第二章气体放电的物理过程(1)

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。

高电压技术(第二版) 电子教案课题：1.1 气体放电的基本物理过程（一）课时：2课时教学目标：1、了解带电质点的产生与消失2、掌握电子崩的形成与汤逊理论重点、难点：电子崩的形成与汤逊理论教具：教材粉笔教学方法：讲授法时间分配：回顾 10分钟授课 65分钟小结 10分钟作业布置 5分钟教学过程：1.1 气体放电的基本物理过程高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合介质。

由于气体绝缘介质不存在老化问题，击穿后自愈能力强，且其成本廉价，因此气体成为了在实际应用中最常见的绝缘介质。

气体击穿过程的理论研究虽然还不完善，但是相对于其他几种绝缘材料来说最为完整。

因此，高电压绝缘的论述一般都由气体绝缘开始。

1.1.1 带电质点的产生气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。

由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点正常状态下气体的电导很小，空气还是性能优良的绝缘体；在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧失绝缘性能1、气体中电子与正离子的产生电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。

电离可一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。

（1）热电离常温下，气体分子发生热电离的概率极小。

气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m 称为该气体的电离度。

（2）光电离当满足以下条件时，产生光电离。

（3）碰撞电离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。

（4）分级电离电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，其所需能量称为激励能。

原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离。

2、电极表面的电子逸出（1）正离子撞击阴极（2）光电子发射（3）强场发射（4）热电子发射3、气体中负离子的形成电子亲合能：使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。

1.1.2 带电质点的消失1.带电质点受电场力的作用流入电极 ；2.带电质点的扩散；3.带电质点的复合。

第⼆章⽓体放电的物理过程（1）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：不均匀电场条件下的⽓体⾃持放电现象。

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）放电辉光放电：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。

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。

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。