2章-气体放电的基本物理过程

第2章气体放点的基本物理过程（这章比较重要,要记得知识点很多，要认真看）在第二章标题下面有一句话“与固体和液体相比·········”(1.电离是指电子脱离原子的束缚而形成自由电子、正离子的过程．电离是需要能量的，所需能量称为电离能Wi(用电子伏eV表示,也可用电离电位Ui=Wi/e表示)2。

根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离方式可分为热电离、光电离、碰撞电离（最重要）和分级电离。

3.阴极表面的电子溢出：（1）正离子撞击阴极：正离子位能大于2倍金属表面逸出功。

（2)光电子发射：用能量大于金属逸出功的光照射阴极板。

光子的能量大于金属逸出功. （3)强场发射：阴极表面场强达到106V/cm（高真空中决定性）(4)热电子发射：阴极高温4。

气体中负离子的形成：电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量(电子亲合能）。

电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易,越大则越易形成负离子。

负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。

SF6气体含F,其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。

5.带点质点的消失:（1)带电质点的扩散：带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，使带电质点浓度变得均匀.电子的热运动速度高、自由行程大,所以其扩散比离子的扩散快得多。

(2)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。

6。

气体间隙中电流与外施电压的关系：第一阶段：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第二阶段：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）第三阶段：电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电子崩第四阶段自持放电：电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿)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.自持放电7.电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。

气体放电物理知识要点总结1．气体放电过程中一般存在六种基本粒子：电子，正离子，负离子，光子，基态原子（或分子），激发态原子（或分子）。

2．光子能量,其中为光的频率，h为普朗克常数。

3．原子能量由原子内部所有粒子共同决定，通常人们感兴趣的是原子最外层电子即价电子，因为气体放电过程主要是由最外层电子参加的。

原子通常处于稳定的能级，成为基态（基态能量E1），当价电子从外界获得额外能量时，它可以跳跃到更高能级，此时原子处于激发态（激发态能量E2），电子处于激发态的时间很短，然后会跃迁到基态或低激发态，并以光子形式释放出能量（）。

当电子获得的能量超过电离能时，电子就与原子完全脱离而成为自由电子，原子变为正离子。

4．正离子也可被电离，负离子是电子附着到某些原子或分子上而形成的。

负离子的能量等于原子或分子的基态能量加上电子的亲和能。

气体放电中的带电粒子是电子和各种离子（正离子和负离子）。

每种离子都将影响气体放电的电特性，电子的作用通常占主导地位。

5．波数等于波长的倒数，表示在真空中每厘米的波长个数。

即6. 原子所处的状态取决于其核外电子的运动状态，可用四个量子数来描述。

主量子数n(n=1,2,3…), 它是由电子轨道主轴的尺寸决定；轨道角量子数l，(l=0,1,2,3…n-1),它是由椭圆轨道的短轴和长轴之比决定。

轨道磁量子数m l,其取值范围为，它是由轨道相对于磁场的位置决定的；自旋磁量子数.7．在光谱中，将电子组态用规定的符号来标志，轨道角量子数用字母s,p,d,f等表示，相应的l值分别为0，1，2，3等。

电子组态所形成的原子态符号可以表示为第二章.气体放电的基本物理过程1．带电离子的产生方式：碰撞电离，光电离，热电离，金属表面电离2．电子与原子碰撞时，若碰撞不引起原子内部的变化，这种碰撞称为弹性碰撞，若电子能量足够大，电子与原子碰撞后，可引起原子内部发生变化，即引起原子的激发或电离，这种碰撞称为非弹性碰撞。

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。

气体放电的基本物理过程气体放电是指在气体中一些条件下产生的电流和光辐射现象。

它是由于电流穿过气体时，气体分子与电子碰撞而产生的。

1.电离阶段：当气体中存在电场时，电场的作用下，电子受到电场力的作用而受激，能量增加，然后具有足够的能量与气体分子发生碰撞。

这些高能电子与气体分子碰撞后会将气体分子中的电子击出，产生自由电子和正离子。

这个过程称为电离。

2.生长阶段：在电离阶段后，自由电子会与气体分子重新碰撞形成新的电子和正离子。

这个过程称为复合。

而新产生的电子又与其他气体分子发生碰撞，形成更多的正离子和自由电子。

这种电子的产生和复合的过程不断重复，直到达到一个动态平衡，产生了足够的自由电子和离子。

3.暴击阶段：当电子和正离子的数量进一步增加时，电子会与正离子再次碰撞，使其能量增加。

而当电子进一步与气体分子发生碰撞时，能量超过分子的离解能，就会导致气体分子的电离和激发，产生更多的自由电子和离子。

这个过程会导致电流和电压的增加。

4.衰减阶段：当电压继续升高时，电离和激发的过程会不断增强，导致放电区域中电子和气体分子的密度变得非常高。

这会使得电子和离子发生更多的碰撞，将能量转移给气体分子并使其激发或电离。

然而，当电子和正离子的能量损失超过其再激发或电离的能量时，放电区域中电子和离子的数量会逐渐减少，最终放电将停止。

这个过程称为电流的衰减。

总体来说，气体放电的基本物理过程是通过电场的作用将气体分子电离，产生自由电子和正离子。

这些电子和离子通过与气体分子的碰撞产生更多的电离和激发，导致电流和电压的增加。

最终放电区域中电子和离子的能量损失超过再激发或电离的能量，导致电流的衰减。

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。

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。