第二章 气体放电的物理过程
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高电压技术第二章-气体放电
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生出 正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负 离子的情况(又称为：吸附效应[attachment])。 容易吸附电子形成负离子的 气体称为电负性气体，如氧、氯、 氟、水蒸气和六氟化硫气体等。 负离子的形成并未使气体 中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体 放电的发展起抑制作用。
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。
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。
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
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、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
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
20
3、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
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
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、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概 率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同 ，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
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
20
3、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
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
气体放电的物理过程
极不均匀电场的分析电极采用棒—棒、棒—板。稍不均匀一般指球状电极。
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。
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。
气体放电的物理过程PPT课件
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bpd
deUb
ln(1
1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
Ub f1pd
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13 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。
23
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
23
（2） 流注阶段
二次电子崩中的电子进入主电子崩头 部的正空间电荷区（电场强度较小）， 大多形成负离子。大量的正、负带电 质点构成了等离子体，这就是正流注
流注通道导电性良好，其头部又是二 次电子崩形成的正电荷，因此流注头 部前方出现了很强的电场
流注头部的电离放射出大量光子，继 续引起空间光电离。流注前方出现新 的二次电子崩，它们被吸引向流注头 部，延长了流注通道
E 电场大大削弱，有助于发
生复合过程，发射出光子 ex 这些光子将导致空间光电离
0
22
E ex
合成电场
dx
光电离的作用：二次电子崩
当电子崩走完整个间 隙后，大密度的头部 空间电荷大大加强了 后部的电场，并向周 围放射出大量光子
光子引起空间光电离， 在受到畸变而加强了 的电场中，造成了新 的电子崩，称为二次 电子崩
a 阴极表面二次发射 正离子 电子崩（ 过程）
（ 过程）
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所 示7 的循环不息的状态，放电就能自己维持下去
• 总结： 1. 将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
-
22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
-
24
电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
-
2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
第二章 气体放电的物理过程
n0
n
na dx d
x
dn ndx
分离变数并积分 ，可得：n n0 e 均匀电场，α不随x 变化，所以
14
（一）光电离
频率为ν的光子能量为 W=hv
式中 h——普郎克常数= 6.63 10
34
J s 4.13 1015 eV s
发生空间光电离的条件为 h Wi
hc 或者 W i
式中 λ——光的波长，m; c——光速 3 10 m / s ；
8
Wi ——气体的电离能，eV。
构成的组合绝缘。例： 电气设备的外绝缘往往是由气体介质（空气）和固 体介质（绝缘子）联合组成；内绝缘则较多地由固 体介质和液体介质联合组成。
3
※一切电介质的电气强度都是有限的，超过某种限度， 电介质就会逐渐丧失其原有的绝缘性能，甚至演变成 导体。在电场的作用下，电介质中出现的电气现象可 分为两大类： （1）在弱电场下（当电场强度比击穿强度小得多 时），主要是极化、电导、介质损耗等（第 一章学习）； （2）在强电场下（当电场强度等于或大于放电起 始场强或击穿场强时），主要有放电、闪 络、击穿等（第二、三、四章学习）。
1 2 W mv qe Ex 2
qe Ex Wi
Wi U i （式中 电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 xi qe E E Ui 为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi 相等）， i x
的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使 xi 值减小，可见提 高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
16
下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可以看出：只有 在温度超过10000K时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑 热电离；而在温度达到20000K左右时，几乎全部空气分子 都已处于热电离状态。
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高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的能量
