单位为 ； T — 气体温度，单位为 ； 气体温度，单位为K； Wyl— 中性粒子的电离能，单位为 。 中性粒子的电离能，单位为J。
12
§3.1气体放电的物理基础
5
§3.1气体放电的物理基础 气体放电的物理基础
二、气体电离方式 带电粒子: 带电粒子 电离气体: 电离气体 电子、正离子和负离子。 电子、正离子和负离子。 含有带电粒子的气体。 含有带电粒子的气体。
气体通常是不导电的，但如果气体中含有带电粒子，它就能够导电。 气体通常是不导电的，但如果气体中含有带电粒子，它就能够导电。
电离度： 电离度：
电离度 =
气体中被电离的原子数 总原子数
电离度越高，气体的电导率越大。 电离度越高，气体的电导率越大。 气体电离的方式：表面发射和空间电离。 气体电离的方式：表面发射和空间电离。
6
§3.1气体放电的物理基础 气体放电的物理基础
1、表面发射 、 金属电极表面在某些情况下能够发射电子进入极间气体。 金属电极表面在某些情况下能够发射电子进入极间气体。 (1) 热发射 金属的温度升高时，其表面的自由e可能获得足够的动能，以超越金属表 金属的温度升高时，其表面的自由 可能获得足够的动能， 可能获得足够的动能 面晶格电场造成的势垒而逸出。 面晶格电场造成的势垒而逸出。 逸出功Wyc ： 逸出功 一个电子逸出金属表面所需的能量。 一个电子逸出金属表面所需的能量。 表面所需的能量
1
§3.1气体放电的物理基础 气体放电的物理基础
一、电离和激励的概念 1、原子结构 、 物质的原子是由原子核和若干个绕原子核旋转的电子构成的，这些电子 物质的原子是由原子核和若干个绕原子核旋转的电子构成的，这些电子 核和若干个绕原子核旋转的电子构成的 沿着一定的轨道围绕原子核运动。 沿着一定的轨道围绕原子核运动。 2、电离 、 (1) 定义：如果外界加到原子上的能量足够大，使其电子得以跳出原子核 定义：如果外界加到原子上的能量足够大， 吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子（中性粒子） 吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子（中性粒子）变成 一带有正电荷的离子——正离子。 正离子。 一带有正电荷的离子 正离子 (2) 电离能：电离出一个自由电子所需的能量，叫做电离能 i，为一个电 电离能：电离出一个自由电子所需的能量，叫做电离能W 子的电量与一电位差的乘积， 子的电量与一电位差的乘积，即
气体放电的机理
(3)当电子动能小于气体分子的电离能时，每次碰撞都不会 使分子发生电离，而当电子动能大于气体分子的电离能时 ，每次碰撞必定使分子电离。
自持放电条件如果电压电场强度足够大初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子它们的数目取决于电场强度就能维持下去这就变成了自持放电
气体放电的机理
制作人： 朱胜
均匀电场中气体击穿的发展过程
一. 自持放电、非自持放电
②d很小时，自由电子直接从阴极运动到阳极（工程中 不会用到）。
应用：增加气体间隙的距离可提高间隙的击穿电压。
汤逊放电理论的适用范围
➢ 低气压、 短间隙的电场中，即 p d 200(cm 133pa)
汤逊放电理论不能解释的放电现象
1、放电外形 根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展.
低气压下气体放电发光区确实占据了整个电极空间，如辉光放 电。但大气压力下气体击穿时出现的却是带有分枝的明亮细通 道。 2、放电时间
基于以上的原因提出了流注放电理论：
谢谢！
γ系数：一个正离子撞击阴极表面产生的二次自由电子量。 上述产生的二次电子同样可引起气体空间的电离。
nc n0 n
上式中： n ：阴极表面单位时间和单位面积上由于 过程而产生的自由
电子数。
nc ：阴极表面单位时间和单位面积上产生的自由电子数。
n0
：阴极表面单位时间和单位面积上由于外界电离因素而产 生的自由电子数。
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。
史永胜4-气体放电基础
潘宁效应 辐射的淬灭 敏化荧光
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气体放电物理基础
2．带电粒子的复合 • 电子和正离子间的复合
假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前， 电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子速 度为u。中性原子的质量则为m＋M。eUi为其电离能。
根据动量守恒有 m v(mM)u
根据动量守恒有 1 2m2veU i 1 2(mM)u2
氦原子的激发截面与电子能量的关系
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气体放电物理基础 • 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离
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• 光致激发和光致电离
h A A* ()
光致激发和光致电离 的光子波长
(nm) 1.24103
W(ev)
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从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高 度增加而下降， 在到达1.5km以后，剩余电离重 新增加。
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气体原子的激发转移和消电离
气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和 电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非 弹性碰撞。
1．气体原子的激发转移
• 自发辐射跃迁 • 与电子的非弹性碰撞 • 与基态原子的非弹性碰撞
举例：
汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态 电压只有9~10V。这是因为
e H * ( 6 3 p 0 g ) H e g e
能级为4.66ev
能级为5.43ev e H * ( 6 3 p 2 ) g H e e g
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气体放电物理基础
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气体放电物理基础
气体放电中的基本粒子： • 基态原子（或分子） • 电子 e＝1/2mve2，典型密度为1016~1020/m3. • 激发态原子(或分子) • 正离子和负离子 • 光子 ＝h
气体放电物理基础
基本粒子间的相互作用 • 弹性碰撞
参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变 化，而位能不发生变化。
由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以 离子复合几率比电子复合几率大得多。
在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两 步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负 离子再与正离子发生复合。
气体放电物理基础 3. 带电粒子的电荷转移
A B A B E
A B A B* E
A B A* B* E
e Hg *(63 p0 ) Hg e e
能级为4.66ev
能级为5.43ev e Hg * (63 p2 ) Hg e e
气体放电物理基础
碰撞截面
原子作用半径R： 电子与原子间能发生相互作用的最大距离。
原子与电子碰撞的有效截面 qe R2
电子能量的函数
有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒 子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。
平均能量损失率
2m1m2
(m1 m2 )2
举例：me=9.110-31kg, mHe=6.6810-27kg.
