空气电离

空气电离
空气是由氧、氮、水蒸气、二氧化碳等多种气体组成的气体混合物，在正常情况下，气体分子不带电（显中性），但在射线、受热及强电场的作用下，空气中的气体分子会失去一些电子，即所谓空气电离，这些失去的电子称为自由电子，它又会与其它中性分子相结合而得到电子的气体分子带负电，称为空气负离子。

负离子具有热电性和压电性，既使在微小的温度和压力变化的情况下，亦能引起负离子晶体之间的电势差，从而使空气发生电离，空气中，多种气体分子"俘获"电子的能力有强有弱，其中氧气和二氧化碳较强，而氧气在空气中占20%多，二氧化碳仅占0.03%。

因此空气电离产生的自由电子大部分被氧气获得，形成负氧离子，又称"负离子"。

一些实验设备要在真空中运行,当加高压时往往会因真空不好出现放电现象,想问问空电离和什么因素有关?有没有计算的公式?
电离和电介质材料和加工工艺水平有重要的关系，真空电离说明还有气体存在。

电离当然要再你的环境中存在可以电离的截介质才行，真空中试不行的。

真空特别号或者特别遭的时候都不是很容易电离的，好像是在-2量级的时候比较容易电离
1cm空气的击穿电压（尖端击穿）是多少？
在均匀电场，气压为0.098MPa、温度为20℃、两极间距离大于0.1cm 的条件下，空气击穿电压与极间距离保持以下关系 Uj=300b+1.35
式中:Uj——空气击穿电压，kV；
B ——电极间距离，cm。

正常情况下，1mm空气击穿电压是多少？
空气击穿电压一般为3kV/mm
帕邢曲线
如P不变，当l减小时，一方面电场强度增大，使a增加；另一方面电子雪崩发展空间l缩短，两种因素，效果相反，总的作用可以使al增大或减小。

如果l不变，P增加，一方面带电粒平均自由程缩短，使带电粒子在自由程中获得的能量减小，不利于放电。

另一方面带电粒子在两电极间渡越时所发生碰撞次数增多，有利于放电，因此存在最低点Vmin
当Pl甚小时，电子在电极问飞过发生碰撞次数太少，因电离次数太少，放大倍数也太少。

若Pl再减少，为实现着火，极间电压必须增加。

Pl甚大时，电子在极间运动，发生弹性碰撞次数太多，电子损失能量过多，也不利于产生碰撞电离，若P2再增大，极间电子雪崩增长更少，则必须增加电压系统着火。

根据帕邢定律可以看出影响着火电压的主要因素如下：
(1)Pl值的作用。

帕邢定律表明，当其他因素不变的时候，Pl 值的变化对着火电压的变化起决定作用。

(2)气体种类和成分的影响。

在着火电压中起重要作用阿尔法系数和伽马系数与气体有关，故气体种类影响着火电压。

(3)电极材料和表面状况的影响。

(4)电场分布的影响。

电极结构和极性决定着着火前电极间隙的电场分布。

电场分布对汤森阿尔法系数和伽马系数的数值起决定作用，影响气体中的电子与离子的运动轨迹以及电子雪崩过程，因此，它对着火电压影响很大。

(5)外界电离源的影响
空气密度越低越容易被击穿那么真空呢真空导电吗
要看多大的真空度，真空度太低或太高放电电场强度都比较高，这个在物理学上是适用于帕邢定律Paschen law即表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。

在不同真空度下的放电电场强度可以查一下帕邢曲线.
帕邢定律-正文
表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。

1889年由F.帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。

表达为:击穿电压U（千伏）是电极距离d（厘米）和气压
P（托）乘积的函数。

应用汤森击穿条件r(ead-1)=1（见汤森理论）以及电离系数 χ与(Pd)的关系式可以求出击穿电压公式
帕邢定律在一定(Pd)范围有效。

气压过高或高真空中，放电过程不能用汤森理论，帕邢定律也不适用。

汤森理论 - 正文
解释气体放电机制的最早理论。

由英国物理学家J.S.E.汤森于1903年提出。

汤森在实验中发现，当两平板电极之间所加电压增大到一定值时，极板间隙的气体中出现连接两个电极的放电通道，使原来绝缘的气体变成电导很高的气体，有放电电流通过，间隙被击穿。

汤森用气体电离的概念解释这一现象。

他设想有n0个自由电子在电场作用下由阴极向阳极运动,只要电场足够强,电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成电子崩。

若每个电子在电场中移动单位距离时产生的电离次数为α(汤森电离系数),则可推知n0个自由电子在由阴极向阳极运动中经过距离n后将增加到n0e ad,而每个电子产生的正离子－电子对数为e ad-1。

