气体放电基本物理过程
气体放电物理过程1
1-2 简要论述汤逊放电理论。p49
• 答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此 电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至eαd个。假设 每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（eαd－1）个 正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴 极．按照系数的定义，此（ eαd －1）个正离子在到达阴极 表面时可撞出γ（ eαd －1）个新电子，则(eαd -1)个正离子 撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子， 以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达 到自持放电。即汤逊理论的自持放电条件可表达为γ（ eαd －1）≥1或γeαd ≥1 。
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bp
dU eb
d1 ln( 1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
U bf1pd
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电 极间距离的乘积pd的函数
• 实验求得均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系
325V
Umin不是出 现在常压 下，而是 出现在低 气压，即 空气相对 密度很小 的情况下。
●自持放电条件
形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即 转为自持放电。如果电场均匀，间隙就将被击穿。形成流注的条 件（即自持放电条件），在均匀电场中也就是导致击穿的条件：
●形成流柱的条件
初始电子崩头部的负电荷必须达到一定数量，造成必要的局部电 场的强化和足够的空间光电离。
实验得出
ad
1—主电子崩2—二次电子崩
24
3—流注
(3)主放电阶段： ——正流注向阴极推进
高电压技术第二章-气体放电
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，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n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
气体放电的基本物理过程
1 2
mv2
eEx
Wi
条件：x Ui E
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，则会发 生电离，这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离。
高电压工程基础
（1）碰撞电离
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离——引 入“自由行程”概念。
自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由通过的平均距离。
带电质点的复合 带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而
还原为中性质点的过程，称为复合。带电质点复合时会以 光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来，这种光辐射 在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。 带电质点的复合率与正、负电荷的浓度有关，浓度越大则 复合率越高。
2.2 放电的电子崩阶段
阴极表面光电离 气体中的空间光电离
因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。 在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
高电压工程基础
1、非自持放电和自持放电的不同特点
电流随外施电压的提 高而增大，因为带电 质点向电极运动的速 度加快复合率减小
电流饱和，带电质 点全部进入电极， 电流仅取决于外电 离因素的强弱（良 好的绝缘状态）
内绝缘 一般由固体电介质和液体电介质联合构成
高电压工程基础
研究气体放电的目的： 了解气体在强电场(高电压)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。
电气设备中常用的气体介质： 空气、压缩的高电气强度气体(如SF6)
输电线路以空气 作为绝缘材料
变压器相间绝缘以 气体作为绝缘材料
n
均匀电场 α 不随x变化
气体放电的基本物理过程
放电的电流与电压特性
电流特性
气体放电的电流大小和波形取决于放电条件，如气压、电流密度和电极形状等。在一定条件下，放电 电流会呈现脉冲或持续的波形。
电压特性
气体放电的电压特性与电流特性密切相关。在放电过程中，电压会随着电流的变化而变化，通常在放 电开始时电压较高，随着电流增大，电压逐渐降低。
放电的热效应与声效应
拓展气体放电的应用领域
能源领域
利用气体放电技术实现高 效、清洁的能源转化，如 燃料电池、太阳能电池等。
问题，如烟气脱硫 脱硝、废水处理等。
医疗领域
利用气体放电技术进行杀 菌消毒、病毒灭活等，保 障公共卫生安全。
THANKS
感谢观看
电场与气体原子的相互作用
库仑相互作用
气体原子在电场中受到正负电荷的库 仑力作用，导致原子运动状态发生变 化。
电子与原子的碰撞
电场加速的电子与气体原子发生碰撞 ，传递能量，引起原子的激发和电离 。
电子的产生与运动
电子从气体原子或分子的束缚态跃迁 到自由态，形成自由电子和正离子。
电子在电场中受到加速或减速作用， 能量发生变化，运动轨迹发生偏转。
探索新型的气体放电技术
01
02
03
脉冲放电技术
利用脉冲电源产生高电压、 大电流的脉冲，实现高效 率、高稳定性的气体放电。
介质阻挡放电技术
通过在放电空间中设置绝 缘介质，降低放电的击穿 电压，实现低电压、高效 率的气体放电。
电晕放电技术
利用高电压电场产生电晕， 使气体发生局部电离，实 现低电流、低能耗的气体 放电。
电弧放电
另一种不稳定的气体放电状态是电弧放电。 电弧放电会产生强烈的弧光和高温，同时伴 随着较大的电流和电压波动。这种不稳定性 会对放电产生负面影响，甚至导致设备损坏。
第一章 气体放电的基本物理过程
高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能 量应大于金属的逸出功。 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多
School of Electrical Engineering and Information SEEI
掌握 气体放电时，带电粒子如何产生？ of Electrical Engineering and Information SEEI School放电结束后，带电粒子又如何消失？