动能：取决于原子的质量和运动速度。 位能：取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时，原子的位能也相应增加。
能级：根据原子中电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的位能， 称为原子的能级。
原子的正常状态相当于最低的能级。
高电压技术
气体放电研究概述
高电压技术
气体放电研究概述
Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约104帕以下）均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。
汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性
高电压技术
气体放电的主要形式
1、辉光放电（击穿状态）
（1）条件：低气压，均匀电场 （2）特点：电流密度小，放电
光子的能量：
光
W hv 式中 h—普朗克常数
电 产生光电离的必要条件：
离
hv Wi
或 hc
Wi
式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能
光子的来源：
可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游
热
离的综合。
区域占据整个电极空间。
2、火花放电 （击穿状态）
（1）条件：高气压 （2）特点：明亮的火花，火花
向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生，放电过程不稳定
高电压技术
气体放电的主要形式
3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电
负极性电晕下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明 亮的细放电通道，称为刷状放电 ； 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后 整个间隙被击穿 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转 入击穿
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
撞击质点：电子、正负离子、中性分子、原子等
撞 撞击电离的首要条件：
击
撞击质点总能量（动能+势能）
电
> 被撞击质点当前状态时的电离能
离
① 撞击是复杂的电磁力子的撞击电离
④ 动能需要积累
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
※ 对气体放电的研究不仅在理论上推动了物理学的发 展，而且在工程上推动了电力，照明，环境，光学， 电子等多种工程应用的发展。因此对气体放电物理 的研究具有重要的理论和工程应用意义。
高电压技术
气体放电研究概述
1836年， 法拉第 （1791-1867）注意到低压气体中的放电现象， 将其称之为“辉光放电”（glow discharge），并预言这种放电现 象将给以后的电学研究带来很大影响。 1855年，德国的玻璃技工盖斯勒（1815-1879）利用托里拆利真 空原理制成了简易的水银真空泵——盖斯勒泵，并制成了低压气 体放电管——盖斯勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现 象及其本质创造了条件。 19世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年代电气工业开始有 了发展, 发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用， 然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时， 电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体 放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。
高电压技术
气体放电的主要形式
5、电弧放电
（1）条件：电源功率足够大 （2）现象：气体发生火花放电之后，便立即发展至对面电极，
出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放 电时，电弧的温度极高。
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的结构
原子是由带正电的原子核和绕核旋转 的电子组成。电子在原子核外是分层 排布的，各层具有不同的轨道半径。 电子运动的轨道半径不同，其能量也 不同。
第二章
气体放电 的
物理过程
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 沿面放电
高电压技术
气体放电研究概述
※ 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体 放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。
※ 用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使 人们认识到了阴极射线，并由此发现了电子，解开 了原子结构的秘密，促进了原子物理的发展。
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的激励与电离
激励（轨道跃迁）
原子的一个或若干个电子 转移到离核较远的轨道上去， 所需能量称为激励能We 电离
电子跃迁到最外层轨道之外， 脱离原子核的束缚，成为自由 电子。所需能量称为激励能Wi
高电压技术
2.1 带电粒子的产生和消失
带电粒子的产生方式
碰撞电离 光电离 热电离 阴极表面电离
高电压技术
气体放电研究概述
英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人 J．J．汤姆 逊 （1856-1940）从1881年开始利用气体放 电管研究阴极射线并并于1897年发现电子，推动了原子 物理，粒子物理，量子物理等现代物理学的发展。
1897年电子发现之后，对气体放电的研究走向了微观粒子之间相互作用的 层面，并由此发展了气体放电物理学。对此作出开创性研究工作的重要人物 是汤姆逊的学生英国科学家 J. S. Townsend (1868-1957）。 Townsend借助理论假设和大量的实验系统地研究了气体放电过程中电子、 离子等基本粒子的特性，提出了“平均电子”，“平均粒子”，“电离系数 α”，“电子崩”等概念，并利用这些概念成功地解释了在低气压下均匀电 场气隙间的击穿现象，这就是著名的汤生气体放电理论。后人在汤生气体放 电理论的基础上，继续发展了流注放电理论。汤生气体放电理论和流注放电 理论互为补充，构成了目前的气体放电物理学的基本理论。
电
空气的电离度m 与温度的关系
离
T>10000K，才考虑热电离 T>20000K，几乎所有分子都处于热电离状态
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2.1 带电粒子的产生和消失
逸出功：从金属电极表面发射电子需要的能量。
表 当逸出功<<电离能时，阴极表面可在下列情 面 况下发生：
电
正离子撞击阴极表面
离
光电子发射（短波光照射）
2.1 带电粒子的产生和消失
原子的能量
动能：取决于原子的质量和运动速度。 位能：取决于其中电子的能量。当 电子从其正常轨道上跃迁到能量更高 的轨道上时，原子的位能也相应增加。
能级：根据原子中电子的能量状态， 原子具有一系列可取的确定的位能， 称为原子的能级。
