电器学原理04气体放电的物理基础4
气体放电原理
气体放电原理气体放电是指在一定电压作用下，气体中的电子被加速，当它们的能量达到足够高时，会与气体分子碰撞，使得气体分子电离并产生电子、阳离子和自由基。
这种现象被称为气体放电，是一种重要的物理现象，广泛应用于气体放电灯、闪电、等离子体物理等领域。
气体放电的原理可以归结为电子的碰撞电离和电子的复合两个基本过程。
首先，当气体中的自由电子受到电场的加速作用时，它们会获得能量并与气体分子碰撞，将气体分子的能级提高，从而使得气体分子电离产生自由电子和阳离子。
这个过程称为电子的碰撞电离。
其次，电子和离子在电场作用下会发生复合过程，即自由电子与阳离子再结合成为中性分子或原子，释放出能量。
这两个过程相互作用，维持了气体放电的稳定进行。
气体放电的特点包括放电电压、放电电流和放电功率。
放电电压是指在气体放电过程中，所需的电压大小。
在气体放电开始时，需要加上一个足够大的电压才能使得气体分子电离，这个电压称为击穿电压。
而放电电流则是放电过程中通过气体的电流大小，它与电压成正比。
放电功率则是放电过程中产生的功率，它与电压和电流的乘积成正比。
气体放电有不同的形式，包括辉光放电、电晕放电、辉光放电、放电等离子体等。
辉光放电是一种在气体放电过程中产生明亮辉光的放电形式，常见于荧光灯、氖灯等。
电晕放电是一种在气体放电过程中产生淡蓝色光晕的放电形式，常见于电晕灯、电晕空气净化器等。
辉光放电是一种在气体放电过程中产生明亮辉光的放电形式，常见于氖灯、氖标志灯等。
放电等离子体是一种在气体放电过程中产生等离子体的放电形式，常见于等离子体切割、等离子体表面处理等。
总的来说，气体放电是一种重要的物理现象，它的原理包括电子的碰撞电离和电子的复合两个基本过程。
气体放电具有不同的形式，包括辉光放电、电晕放电、辉光放电、放电等离子体等。
了解气体放电的原理对于深入理解等离子体物理、气体放电灯、闪电等现象具有重要意义。
希望本文能够对读者有所帮助。
气体放电
气体放电气体在正常状态下是良好的绝缘介质．但在电压的作用下，也会形成微弱的电流；气体在外加电压作用下产生导通电流的现象称为气体放电。
当加于气体上的电压达到一定数值时，通过气体的电流会突然剧增，气体失去绝缘的性能。
气体在外加电压作用下由绝缘状态转变为导电状态的过程称为击穿。
使气体击穿的最低电压称为击穿电压、气体发生击穿时，电导突增，并伴有光、声、热等现象。
通过实验观察，由于电源功率、电极形状、气体压力等的不同，气体放电现象存在以下几种主要形式： 1．辉光放电外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。
辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。
2．电晕放电对于电极很尖的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声。
如电压不继续升高，放电就局限在这较小的菹围内，形成局部放电，称为电晕放电。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。
电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电。
3．火花或电弧放电在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花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。
二、气体中带电质点的产生和消失我们已经知道，气体间隙在外加电压作用下会产生放电，甚至击穿，这说明气体中有大量带电质点产生；而气体间隙击穿后，若去掉外加电压，气体又能恢复到它原来的耐电强度，这说明气体中的带电质点会消失。
1．带电质点的产生气体原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子构成。
正常状态下，这些电子受原子核的吸引在各自的轨道上围绕原子核旋转，这时的气体原子是一个整体，呈中性，称为中性原子。
气体放电的物理基础.ppt
2、电离 (1) 定义：如果外界加到原子上的能量足够大，使其电子得以跳出原子核 吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子（中性粒子）变成 一带有正电荷的离子——正离子。 (2) 电离能：电离出一个自由电子所需的能量，叫做电离能Wi，为一个电 子的电量与一电位差的乘积，即
Wi eVi
e — 电子的电量, e＝1.6×10-19C； Vi — 电离电位。
4
§3.1气体放电的物理基础
3) 介稳状态（亚稳状态）: 在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常
轨道。 常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层
轨道上去，然后才能跳回正常轨道；或在第二次外界能量的作用下发生电离。 中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4～10-2s甚至更长，因而它在中性粒
负离子，而氟原子及其化合物的分子对电子的亲合作用特别强。
氟原子及其化合物
负电性气体
18
§3.1气体放电的物理基础
复合的过程总是伴随着能量的释放。 表面复合下，释放出的能量多用以加热电极、金属或绝缘构的表 面； 空间复合下，释放出的能量常以光的形式向周围空间辐射，或者 一部分用以增加形成的中性粒子的速度。
2、扩散 电离气体中的带电粒子，由于热运动从浓度较高的区域向浓度较
低的周围气体中移动的现象。 扩散使电极间电离气体中带电粒子减少，从而其电离度下降。
等离子体：电离气体中正负带电粒子数相等。
19
20
2
§3.1气体放电的物理基础
一些气体和金属蒸汽的电离能和激励能
元素 碳C 氧H 氢O 氮N 氟F 铝 Al 银 Ag 铜 Cu 铁 Fe 钨W
电离能/eV 11.3 (24.4, 48, 65) 13.5(35, 55, 77) 13.54 14.55 (29.5, 47, 73) 17.4 (35, 63, 87, 114) 5.98 7.57 7.72 7.9 7.98
第四章 气体放电的基本原理
6
c ρB(ν) 其中： 其中： LνB = 4π
εν s c2 由5和6得： i = 和 得 εν 2hν
3
LνB
7
光源原理与设计—气体放电的基本原理 光源原理与设计 气体放电的基本原理
平衡下： 平衡下： 1 nn Anm hνProf.ν 4π 1 + nn Bnm LνB hνProf.ν c 8
