高电压技术—1.1节

子，此电子到达阳极表面时由于 过程，电子总数
增至 ed 个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电 离撞出一个正离子，故电极空间共有（ ed －1）个
d 正离子。由系数 的定义，此（ e－ 1）个正离子
在到达阴极表面时可撞出 （ed －1）个新电子，这 些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的 正离子，如此循环下去。
视频链接
电子崩的演示
图1－4 电子崩的示意图
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪
崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电 子崩。 为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 。
:
表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完
成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。 由于碰撞电离和电子 崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 产生dn个新电子。
1、气体中电子与正离子的产生
电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和 正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励 再电离的分级电离方式。
电离方式可分为 ： 热电离、
光电离、 碰撞电离、 分级电离
（1）热电离
常温下，气体分子发生热电离的概率极小。
气体中发生电离的分子数与总分子数的比值x称为
该气体的电离度。 下图为不同温度下空气和 SF6 气体的热电离程度。
带电质点的复合 复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可
能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。
复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子
复合，其结果是产生一个中性分子；
复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为 离子复合，其结果是产生两个中性分子。
返回
1.1.3 电子崩与汤逊理论
气体放电现象与规律因气体的种类、气压和
自持放电条件为
(e 1) 1
d
(1-21)
：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的 二次电子数
：电子碰撞电离系数
d ：两极板距离
此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进
入阳极后可以由及 过程在阴极上又产生一个新的替
身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
（2）汤逊放电理论的适用范围
na n0e
d
(1-10)
途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (e 1)
即得电流关系式：
d
(1-11)
将式(1-10)的等号两侧乘以电子的电荷 qe，
I I 0e
I0 式(1-12)中， n0 qe
d
(1-12)
式(1-12) I I 0ed 表明：虽然电子崩电流按指 数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自 持，因为一旦除去外界电离因子(令 I 0 0 )，即 I 变为零。
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能
小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电
子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁 回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
为此引入系数。 阴极表面电离，统称为 过程。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
本节内容：
1.1.1 带电质点的产生
1.1.2 带电质点的消失 1.1.3 电子崩与汤逊理论 1.1.4 巴申定律与适用范围 1.1.5 气体放电的流注理论 1.1.6 不均匀电场中的气体放电
返回
1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。 由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生 微弱的电离而产生少量的带电质点。 正常状态下气体的电导很小，空气还是性能 优良的绝缘体； 在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧 失绝缘性能。
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能
1 2 mv eEx 2
(1-3)
高速运动的质点与中性的原子或分子碰 撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于 其电离能，则会生电离。 因此，电离条件为
eEx Wi
式中：
(1-4)
e ：电子的电荷量；
E ：外电场强度； x ：电子移动的距离
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
（2）在I-U曲线的B、C点： 电压升高至 U B 时，电流又开始 增大，这是由于电子碰撞电离 引起的，因为此时电子在电场 作用下已积累起足以引起碰撞 电离的动能。电压继续升高至 U 0 时，电流急剧上升，说明放 电过程又进入了一个新的阶段。 此时气隙转入良好的导电状态， 即气体发生了击穿。
时，可检测到微小的电流。
由图1-3可见， （1）在I-U曲线的OA段： 气隙电流随外施电压的提高而 增大，这是因为带电质点向电 极运动的速度加快导致复合率 减小。当电压接近 U A 时，电流 趋于饱和，因为此时由外电离 因素产生的带电质点全部进入 电极，所以电流值仅取决于外 电离因素的强弱而与电压无关
碰撞引起电离的条件是x≥Ui/E，因此，碰撞引起 电离的概率为 eU E 。所以，电子碰撞电离系数α的表 达式为：
i

1

e
U i E
(1-14)
电子的平均自由长度 与气温 T 成正比、与气压 p 成反比，即：
T p
(1-15)
当气温 T 不变时，式(1-14)即可改写为：
Ape
汤逊理论是在低气压、pd较小的条件下在放电
实验的基础上建立的。pd过小或过大，放电机理将
出现变化，汤逊理论就不再适用了。 pd过小时，气压极低( d过小在实际上是不可能
的)， 远大于 d ，碰撞电离来不及发生， d / 过小， 击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压U上升到一 定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离 理论不再适用，击穿电压将不再增加。
为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须
经过的距离为：
Wi U i xi qe E E
(1-4)
式中 U i为气体的电离电位，在数值上与以eV为 单位的Wi相等
xi 的大小取决于场强E，增大气体中的场
强将使 xi 值减少。可见提高外加电压将使碰撞 电离的概率和强度增大。
（4）分级电离
电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的 外层轨道，称之为激励，其所需能量为激励能We。 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分 级电离，此时所需能量为 Wi-We。当逸出功 <<电离 能时，阴极表面电离可在下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面 光电子发射 强场发射 热电子发射
带电质点的消失可能有以下几种情况：
带电质点受电场力的作用流入电极
；
带电质点因扩散而逸出气体放电空间； 带电质点的复合。
带电质点受电场力的作用流入电极
带电质点在与气体分子碰撞后虽会发生散射，但从宏观看 是向电极方向作定向运动。在一定电场强度E下，带电质点运 动的平均速度将达到某个稳定值。这个平均速度称为带电质点 的迁移速度。
电现象，具有较高的电气强度。
2、汤逊理论
前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放
电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始
电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外
电离因素产生的初始电子。
实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和
气隙长度的乘积（pd ）有关。 pd 值较小时自持放电 的条件可用汤逊理论来说明； pd 值较大时则要用流 注理论来解释。
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
（3）在I-U曲线的BC段： 虽然电流增长很快，但电 流值仍很小，一般在微安 级，且此时气体中的电流 仍要靠外电离因素来维持， 一旦去除外电离因素，气 隙电流将消失。
U0
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
因此，外施电压小于 U 0 时的放电是非自 持放电。电压达到 U 0 后，电流剧增，且此时 间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再
图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图
根据碰撞电离系数 的定义，可得：
d n nd x
分离变量并积分之，可得：
dx 0 n n0e
x
(1-7)
(1-8)
对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相
同， 值不随x而变化，所以上式可写成：
n n0e
x
(1-9)
抵达阳极的电子数应为：
图1-1 不同温度下空气和气体的热电离程度
（2）光电离
当满足以下条件时，产生光电离
hc Wi
(1-2)
式中：
：光的波长； c ：光速； Wi ：气体的电离能
光子来源

外界高能辐射线
气体放电本身
（3）碰撞电离
1 2 （ mv ）与质点电荷量(e)、电场强度（ E ）以 2 及碰撞前的行程( x )有关．即
间隙中电场的均匀度而异。
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生
微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负
带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓
度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压
第一章 气体的绝缘特性与介质的 电气强度
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
本章内容
1.1 气体放电的基本物理过程
1.2 气体介质的电气强度
1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电
1.1 气体放电的基本物理过程
vb bE
b —— 带电质点在电 场中的迁移率，即单 位场强下的运动速度。