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第一节 带电粒子的产生和消失
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3 Wm kT≥Wi 2
式中：k—波尔茨曼常数； （k=1.38×10-23J/K） Wi—气体的电离能，eV； T—绝对温度，K；
绝对温度和摄氏温度的关系：
T绝对=273+T摄氏 School of Electrical Engineering and Information SEEI
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第一节 带电粒子的产生和消失
2. 高电压状态
电压升高 达到一定数值 达到一定 数值 气体中的带电粒 子大量增加 气体失去 绝缘 击穿（或 闪络）
电流增大
击穿——纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）
闪络——气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝
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第一节 带电粒子的产生和消失
注电考试最新版教材-第66讲 第三十五章：气体放电的基本物理过程
第5篇 高壓電與絕緣技術第35章 氣體放電的基本物理過程35.1 氣體中帶電指點的產生與消失35.1.1 氣體的電離原子在外界因素作用下，使其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程稱為原子的電離，它是氣體放電的首要前提。
其所需要的能量成為電離能。
原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態，所需的能量稱為激勵能，原子處於激勵態e W 電離電位為i U ，C e 19106.1-⨯=；激勵態恢復到正常狀態時，輻射出相應能量的光子，光子的頻率v h 普朗克常數ii eU hvW == 電離過程的表示：e A E A +→++为波尔茨曼常数k K J k W kT i /1038.12323-⨯=≥（熱電離）是普朗克常数光辐射波频率h v W hv i,≥ （光輻射電離） 度是碰撞质点的质量、速、v m W mv i ≥221 （碰撞電離）走过的距离为电子或离子在碰撞前x W eEx i ≥常溫下的放電過程，碰撞電離是最重要的電離方式35.1.2 氣體的分級電離氣體的原子或分子在激勵態（激勵能為e W ）再獲得能量而發生電離稱為分級電離，這種情況下電離所需的能量僅為e i W W -亞穩原子有很長的平均壽命（10-3 秒或更長）。
在混合氣體中,當一種氣體的亞穩原子同另一種氣體的原子或分子碰撞時，即使它們的動能較低，只要前者的激發能大於後者的電離能，後者將被電離，前者則返回基態。
多餘的能量就轉變為電子的動能，或使離子激發。
這種過程,稱彭寧電離,或稱彭寧效應。
由於惰性氣體的亞穩原子有較大的激發能，在含有惰性氣體的混合氣體放電中，彭寧電離比較有效。
彭寧效應還可以使放電管的點火電壓降低。
從絕緣角度看，彭寧效應不利35.1.3 電極表面的電子逸出逸出功：金屬的微觀結構、金屬表面狀態（小於電離能）：①熱電子發射②二次發射③強場發射④光電子發射35.1.4 帶電質點的擴散和複合帶電粒子的擴散帶電粒子從濃度較大的區域運動到濃度較小的區域。
高电压技术第二版习题答案
第一章 气体放电的基本物理过程（1）在气体放电过程中，碰撞电离为什么主要是由电子产生的？答：气体中的带电粒子主要有电子和离子，它们在电场力的作用下向各自的极板运动，带正电荷的粒子向负极板运动，带负电荷的粒子向正极板运动。
电子与离子相比，它的质量更小，半径更小，自由行程更大，迁移率更大，因此在电场力的作用下，它更容易被加速，因此电子的运动速度远大于离子的运动速度。
更容易累积到足够多的动能，因此电子碰撞中性分子并使之电离的概率要比离子大得多。
所以，在气体放电过程中，碰撞电离主要是由电子产生的。
（2）带电粒子是由哪些物理过程产生的，为什么带电粒子产生需要能量 ？答：带电粒子主要是由电离产生的，根据电离发生的位置，分为空间电离和表面电离。
根据电离获得能量的形式不同，空间电离又分为光电离、热电离和碰撞电离，表面电离分为正离子碰撞阴极表面电离、光电子发射、热电子发射和强场发射。
原子或分子呈中性状态，要使原子核外的电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，必须施加一定的外加能量，使基态的原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
（3）为什么SF6气体的电气强度高？答：主要因为SF6气体具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，气体中自由电子的数目变少了，而电子又是碰撞电离的主要因素，因此气体中碰撞电离的能力变得很弱，因而削弱了放电发展过程。
1-2 汤逊理论与流注理论对气体放电过程和自持放电条件的观点有何不同？这两种理论各适用于何种场合？答：汤逊理论的基本观点：电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
它只适用于低气压、短气隙的情况。
气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。
在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度之后，某一初始电子的头部集聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。
第二章 气体放电的基本物理过程
第二章 气体放电的基本物理过程一、带电质点的产生与消失产生带电质点的物理过程称为电离(游离)，是气体放电的首要前提。
激励(激发)：当原子获得外部能量，一个或若干个外层电子跃迁到离原子核较远的轨道上去的现象。
激励需要外界给原子一定的能量，称为激励能。
电离(游离)：若原子从外界获得的能量足够大，以致使一个或几个电子摆脱原子核的束缚形成自由电子和正离子，这一过程称为电离。
电离所需的能量称为电离能Wi ，通常用电子伏(eV)表示，有时也用电离电位Ui 表示， Ui = Wi /e (e 为电子的电荷量)。
1、电离的方式：碰撞电离、光电离、热电离、分级电离属于空间游离。
金属表面电离 电极表面带电质点的产生2、带电质点的消失与两电极的电量中和、带电质点的扩散、带电质点的复合3、放电的电子崩阶段1）非自持放电和自持放电的不同特点各种高能辐射射线（外界电离因素）引起：阴极表面光电离气体中的空间光电离因此：气体空间中存在一定浓度的带电质点。
在气隙的电极间施加电压时，可检测到很微小的电流。
外施电压小于U0时的放电是非自持放电。
电压到达U0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素，此时的放电为自持放电。
2）电子崩的形成外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。
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称为电子崩。
