气体放电过程分析
气体放电过程
气体放电过程的分析干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
暗放电暗放电主要是非自持放电（但自持放电的某些区域中有暗放电存在）。
关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的，故这种放电也称为汤生放电。
汤生理论的物理描述是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。
新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离,电子数目便雪崩式地增长。
这称为电子繁流（图2）。
气体放电汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目n u为式中n0为阴极发射的电子数；d为阴极阳极间距离；α为汤生第一电离系数。
上式表明,电子数目随距离d指数增长。
在一些光电器件中，特意充入一些惰性气体，使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流，以得到光电流的放大，提高器件的灵敏度。
放电中产生的正离子最后都抵达阴极。
正离子轰击阴极表面时，使阴极产生电子发射；这种离子轰击产生的次级电子发射，称为r过程。
r过程使放电出现新的特点,这就是：r过程产生的次级电子也能参加繁流。
如果同一时间内，由于r过程产生的电子数,恰好等于飞抵阳极的电子数，放电就能自行维持而不依赖于外界电离源，这时就转化为自持放电。
辉光放电低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。
若电极是安装在玻璃管内，在气体压力约为 100帕且所加电压适中时，放电就呈现出明暗相间的 8个区域（图4）。
图中下方的曲线表示光强的分布，按从阴极到阳极的顺序分为7个区。
气体放电的物理过程
一、极不均匀 电场中的放电 过程（短间隙）
”
0 1 非自持放电阶段
0 2
当棒具有正极性时
棒极附近电场强度大，产生电子崩，崩头的电子进入棒极，崩尾的正空间电荷积聚在棒的前方，由 于正电荷的作用，减少了紧贴棒极附近的电场，而加强了前方的电场。造成棒极附近难以造成流注， 使得自持放电、即电晕放电难以形成；而前方却容易产生新的电子崩。
上述过程持续进行，移促进等离子通道 进一步发展，逐渐向板极推进
流注发展阶段
棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空间 电荷，由于此处的电场强度大，等离子体形成困难，电子跑 出正电荷区，消失在间隙中。 （曲线2） 升高电压待前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电荷密 度增大，棒极附近的强电场区产生的大量电子，与其混合， 混合密度越大，导电性越好，电场下降，达到一定程度时， 等离子体形成（曲线3） ，相当于棒极板极推进。
当棒具有负极性时
当等离子通道向板极推进时（不论正负，只是正极推进容 易，负极推进困难），由于通道的电压降，前方的电场越 来越弱，深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕 放电或刷状放电，电压越高，等离子通道越长。
外电压足够高时，等离子通道逼近板极，电场逐步升高， 导致放电加剧，形成正反馈，从而导致间隙完全击穿
长短间隙放电 过程的对比分
析
长间隙时，由于根部的热电离使得等离子体的密度增 大，因而导致放电的二次发展，短间隙不足以产生根 部的热电离；
长间隙时产生的高密度等离子通道（先导）使得通道 接近板及时的电场增大十分显著，从而发生强场电离 （主放电），而短间隙时，由于通道的电阻大，压减 大，接近板极时的前方电场不足以引起强场电离，只 是使流注发展加速，在贯穿电极后，电导电流才足以 引起热电离，发展成电弧。
气体放电实验报告
气体放电实验报告
实验目的：
通过气体放电实验，观察气体放电的现象，了解不同气体放电的特点，探究气体放电的原理。
实验步骤：
1. 准备实验仪器：气体放电装置、气体灯管、电源、电压表、电流表等。
2. 按照实验要求选择不同气体灯管，如氢气灯管、氧气灯管、氮气灯管等。
3. 将气体灯管连接到气体放电装置上，接通电源。
4. 调节电源电压和电流，观察气体灯管的放电现象，记录电压和电流值。
5. 重复以上步骤，对不同气体灯管进行实验，比较不同气体放电的特点和现象。
实验结果：
实验结果表明，不同气体放电的特点和现象不同。
在氧气灯管中，放电时会发出红色光芒，氢气灯管中，放电时会发出紫色光芒，氮
气灯管中，放电时会发出紫色光芒和白色光芒。
而且，不同气体的放电电压和电流值也不同。
实验分析：
气体放电现象是气体在电场作用下发生电离，形成等离子体的过程。
当电场强度达到一定值时，气体中的原子或分子会失去或获得电子，形成正负离子对。
这些离子会在电场作用下不断加速，撞击其他原子或分子，继续发生电离，最终形成等离子体。
等离子体的存在使气体灯管中的气体发出了不同的光芒。
不同气体的放电特点和现象与其分子结构和性质有关。
例如，氢气分子中只有一个电子，容易发生电离；氧气分子中的氧原子具有两个未成对电子，易于发生电子跃迁，因此放电时发出红色光芒；氮气分子中的氮原子具有五个未成对电子，放电时发出紫色光芒和白色光芒。
实验结论：
通过气体放电实验，我们了解了气体放电的现象和原理，探究了不同气体放电的特点和现象。
这对我们深入理解等离子体物理学、电子学等领域有着重要的意义。
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。
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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。
UNSUENO气体放电过程分析
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰 撞电离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数 说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
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2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式 辉光放电 电晕放电 刷状放电 火花放电 电弧放电 见下图 放电外形示意图
辉光放电
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生
电流又再随电压的增 大而增大.说明出现的新 的电离因素—电子的碰撞 电离.