原子的正常状态相当于最低的能级。
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气体放电研究概述
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气体放电研究概述
Townsend利用气体放电管观察并描述了在低气压（约104帕以下）均匀电场 的间隙中通过间隙的电流随着间隙两端的电压的增加的变化曲线如图所示。
汤 生 放 电 区 域 的 伏 安 特 性
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气体放电的主要形式
1、辉光放电（击穿状态）
（1）条件：低气压，均匀电场 （2）特点：电流密度小，放电
光子的能量：
光
W hv 式中 h—普朗克常数
电 产生光电离的必要条件：
离
hv Wi
或 hc
Wi
式中 λ—光的波长 C—光速 Wi—气体的电离能
光子的来源：
可来源于外界，也可由气体放电过程本身产生
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2.1 带电粒子的产生和消失
实质：由热状态引起，热状态下碰撞游离和光游
热
离的综合。
区域占据整个电极空间。
2、火花放电 （击穿状态）
（1）条件：高气压 （2）特点：明亮的火花，火花
向对面电极伸展或贯通两 级，发光放电通道收细。 火花会瞬时熄灭后又突然 发生，放电过程不稳定
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气体放电的主要形式
3、电晕放电（气隙没有击穿，局部自持放电） 4、刷状放电
负极性电晕下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明 亮的细放电通道，称为刷状放电 ； 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后 整个间隙被击穿 如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转 入击穿
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2.1 带电粒子的产生和消失
撞击质点：电子、正负离子、中性分子、原子等
撞 撞击电离的首要条件：
击
撞击质点总能量（动能+势能）
电
> 被撞击质点当前状态时的电离能
离
① 撞击是复杂的电磁力子的撞击电离
④ 动能需要积累
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2.1 带电粒子的产生和消失
※ 对气体放电的研究不仅在理论上推动了物理学的发 展，而且在工程上推动了电力，照明，环境，光学， 电子等多种工程应用的发展。因此对气体放电物理 的研究具有重要的理论和工程应用意义。
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气体放电研究概述
1836年， 法拉第 （1791-1867）注意到低压气体中的放电现象， 将其称之为“辉光放电”（glow discharge），并预言这种放电现 象将给以后的电学研究带来很大影响。 1855年，德国的玻璃技工盖斯勒（1815-1879）利用托里拆利真 空原理制成了简易的水银真空泵——盖斯勒泵，并制成了低压气 体放电管——盖斯勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现 象及其本质创造了条件。 19世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年代电气工业开始有 了发展, 发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用， 然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时， 电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体 放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。
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气体放电的主要形式
5、电弧放电
（1）条件：电源功率足够大 （2）现象：气体发生火花放电之后，便立即发展至对面电极，
出现非常明亮的连续弧光。形成电弧放电。发生电弧放 电时，电弧的温度极高。
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2.1 带电粒子的产生和消失
原子的结构
原子是由带正电的原子核和绕核旋转 的电子组成。电子在原子核外是分层 排布的，各层具有不同的轨道半径。 电子运动的轨道半径不同，其能量也 不同。
第二章
气体放电 的
物理过程
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 沿面放电
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气体放电研究概述
※ 从对气体放电现象的最初认识到开始认真研究气体 放电现象几乎伴随着电学的整个发展历史。
※ 用于研究气体放电的实验装置气体放电管的发明使 人们认识到了阴极射线，并由此发现了电子，解开 了原子结构的秘密，促进了原子物理的发展。
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2.1 带电粒子的产生和消失
原子的激励与电离
激励（轨道跃迁）
原子的一个或若干个电子 转移到离核较远的轨道上去， 所需能量称为激励能We 电离
电子跃迁到最外层轨道之外， 脱离原子核的束缚，成为自由 电子。所需能量称为激励能Wi
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2.1 带电粒子的产生和消失
带电粒子的产生方式
碰撞电离 光电离 热电离 阴极表面电离
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气体放电研究概述
英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人 J．J．汤姆 逊 （1856-1940）从1881年开始利用气体放 电管研究阴极射线并并于1897年发现电子，推动了原子 物理，粒子物理，量子物理等现代物理学的发展。
1897年电子发现之后，对气体放电的研究走向了微观粒子之间相互作用的 层面，并由此发展了气体放电物理学。对此作出开创性研究工作的重要人物 是汤姆逊的学生英国科学家 J. S. Townsend (1868-1957）。 Townsend借助理论假设和大量的实验系统地研究了气体放电过程中电子、 离子等基本粒子的特性，提出了“平均电子”，“平均粒子”，“电离系数 α”，“电子崩”等概念，并利用这些概念成功地解释了在低气压下均匀电 场气隙间的击穿现象，这就是著名的汤生气体放电理论。后人在汤生气体放 电理论的基础上，继续发展了流注放电理论。汤生气体放电理论和流注放电 理论互为补充，构成了目前的气体放电物理学的基本理论。
电
空气的电离度m 与温度的关系
离
T>10000K，才考虑热电离 T>20000K，几乎所有分子都处于热电离状态
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2.1 带电粒子的产生和消失
逸出功：从金属电极表面发射电子需要的能量。
表 当逸出功<<电离能时，阴极表面可在下列情 面 况下发生：
电
正离子撞击阴极表面
离
光电子发射（短波光照射）