V θ Vx 观察者
vx + λ0 vx c △ν =ν0
光源原理与设计—气体放电的基本原理 光源原理与设计 气体放电的基本原理
四.谱线的压力放宽 谱线的压力放宽 1.定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使 定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用， 定义 辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放 宽。 a)共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰 共振放宽： 共振放宽 b)范德瓦尔斯放宽：不同种类原子对激发态原 范德瓦尔斯放宽： 范德瓦尔斯放宽 子的干扰 c)斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰 斯塔克放宽： 斯塔克放宽
a)定义 定义 Iλ Iλ = Prof.λ= I t ∫Iλdλ Iλ=It*Prof. λ
∫Iλdλ=∫ItProf.λdλ=It∫Prof.λdλ=It ∫Prof.λdλ=1
→“归一化”性质 归一化” 归一化
光源原理与设计—气体放电的基本原理 光源原理与设计 气体放电的基本原理
以频率ν表示 以频率 表示 c Prof.ν= 2 Prof.λ ν 以ω表示 表示 1 Prof.ω= Prof.ν 2π
1. 不同元素的能级不同，其辐射的波长不同 不同元素的能级不同， →选择性强 选择性强 2. 共振辐射的效率 特别是第一共振态 最高 共振辐射的效率(特别是第一共振态 特别是第一共振态)最高 3. 能级之间的跃迁服从选择定则 4. 线光谱辐射的功率密度 线光谱辐射的功率密度Pnm
气体放电基础知识
气体放电基础知识气体击穿理论气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。
如：空气、 CO2、 N2、SF6、混合气体等。
当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。
为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气体中的放电过程。
本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：带电质点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等。
第一节气体放电主要形式什么是气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
处于正常状态并隔绝各种外电离因素作用的气体是完全不导电的。
气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射线作用，500-1000对/立方厘米正、负离子），在电场作用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通常并不是理想绝缘介质。
由于带电质点极少，气体的电导也极小，仍为优良的绝缘体。
击穿：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。
气体这种由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
击穿电压：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。
击穿场强：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。
气体放电形式根据气体压力、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：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。
这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。
注意：辉光放电仅发生在气压较低的情况下2、电弧放电随着外回路中的阻抗减小，电流增大。
当电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大，这时的放电形式称为电弧放电。
电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
气体放电原理
气体放电原理气体放电是指在一定条件下，气体中的自由电子受到电场的作用而加速，与气体原子或分子发生碰撞，使其电离并产生电流的现象。
气体放电是一种重要的物理现象，广泛应用于放电灯、气体放电激光器、等离子体物理研究等领域。
气体放电的原理主要包括电离、电子与离子的碰撞、电子能量的损失和复合等过程。
在电场的作用下，气体分子中的自由电子受到电场力的作用而加速，当电子的动能足够大时，就能够克服原子或分子的束缚能而发生电离。
电离过程是气体放电的起始阶段，也是电流的产生阶段。
在电离过程中，产生了大量的自由电子和离子，它们在电场的作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，使得气体分子进一步电离，形成电子级联增殖的现象。
在气体放电过程中，电子与离子的碰撞是不可避免的。
当电子与离子碰撞时，它们会相互传递动量和能量，使得电子的能量逐渐损失，而离子的能量逐渐增加。
这种能量的转移和损失导致了电子的能量分布发生变化，形成了电子能谱。
电子能谱的形状和分布对气体放电过程的性质和特性有着重要的影响。
除了电离和碰撞外，电子的能量损失和复合也是气体放电过程中重要的物理过程。
当电子与气体分子碰撞时，它们会失去能量，并使得气体分子电离或激发。
另一方面，电子还会与正离子复合，释放能量并再次形成原子或分子。
这种能量的损失和复合过程是维持气体放电的能量平衡的重要机制。
综上所述，气体放电是一种复杂的物理现象，其原理涉及到电离、碰撞、能量损失和复合等多个过程。
深入理解气体放电的原理，有助于我们更好地应用气体放电技术，推动相关领域的发展。
同时，气体放电的研究也为我们提供了一个认识自然界和探索未知领域的重要途径。
希望本文能够为读者提供一些有益的信息，促进气体放电领域的进一步研究和应用。
气体放电基本物理过程及基本性质
电晕放电是极不均匀场中的局部强场 区的一种自持放电（过程）
稍不均匀场不能产生稳定的电晕！!