e-He原子碰撞：＝2.7210-4, He+-He原子碰撞：＝0.5
气体放电物理基础
• 非弹性碰撞
使参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。 第一类非弹性碰撞：导致粒子体系位能增加。
如 He+e(快速） He*+e（慢速）
4．负离子的形成
中性原子捕获电子形成负离子 e A A h
三体碰撞
e
A
B
A
B
分解吸附 e XY ( XY )* X Y
分子气体与电子碰撞产生离子对 重粒子间的电荷转移产生离子对
e A
XY X B A
Y B
e
气体放电物理基础
带电粒子在气体中的运动
• 带电粒子的热运动 • 带电粒子的扩散运动 • 带电粒子的漂移运动
(2)高能X射线量子被原子吸收，使原子一个内层电子电 离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程 也伴随着能量的释放。新的X量子又可以产生新的电离。
(3)原子不是完全吸收x射线量子，而是产生康普顿效应。
气体放电物理基础
核辐射引起的电离： （1）射线、质子和氘核
它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生 的第一类非弹性碰撞。
eUi
1 2
(m
M )u2
气体放电物理基础
从以上两式得出
u2 2eUim (无解) (m M )M
说明 电子与正离子的二体复合不可能发生。
三体碰撞复合
辐射复合
气体放电物理基础
• 正负离子间的复合
（a）辐射复合 X - +Y+ XY +h （b）电荷交换 X - +Y+ X＋Y （c）三体复合 X - +Y+＋Z XY +Z
（受激原子自发地直接过渡到 基态， 并产生光子辐射。）
激发态 原子能级
较高激发态能级
（向较低基发态能级跃迁，并产生光子 辐射。）
亚稳能级
（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）
气体放电物理基础
• 电子与气体原子碰撞致激发和电离
——电子使基态原子(或分子)电离和激发
电子必须具有的动能
原子由基态E0激发态Em
(nm) 1.24 103
W (ev)
气体放电物理基础
• 热激发和热电离
(1)气体原子相互碰撞产生电离 (2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离 (3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离
气体放电物理基础
• X射线及核辐射引起的电离和剩余电离 X射线：
(1)气体原子吸收X射线量子后，使一个价电子脱离。这 个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。
气体放电物理基础
带电粒子的热运动 （1）带电粒子的速度分布与平均动能
麦克斯韦分布：
气体放电物理基础
三种统计速度：
e A A* e E
1 2Biblioteka me 2EmE0
eU e
基态原子被电离
e A A 2e E
1 2
me 2
Em
E0
eU e
气体放电物理基础
——电子使激发态原子电离和激发
e A* A** e e A* A e e
举例：
汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态 电压只有9~10V。这是因为
第二类非弹性碰撞：导致粒子体系位能减小。 如 He* +e(慢速） He+e（快速）
气体放电物理基础
第一类非弹性碰撞:
内能的最大值
Wm a x
m2 2(m1
m2 )
E12
E1
1 2
m112
如 m1m2，Wmax0.5E1； m1m2，WmaxE1。
气体放电物理基础
气体原子的激发和电离
谐振能级
（2）射线
它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一 类非弹性碰撞。
（3）射线
射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电 离，主要产生康普顿效应。
气体放电物理基础
剩余电离
（1）在地面附近产生剩余电离的原因是地壳中 放射性物质的辐射。
（2）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。 宇宙线是来自星际空间的高能粒子。
潘宁效应 辐射的淬灭 敏化荧光
气体放电物理基础
2．带电粒子的复合 • 电子和正离子间的复合
假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前， 电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子速 度为u。中性原子的质量则为m＋M。eUi为其电离能。
根据动量守恒有 mv (m M )u
根据动量守恒有
1 2
mv2
气体放电物理基础
电子和气体原子的碰撞几率
总有效截面
Qe nqe
电子的平均自由程
e
1 Qe
1 nqe
气体放电物理基础
氦原子的激发截面与电子能量的关系
气体放电物理基础 • 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离
气体放电物理基础
• 光致激发和光致电离
h A A*()
光致激发和光致电离 的光子波长
从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高 度增加而下降， 在到达1.5km以后，剩余电离重 新增加。
气体放电物理基础
气体原子的激发转移和消电离
气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和 电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非 弹性碰撞。
1．气体原子的激发转移
• 自发辐射跃迁 • 与电子的非弹性碰撞 • 与基态原子的非弹性碰撞