正离子在电场作用下向阴极运动，设每个正离子撞击阴极时引起的电子发射（称二次电子发射）的概率为r,则n0个自由电子引起电离后产生的二次电子数为rn0(e ad-1)。

要使放电持续不断，则需使rn0(e ad-1)=n0或r(e ad-
1)=1，这就是汤森自持放电的条件，又称汤森判别式。

对于不同间隙介质都有不同的临界击穿电场强度E c（大气中约30kV·cm-1）。

间隙中的电
场E低于E c时，间隙不会击穿。

在汤森判别式中,电离系数α随外加电场强度E的增强而增大,因此电子的电离效应也加强。

α值必须足够大才能产生足够的电离次数及离子数，满足自持放电条件使间隙被击穿。

实际过程比这要复杂一些，例如间隙中空间电荷的积累会引起电场畸变；阴极表面还存在光电发射和其他粒子轰击阴极表面的过程；间隙气体中还有光电离和电附着作用等。

虽然自持放电包括的过程比较复杂,但判别式的形式仍是
其中r m为包括了各种阴极表面过程的二次电子发射概率，μ为气体吸收系数。

利用高速示波
器可以测出放电发展过程中的电流变化。

电流的周期性变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。

不满足自持条件时的放电，电流逐步减为零，此时间隙中气体未击穿，仍保持绝缘状态。

汤森理论只适用于气压比较低、气压与极距的乘积(Pn)比较小的情况。

高气压电击穿　由于气体压力与气体密度成正比，因而气压将直接影响电子的自由程，从而影响电离和击穿。

帕邢定律表明,在相同的间隙距离下,提高气体压力可提高其击穿电压。

然而高气压下气体介质击穿的机理与汤森理论有很大差异。

高气压电击穿有以下特点：①超过一定气压Pc之后（各种气体的Pc值不同,例如SF6的Pc约在6kg/cm2 以上），击穿电压有较大的分散性。

经过多次放电之后(一般称“锻炼”)，击穿电压值渐趋稳定。

但即使在锻炼之后，偶而也会出现很低的击穿电压。

②阴极材料对击穿电压有影响。

阴极材料的结构，例如有无杂质，单晶或多晶，是否有位错等，也会影响击穿电压的大小。

③电极表面状态的影响。

电极表面加工及清洁程度对击穿电压有作用。

如电极经抛光、除油等处理后，击穿电压比处理前高。

④电极面积增大，击穿电压将有所降低。

⑤气体中若含有水气及悬浮尖埃等杂质，则会降低击穿电压。

因此所充气体应经过净化处理。

转抄：
绝缘物在强电场及其他因素的作用下，如电场强度超过一定限度，将急速地发生破裂或分解，完全失去绝缘性能而破坏。

这种破坏方式称为击穿。

绝缘物发生击穿时的电压称为击穿电压，发生击穿时的电场强度简称击穿强度。

气体击穿是由碰撞电离导致的电击穿，是与气体放电过程相联系的。

两极间气体放电特性如图1-1所示。

由于大气中产生和存在着微量的自然离子，在两极间施加电压即有电流出现。

当两极间电压低于U1时，气体中电流随电压增加而增加（图中OA 段）。

这是由于电压越高，电场越强，达到极面的电子和离子越多的缘故。

当电压升高到U1~U2之间时，气体中电流基本上保持不变（图中AB段）。

这是由于电极间空气中的电子和离子在极短的时间内全部到达电极的缘故。

当电压升高超过U2时（图中B点），由于碰撞电离，即由于空气中的电子
在定向运动过程中获得足够的动能，与气体分子碰撞时使中性分子电离，产生新的电子和离子，使得电流随着电压的增加而迅速增加。

当电压继续升高超过U3时（图中C点），由于出现雪崩式电离，即由于碰撞产生的电子也能积累足够的动能引起新的碰撞电离，形成所谓电子崩；电子崩出现后，空间电子和离子急剧增加，碰撞电离增强，光电离出现，形成所谓流注。

如果电场比较均匀，一旦出现流注，即迅速发展，形成贯穿整个间隙的火花放电，间隙被击穿；如果间隙很大，流注伸展一定距离后不再向前发展，但其后方发生强烈的热电离，形成所谓先导放电，先导放电贯穿整个间隙即构成更为明亮的火花放电。

如果电场不均匀，流注在电场强度高的区域形成，并可能只伸展到一定距离就停下来，流注前部呈刷状，但不构成整个间隙的火花放电。

如果电场很不均匀，只在很小的范围内发生流注，形成电晕放电。

在均匀电场，气压为0.098MPa、温度为20℃、两极间距离大于0.1cm 的条件下，空气击穿电压与极间距离保持以下关系
Uj=300b+1.35
式中:Uj——空气击穿电压，kV；
B ——电极间距离，cm。