气体放电的物理过程2
国家电网考试高电压技术2(国网考试)
刷状 放电
电晕放电时，如继续升高电压，从电晕电极伸展出许多明亮 放电通道。
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辉光放电
现象 特点
当气体压强不大，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 间整个空间忽然出现发光现象。
放电电流密度较小， 放电区域通常占据了 整个电极间的空间。
➢ 对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，
一般是不能直接发生光电离的
(2)撞击电离
撞击电离
电子小， 自由程长，
可以加速 原因
到很大的 速度
电子的质 量小，可 以加速到 很大
电子碰撞电离
产生条件 :
W
1 2
mv 2
势能
Wi
Exqe
势能
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关。
系数α和 β与气体的性质、密度及场强等因素有关。
4.电子崩的形成 （ 过程 ）
一个起始电子 自电场获得一定动 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， 会使电子数目迅速增加，如同冰山上 发生雪崩一样 。
举例
霓虹管中的放电就是 辉光放电的例子。管 中所充气体不同，发 光颜色也不同
电弧放电
减小外回路中的阻抗，则电流增大到一定值后，
现象 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。
特点
电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极 大，电路具有短路的特征
火花放电
现象
在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是 形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙 中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了 放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明 亮细火花
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
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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。
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
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（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
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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。
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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。
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。
高电压气体放电的基本物理过程
高电压工程基础
由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压U0
如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据气压 、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电 弧放电，而起始电压U0也就是间隙的击穿电压Ub
如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时， 在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电， 这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压 可能比起始电压高很多
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第三十二页，编辑于星期六：一点 五十八分。
自持放电
当 电 压 达 到 U0 后 ， 气 体
中发生了强烈的电离，电 流剧增。同时气体中电离 过程只靠电场的作用已可 自行维持，而不再继续需 要外电离因素了。因此U0 以后的放电形式也称为自 持放电
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第三十三页，编辑于星期六：一点 五十八分。
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
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第一页，编辑于星期六：一点 五十八分。
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
高压电气设备绝缘的介质 -----气体、液体、固 体及其复合介质
气体绝缘介质的优点 :
1. 不存在老化问题 2. 击穿后具有完全的绝缘自恢复特性 3. 气体放电理论比液体与固体介质的击穿理
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第八页，编辑于星期六：一点 五十八分。
光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，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 ;
普朗克常数 6.63×10-34J·s
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
（3）强场发射
（4）热电子发射
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第十三页，编辑于星期六：一点 五十八分。
第1章 气体放电
第一章 气体放电
2、负棒一正板
第一章 气体放电
a.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离， 使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。
b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电 场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击 穿电压。
第一章 气体放电
结论： 在间隙距离d相同时 虽然UC(+)＞UC(-) 但 Ub(+)＜Ub(-) 式中 UC——电晕起始电压 Ub——击穿电压 此称为极性效应。
第一章 气体放电
2、当P一定时 ↑→ 要维持足够的电场强度 →必须升高 d d↑→ ↑→要维持足够的电场强度 要维持足够的电场强度→ 电压 反之 ↓→ 当与平均 λ可比拟时 →电子走完全 d d↓→ ↓→当与平均 当与平均λ 可比拟时→ 程中的碰撞次数 ↓→ Ub↑ 程中的碰撞次数↓→ ↓→U
第一章 气体放电
第一节 气体中带电质点的产生与消失 一、气体中带电质点的产生(游离)
１、碰撞游离 自由行程:质点两次碰撞之间的距离。 平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。 平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温 度成正比。
第一章 气体放电
２、光游离 各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫 外线、γ线、X线等才有使气体产生光游离的能力。 由光游离产生的自由电子称为光电子。 ３、热游离 在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。 4 、表面游离 包括热电子发射、正离子撞击阴极、短波光 照射效应及强电场发射等，都可以使阴极发射电 子。
第一章 气体放电
二、绝缘的一般分类
1、按存在形式 � 气体介质 � 液体介质 � 固体介质 2、按是否可自行恢复绝缘 � 可恢复绝缘 � 不可恢复绝缘
第一章 气体放电
气体放电原理
气体放电原理
气体放电是指当气体中的电子和离子获得足够的能量时，发生放电现象的过程。
其原理涉及到气体的电离和电子的碰撞等基本物理过程。
气体电离是指在电场的作用下，气体中的原子或分子失去电子成为正离子和自由电子的过程。
当电场强度足够大时，气体中的原子或分子受到电场的力，电子被加速并获得足够的能量，从而发生电离，形成正离子和自由电子。
电子的碰撞是指在气体中，自由电子与离子或原子之间发生的碰撞过程。
电子在碰撞过程中会失去能量，导致其速度减小。
当碰撞速率和电子再次获得能量的速率达到平衡时，电子的速度将保持稳定。
在气体放电过程中，电子和离子受到电场的作用而产生加速，当它们的能量达到一定程度时，就会引发碰撞电离，进而导致更多的电离。
这种连锁反应会引起电流的流动，形成可见的放电现象，如闪电、辉光灯等。
不同的气体放电现象具有不同的特点和应用。
例如，闪电放电具有极高的能量和电流，可破坏设备和引起火灾。
辉光灯则是通过控制气体放电来产生可见光，用于照明和显示等领域。
总之，气体放电现象是通过电场作用下的电离和碰撞过程实现的。
这一原理在各种领域的应用中发挥着重要的作用，从科学研究到工业应用都有广泛的应用价值。
气体放电的机理
状态有关。
②与E/P有关，因为离子和光子的动能决定于E/P,因而有： (E / p)
但在工程实际中在击穿电压的计算中， γ一般看作为常 数，因为击穿电压对 γ的反映不灵敏。
（四）均匀电场中的击穿电压
1. 自持放电条件
如果电压( 电场强度 ）足够大，初始电子崩中的正离子
能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0，那么即使除去 外界电离因子的作用放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产
(e d 0
dx
1)
1
自持放电条件图解分析
外界电离因子
阴极表面电离 气体空间电离
气体中的 自由电子
在电场中加速
碰撞电离
电子崩 （α）过程
阴极表面 二次发射 (γ过程）
正离子
图 2-1 低气压、短气隙情况下气体的放电过程
（五）击穿电压、巴申（帕邢）定律
Ape (Bp / E)
d ln 1
E
U d
Bpd
汤逊放电理论不能解释的放电现象
3、击穿电压 pd值较小时，选择适当的下值，根据汤逊自持放电条件
求得的击穿压和实验值比较一致。 pd值很大时，如仍采用原来的 值，则击穿电压计算值和
实验值将有很大出入。 4、阴极材料的影响
根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定 作用。实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响 ，但大气压力下空气中实测得到的击穿电压却和阴极材料无 关。
生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维
持下去，这就变成了自持放电。
在整个路程撞击出的正离子数为：
令γ 表示一个正离子撞击到阴极表 面时产生出来的二次电子数，则从金属 表面电离出的电子数为：
n0 (ead 1) n0 (ead 1)