1-气体放电的物理过程-1教程
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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@bjtu.edu.cn
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
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。
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？
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。
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：碰撞电离源自文库
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：
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。
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
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
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
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
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
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，在气体放电中起 重要作用。页6表1-2
二、气体放电过程的电子崩理论
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
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 。
李华伟 北京交通大学电气工程学院 电气楼307室 hwli@bjtu.edu.cn
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
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。
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？
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。
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：碰撞电离源自文库
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：
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。
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
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
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
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
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
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，在气体放电中起 重要作用。页6表1-2
二、气体放电过程的电子崩理论
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
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 。