（起晕电压接近击穿电压） 气体放电的基本物理过程和基本性质
27
2、电晕放电的效应
发出咝咝的声音、臭氧的气味、 电极附近空间蓝色的晕光
化学反应产生新物质 回路电流明显增加(绝对值仍很
小)，可以测量到能量损失 产生高频脉冲电流-----干扰源
气体放电的基本物理过程和基本性质
19
流注理论对S较大时放电现象的解释
放电外形： S较大时，放电具有通道形式
流注中电荷密度很大，电导很大，其中电
场强度较小。因此流注出现后，对周围空
间内的电场有屏蔽作用，并且随着其向前
发展而更为增强
当某个流注由于偶然原因发展更快时，将
抑制其它流注的形成和发展，并且随着流
37
1、极不均匀电场中的放 电过程（短间隙）
非自持放电阶段
流注发展阶段（自持）
气体放电的基本物理过程和基本性质
38
以棒－板间隙为例
非自持放电阶段(设外界 因素产生了一个电子崩)
当棒具有正极性时
在棒极附近，积聚起正
空间电荷，减少了紧贴
棒极附近的电场，而略
微加强了外部空间的电
场，棒极附近难以造成
➢ 汤森德放电是弥散的一片！流注放电
有明亮的细通道！
气体放电的基本物理过程和基本性质
18
自持放电条件
➢一旦形成流注，放电就进入了新的阶段， 放电可以由本身产生的空间光电离而自 行维持，即转入自持放电了
➢ 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以 流注形成的条件就是自持放电条件，在 均匀电场中也就是导致击穿的条件
气体放电的基本物理过程和基本性质
气体放电基础分解课件
气体放电在高压电器中应用广泛，主要用于电弧放电和火花放电。
详细描述
在高压电器中，如断路器、变压器等，气体放电主要利用电弧放电的方式进行灭弧。电弧是一种高温、高导电率 的等离子体，能够快速切断电流，防止设备过热和损坏。此外，在高压电器中，气体放电还可用于火花放电，作 为一种绝缘介质，防止电流击穿空气而产生电弧。
03
汤生放电的特性
CATALOGUE
气体放电的数学模型
电流-电压特性
01
02
连续放电阶段
过渡放电阶段
03 火花放电阶段
伏安特性与击穿电压
伏安特性 击穿电压
放电时间与稳定性
放电时间
稳定性
CATALOGUE
气体放电的实验研究
放电装置与测量仪器
放电装置
测量仪器
包括电压表、电流表、功率计、光谱 仪、光度计等，用于测量放电的各项 参数。
在没有外部电场的情况下，由于 气体放电产生的离子和电子在电 场作用下会形成电流，从而维持
放电过程。
火花放电
当外加电场超过气体的绝缘能力 时，会在电极之间产生电弧，形
成火花放电。
电晕放电
在低气压或高电压情况下，气体 分子间距较大，不容易发生碰撞 电离，但会在电极边缘产生高电 场，引发气体局部电离，形成电
气体放电基础分解 课件
目 录
• 气体放电基础概述 • 气体放电的物理过程 • 气体放电的数学模型 • 气体放电的实验研究 • 气体放电的应用案例 • 气体放电的未来展望
contents
CATALOGUE
气体放电基础概述
气体放电的基本概念
气体放电
气体放电的原理
气体放电的触发机制
气体放电的种类
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因此，交流电弧要比直流电弧容易熄灭。 在熄灭同样电流的电弧时，前者对灭弧装置的要求比后者要低 得多。
（2）由于交流开关电器（特别是低压开关电器），大多是利用ih 过零时熄弧的原理，电弧熄灭时电感中的能量趋近于零。所以，一 般开断大电流时产生过电压的可能性较小。
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§4-4 交流电弧的特性
2. 电弧电压对交流电路电流的影响 1）零休现象
电流过零前后一小段时间内，Ph< Ps，弧隙被迅速冷却，弧柱 变细， Rh迅速增大，使得此时的ih与负载额定电流相比，几乎可 以认为是零。 这一现象通常称为电流的“零休现象”。