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电) c点:电流急剧突增 电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
均匀电场中气体的 伏安特性
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
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。
气体局部放电实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本实验旨在研究气体绝缘设备中局部放电的特性，通过实验观察和分析不同气体介质中局部放电的现象，探究局部放电对气体绝缘性能的影响，为提高气体绝缘设备的安全性和可靠性提供理论依据。
二、实验原理局部放电是指在高压电场作用下，气体介质中出现的电击穿现象。
当电场强度超过气体的击穿场强时，气体介质中的分子会发生电离，产生自由电子和正离子，形成导电通道，从而发生局部放电。
局部放电会对气体绝缘设备的绝缘性能造成损害，甚至引发设备故障。
本实验采用直流高压电源对气体介质施加电场，通过测量放电电流、电压等参数，分析不同气体介质中局部放电的特性。
三、实验设备1. 直流高压电源：输出电压0～30kV，输出电流0～1mA。
2. 电流探头：测量范围0～10mA。
3. 电压探头：测量范围0～30kV。
4. 气体介质：空气、氮气、SF6等。
5. 实验室气瓶：用于存储实验用气体。
6. 电压表、电流表、示波器等测量仪器。
四、实验步骤1. 准备实验用气体：将空气、氮气、SF6等气体分别充入实验室气瓶中，确保气体纯净、无杂质。
2. 安装实验设备：将直流高压电源、电流探头、电压探头等设备连接好，确保连接牢固、接触良好。
3. 选择实验气体：依次选择空气、氮气、SF6等气体作为实验介质，分别进行实验。
4. 施加电场：调整直流高压电源输出电压，使气体介质中的电场强度逐渐增加。
5. 观察放电现象：通过示波器观察放电电流、电压波形，记录放电开始、结束时间，分析放电特性。
6. 数据处理：将实验数据整理成表格，分析不同气体介质中局部放电的特性。
五、实验结果与分析1. 空气介质实验结果显示，空气介质在电场强度较低时，不易发生局部放电；随着电场强度的增加，放电电流、电压逐渐增大，放电频率逐渐降低。
2. 氮气介质实验结果显示，氮气介质在电场强度较低时，局部放电现象与空气介质相似；随着电场强度的增加，放电电流、电压逐渐增大，放电频率逐渐降低。
3. SF6气体介质实验结果显示，SF6气体介质在电场强度较低时，不易发生局部放电；随着电场强度的增加，放电电流、电压逐渐增大，放电频率逐渐降低。
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气体放电过程分析
2.3.3 γ过程分析 正离子及光子到达阴极表面引起的阴极表面电离称为γ过程 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
而正离子与光子碰撞阴极较易使阴极释放出电子。γ为平均每个 碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的自由电子数
铁、铜、铝在空气中的γ值分别为0.02，0.025，0.035 。由 于γ和电极材料有关，因而汤逊放电显然与电极材料及其表面状 态有关。
α称为碰撞电离系数，它定义为一个电子沿电场方向行经1cm长度 ，平均发生的碰撞电离次数。
气体放电过程分析
2.3.1 α过程分析
图2-3-1 电子崩形成示意图
气体放电过程分析
2.3.2 β过程分析 把由正离子从电场获得的动能引起的碰撞电离作为二次过程来考
虑并称此过程为β过程。 因为离子相对电子质量大，速度也慢的多，而且离子在和分子发
离子的电离能力比电子小的多，由此，俘获自由电子而形成负离 子这一现象， 能对气体放电的发展起阻抑作用，或者说，有助于提 高气体的耐电强度。
气体放电过程分析
2.2.3 带电质点的消失
气体发生放电时，除了不断形成带电质点的电离过程外，还存在 带电质点的消失过程。在电场作用下，气体中放电是不断发展以致击 穿，还是气体尚能保持其电气强度而起绝缘作用，就取决于上述两种 过程的发展情况。
气体中带电质点的来源：一是气体分子本身发生电离；二是气隙 中的固体或液体金属表面电离。 （a）碰撞电离
