1-气体放电的物理过程-1教程

电离形式一：光电离
当气体分子受到光辐射时，如光子能量满足下面条 件，将引起光电离，分解成电子和正离子：
hν ≥ W i
h — 普朗克常数 h＝6.62×10-27尔格·秒。
ν — 频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有
粒子性，称为光子）
光子的产生
导致气体光电离的光子可以由紫外线、 x 射线等 提供，也可以由气体放电过程本身产生。
λ
r ：气体分子半径
P ：大气压力
T ：气温
kT λ = 2 πr P
k ：波尔兹曼常数
迁移率

带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形 成电流 在气体放电空间 ，带电粒子在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电粒子的 驱引速度 vd = bE

b ——迁移率 • 电子迁移率比离子迁移率大得多
电磁波谱
1：X射线；2：紫外线；3：可见光；4：红外线；5：微波；6：无线电波
电离形式二：热电离
包括：
一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。
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。
电离形式三：碰撞电离
在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电 子的动能满足如下条件时，将引起碰撞电离：
γ 系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，
使阴极金属表面平均释放出的自由电子数。 （阴极发
射电子），阴极发射也叫阴极上的 γ 过程。
光照射
设：从阴极发出一个电子，经多次 碰撞电离，在经过距离阴极x后，产 生n个电子 这 n 个电子行过 dx 之后，又会产 dx ＋ 生dn个新的电子

4.带电粒子的消失——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、还原为分子的过程称为复合过程。 在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能 量，产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能 成为导致电离的因素。
二、气体放电过程的电子崩理论 1.问题的提出：平行板电极实验
光照射
−
+
A V
1 2 m = qe Ex ≥ Wi e ve 2
Wi——气体分子的电离能。
或
Ui xi ≥ E
me——电子的质量；ve——电子的速度；
提高气体场强，可以加速电离。 碰撞电离是气体产生带电粒子的主要方式。
电离形式四：金属(阴极)的表面电离 ——阴极发射
金属表面发射臂气体电离更易发生，在气体
在外电离因素作用下，从阴极产生的第一个起始电子， 从电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这 两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子， 这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过 程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。这 一剧增的电子流称为电子崩。
2.带电粒子的运动
电子平均自由行程 各种粒子在气体中运动时不 断地相互碰撞，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的 倒数 λ 即为该粒子的平均自 由行程长度。
电子平均自由行程
由气体动力学可知，电子平均自由行程长度：
P( x) = e
−
x
体间隙的击穿电压
了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气
体状态的关系 电气设备中常用气体作为绝缘介质：空气、 SF6 及其混合气体
一、带电粒子的产生、运动与消失
气体放电过程： 在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程。 问题的提出： 1、气隙中带电粒子是如何形成的？ 2、气隙中的导电通道是如何形成的？ 3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
一、带电粒子的产生、运动与消失
1.带电粒子的产生——电离
原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子 核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态 的轨道，这个过程称为激励。 如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆 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， Wi 。
a、正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递 的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和 正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。 因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出 现自由电子。 b、光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大 于逸出功时，金属表面放射出电子。
电离形式四：金属(阴极)的表面电离（续） c、强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴 极放射出电子 d、热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子 获得巨大动能，逸出金属。
气体放电基本物理过程
李华伟 北京交通大学电气工程学院 电气楼307室 hwli@
参考华中科大李黎老师以及华北电力大学高压课件，特此致谢！
研究气体放电的目的： 了解气体在高电压（强电场）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 学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气


3.带电粒子的附着——产生负离子

有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 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、氯，SF6 等） 产生负离子后，减少了自由电子数量，所以，抑制了 气体放电，提高了气体绝缘强度。
电子崩理论
－
＋
电子崩具显圆锥形， 电子集中在崩头，尾部 为正离子
电子崩理论
为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数： α 系数：代表一个电子沿着电场方向行经 1cm
长度，平均发生的碰撞电离次数；（形成电子崩）
β 系数：代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，
平均发生的碰撞电离次数； （离子崩）——可以忽略
扩散

带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的 气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越 高或者温度越低，扩散过程也就越弱 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