第二章 气体放电的物理过程

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。

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一、气体中带电质点的产生纯净的中性状态的气体是不导电的，只有在气体中出现了带电质点（电子、离子等）以后，才可能导电，并在电场的作用下，发展成各种形式的气体放电现象。

气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生；二是气体中的固体或液体金属表面发生电离。

下面讨论各种形式的电离：1．撞击电离撞击电离乃是两个质点在接近时通过复杂的电磁力相互作用，达到两者之间发生能量转换的结果，这就需要一定的相互作用的时间和条件。

一般来说，撞击体的动能愈大，造成电离的概率也愈大，但超过一定速度的电子，其速度进一步增大时，其撞击电离的概率反而逐渐减小，这是因为当相对速度很大时，相撞击的两个质点相互作用的延续时间很短，可能来不及完成能量转换的缘故。

当不存在电场时，质点的动能只能是该质点的热运动所固有的动能，只有当气体的温度升高到足够高，使部分气体质点热运动的动能超过该气体质点的电离能时，才能发生电离。

当存在电场时，带电质点受电场力的作用，在电场方向得到加速，积聚动能，但如果中途遇到别的质点碰撞，就会失去已积聚的动能。

正、负离子的体积比电子大得多，它们的运动和碰撞并不能造成电离；而电子与别的质点相邻两次碰撞之间的平均自由程比离子大得多，在电场的作用下，积聚足够的动能后再与其他质点碰撞的概率比离子大得多。

所以，在电场中，造成撞击电离的主要因素是电子。

2．光电离辐射的能量以不连续的光子的形式发出，光子的能量与光的波长有关，波长越短，能量越大。

例宇宙线，γ线，x线，短波长紫外线具有较强的电离能量。

由光电离产生的电子称为光电子。

光电离在气体放电中起着很重要的作用。

3．热电离由气体的热状态造成的电离称为热电离。

热电离实质上是由热状态产生的撞击电离和光电离的综合。

一般气体开始有较明显热电离的启示温度为103K数量级。

在电力系统中，热电离的典型例子是电弧。

4．表面电离①逸出功：电极发射电子所需的能量，与电极材料及表面状态有关。