在电场E的作用下，质量为m、电荷量为q的带电质点被加速，沿电 场方向行经x的距离后获得一定的能量qEx，具有一定的速度v，表现 为动能1/2 mv2=qEx，当带电质点动能达到或超过气体分子电离能W时 ，若与气体分子发生碰撞，则有可能使分子电离为电子和正离子。
当金属表面受到光照时，也能放射出电子，称为光电效应，当光 子的能量大于金属表面逸出功时，便会造成光电效应，使电子逸。
气体放电过程分析
2.2.2 电极表面带电质点的产生 （c）热电子放射 加热阴极，使之达到很高温度，当其中的电子获得足够的动能时 ，可克服阴极材料的逸出功而射出阴极 （d）强场放射 当在阴极附近施加很高的强场（约1000kv /cm）时，也能使阴极 放出电子。
气体放电过程分析
2.2.2 电极表面带电质点的产生 气体中的电子也可能是从金属电极的表面电离出来的，从金属电
极表面逸出电子需要一定的能量，通常称为逸出功。各种金属有各自 不同的逸出功，且其表面状况对于逸出功的数值影响很大。金属的逸 出功一般要比气体的电离能小的多，所以表面电离在气体放电过程中 有重要作用。
气体放电过程分析
2.3 低气压下均匀电场的汤逊放电
2.3.1 α过程分析
假设外电离因素先使阴极表面出现一个自由电子，在电场的作用 下加速，造成碰撞电离，于是出现一个正离子，两个自由电子。两个 自由电子在电场中运动又造成新的碰撞电离。电子数目将以 20,21,22…2n的规律，如雪崩状增加。将因碰撞电离使自由电子数不 断增加这一现象称为电子崩，即α过程。
气体放电过程分析
2.1.2 气体放电形式 （d）火花放电：贯通两电极的明亮而细的断续的放电通道，间隙由 一次次火花放电间歇地被击穿。 （f）电弧放电：明亮而电导很大，持续贯通两电极的细放电通道， 此时间隙被完全击穿，处于被持续短路的状态。
气体放电过程分析
2.2 带点质点的产生与消失
2.2.1 电极空间带电质点的产生
气体放电过程分析
2.2.2 电极表面带电质点的产生
（a）正离子碰撞阴极 正离子在电场中将向阴极运动，当它与阴极发生碰撞时，可将其
能量传递给阴极中的电子；当正离子能量大于阴极材料表面逸出功两 倍以上时，正离子可以从阴极表面撞出电子，逸出的电子有一个和正 离子中和，其余的成为自由电子。 （b）光电效应
2.1.2 气体放电形式
气体放电的主要形式包括辉光放电、电晕放电、刷状放电、火花 放电和电弧放电。 （a）辉光放电：辉光放电充满整个电极空间，电流密度较小，一般 为1mA/cm2 ～5mA/cm2，整个间隙仍呈上升的伏安特性，处于绝缘状 态 （b）电晕放电：高场强电极附近出现发光的薄层，电流值也不大， 整个间隙仍处于绝缘状态。 （c）刷状放电：由电晕电极伸出的明亮而细的断续的放电通道，电 流增大，但此时间隙仍未被击穿。
气体放电过程分析
2.2.1 电极空间带电质点的产生
（b）光电离 由光辐射引起的气体分子电离称光电离。当气体分子受到光辐射
时，若光子能量大于气体分子的电离能W，则有可能引起气体分子发 生光电离 （c）热电离
因气体的热状态而引起的电离称热电离。热电离的本质仍是高速 运动的气体分子的碰撞电离和光电离，只不过其能量不是来源于电场 ，而是来源于气体分子本身的热能。
2、气体放电过程分析
气体ห้องสมุดไป่ตู้电过程分析
2.1 气体放电的主要形式
2.1.1 击穿 气体中流通电流的各种形式统称放电。处于正常状态并隔绝各种
外电离因素的气体是完全不导电的，但当间隙上的电压达到一定数值 后，流过间隙的电流剧增，空气间隙失去绝缘能力，这种由绝缘状态 突变为导体状态的变化称为击穿。
气体放电过程分析
气体中带电质点的消失主要有三种方式： （a）带电质点的扩散；
由于带电质点的热运动，这些质点会从浓度较大的区域扩散到浓 度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀
气体放电过程分析
2.2.3 带电质点的消失 （b）带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量； （c）带电质点的复合。 带电质点的复合是指带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的 传递、中和而还原为中性质点的过程。
气体放电过程分析
2.2.3 负离子的形成
一个中性分子或原子与一个电子结合生成一价负离子时所放出的 能量，称为分子或原子对电子的亲和能E。E值越大就越容易与电子结 合形成负离子。卤族元素的E值比其他元素大的多，所以它们时很容 易俘获一个电子而形成负离子；其他如O、H2O、SF6等气体分子也很 容易形成负离子。