放电由非自持向自持转化的机制与气体的压强和气隙长度的乘积(pd)有关：汤逊理论(pd 值较小)流注理论(pd 值较大)共同理论基础：电子碰撞电离形成电子崩。
3）自持放电条件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，二次电子产生的机制与气压和气隙长度的乘积（pd ）有关：汤逊理论 (pd 值较小)： b()U f pd1903年，由英国人汤逊(J.S.Townsend)根据试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。
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1、电子崩
正离子在电场的作用下向阴极移动，当到达阴极附近时， 或者由于加强了阴极的场强，或者由于正离子撞击阴极表面 而使阴极表面发生电离，产生电子发射。新发射的电子从电 场中获得动能参与了气体中的碰撞电离，使得“雪崩”现象 加剧，并在去除外电离因素的情况下仍有后继电子，使得放 电得以自持。
二、气体放电过程的一般描述
1、电子崩
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。
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。
4 、带电质点的复合
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（如流柱理论中二次电子崩的起因）。
r ：气体分子半径
P ：大气压力 T ：气温
k ：波尔兹曼常数
2、激励
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。
该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均 称为激励能级。
激励状态存在的时间很短(大致为10-8s)，电子将自动 返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以 辐射能(光子)的形式放出。
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、名词解释
1、电子平均自由行程 2、激励 3、电离 4、带电质点的复合
1. 电子平均自由行程
当气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场 定向运动（如图2-4所示）。
✓ 刷状放电：从电晕放电电极中伸出许多较明亮的细 放电通道；极不均匀场 ✓ 电弧放电：放电通道和电极的温度都很高，电流密 度大，电路有短路特征；电源功率大
3、非自持放电与自持放电
➢ 外施电压小于U0 时，间隙内电 流数值很小，间隙还未被击穿，这 时电流要依靠外电离因素来维持， 如果取消外电离因素，电流将消失。 这类放电称为非自持放电。
第一章 气体放电的物 理过程和电气强度
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
✓ 学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间 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，常用的气体介质： 空气、SF6及其混合气体
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。描述了离子崩到达阴极 后，引起阴极发射二次电子的过程
电子崩中电子数目：
设一个电子从阴极行走x 距离产生的自由电子数为n，n 个
电子前进dx 产生的新电子数为：
dn ndx, 或 dn dx
n
✓ 一个电子从阴极到阳极产生
的电子数N ：
d
d
N
e
dx
0
ed
✓ 一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为： ed 1
2、气体放电的主要形式
✓ 辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气压、 电源功率小；霓虹灯 ✓ 火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两极的断 续的明亮火花；大气压下、电源功率小 ✓ 电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极不均匀 场
为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数：
✓ 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；对应于起始电子形成电子崩的过程
✓ 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；在引起电子剧增的同时，对应于造成 离子崩的过程
✓ 系数：
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。
3、电离
原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱 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。
电离形式：
1）碰撞电离
在电场作用下，电子被性，称为光子）
导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的 紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x 射 线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。
3）热电离
一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。 包括： ✓ 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。
1 2
meve2
Wi
me——电子的质量； ve——电子的速度； Wi——气体分子的电离能。
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关
2）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：
h Wi
h — 普朗克常数 h＝6.62×10-27尔格·秒。 v — 频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有
1. 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 即为该粒子的平
均自由行程长度。
1. 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：
kT
r 2P
4）金属(阴极)的表面电离：
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，当光子的能量大逸出功时，金属
表面放射出电子。