由于零休现象的存在，电流在过零前后，其波形不再表现为 平滑的正弦波形，而是变化比较剧烈，甚至产生曲折的现象。这 一情况，在电阻性负载电路中比电感性负载电路中要严重得多。
电流零休存在的时间最多只有几百微秒，如果电流零休时间 超过这一数值，则电弧一般已经不会再产生了。
结果：电弧熄灭
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§4-4 交流电弧的特性
2）限流作用 物理模型：
忽略线路电阻。假定电源电压处于幅值时，线路发生短路。 当
开关K断开电路时，触头间产生电弧 uh，设电弧电压为。此时，短
路电流中将不存在非周期分量。设经过 t1＜0.005s后，开关触头以 速度 v 分开。
di
L Ev(t t )
dt
1
初始条件t＝t1时，i ′ ′ ＝0
解： i Ev (t t )2 (当t t 时）
2L
1
1
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§4-4 交流电弧的特性
(3) 实际短路电流瞬时值:
i
i
i
U m
L
sin t
Ev 2L
(t
t )2 1
i’
i
t1
i’’
思考题
交流电弧特性
思考题
1. 何谓交流电弧的零休现象？ 2.弧长不变的交流电弧，在稳定燃烧时为什么燃弧尖峰总是高 于熄弧尖峰? 3. 在电流有效值相同条件下，直流电弧与交流电弧哪一个更容 易熄灭? 为什么？ 4. 若开关电器分别开断电阻性交流负载电路和电感性交流负载 电路，试问开断哪种负载电路更困难？为什么？ 5. 在低压开关电器中，可以利用其开断电路时触头间所产生的电 弧来限制短路电流的峰值。请问能否将这种限流方法应用于高压开关 电器中？为什么？
L — 线路电感； Um —电压幅值； ω —电源角频率； t — 时间。
初始条件t＝0时，i′ ＝0
解：
i
U m
sin
ωt
ωL
HOME
§4-4 交流电弧的特性
(2) 不计电源、仅考虑电弧时的短路电流瞬时值:
假定弧长l＝v(t-t1) ，弧柱电场强度E为常数，忽略近极压降U0 ， 可得电弧电压 uh=El=Ev(t-t1)。
§4-4 交流电弧的特性
1. 交流电弧的伏安特性 1）交流电弧的伏安特性
uh, i 燃弧尖峰Urh
uh
i
熄弧尖峰Uxh
0
ωt
电弧电压随时间变化关系
HOME
§4-4 交流电弧的特性
uh A
C
B
U0
0
ih
B’
C’
A’ 电弧电压随时间变化关系
HOME
§3-4 交流电弧的特性
2）负载对交流电弧伏安特性的影响
(1) 电阻性负载
请注意电流波形！
u
为什么出现“电流零休”？
i
uh Urh
Uxh
ωt
HOME
4
§4-4 交流电弧的特性
(2) 电感性负载
Urh
u i
uh
Uxh
ωt
结论： 在开断同一电流时，电阻性负载电路中的电
HOME
§4-4 交流电弧的特性
3）交流电路开断的特点 （1）交流电路中，电流在1s内要通过零点2f次。
L
u~
i
K
uh
HOME
§4-4 交流电弧的特性
弧隙可等效为一电压源，其电压为uh。
根据叠加原理可以建立下列等效电路模型：
L
L
i’
i’’
u~
+
K
uh
根据叠加原理：
i i i
HOME
§4-4 交流电弧的特性
(1) 电路中不存在电弧时的短路电流瞬时值:
L di U cosωt
dt
m
ωt
电弧的限流作用将取 决于电流 i′与i′′数值的 大小及其比例关系。
若电流 i′大小与i′′相当， 则电弧的限流作用明显；
低压开关电器
若电流 i′远大于i′′，则 电弧的限流作用几乎不 存在。
低压开关电器
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