下载文档原格式
气体放电过程的分析干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
20世纪70年代以来激光导引放电、电子束维持放电等新的放电形式，也日益受到人们的重视。
暗放电暗放电主要是非自持放电（但自持放电的某些区域中有暗放电存在）。
关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的，故这种放电也称为汤生放电。
汤生理论的物理描述是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。
新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进,又能引起分子的电离,电子数目便雪崩式地增长。
这称为电子繁流（图2）。
气体放电汤生根据上述物理描述，推导出抵达阳极的电子数目n u为式中n0为阴极发射的电子数；d为阴极阳极间距离；α为汤生第一电离系数。
上式表明,电子数目随距离d指数增长。
在一些光电器件中，特意充入一些惰性气体，使光电阴极发射的电子在气体中进行繁流，以得到光电流的放大，提高器件的灵敏度。
放电中产生的正离子最后都抵达阴极。
正离子轰击阴极表面时，使阴极产生电子发射；这种离子轰击产生的次级电子发射，称为r过程。
r过程使放电出现新的特点,这就是：r过程产生的次级电子也能参加繁流。
如果同一时间内，由于r过程产生的电子数,恰好等于飞抵阳极的电子数，放电就能自行维持而不依赖于外界电离源，这时就转化为自持放电。
辉光放电低压气体在着火之后一般都产生辉光放电。
若电极是安装在玻璃管内，在气体压力约为 100帕且所加电压适中时，放电就呈现出明暗相间的 8个区域（图4）。
图中下方的曲线表示光强的分布，按从阴极到阳极的顺序分为7个区。
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。
天津理工大学中环信息学院教案首页题目：气体放电的物理过程讲授内容提要：1.气体中带电质点的产生和消失2.气体放电机理教学目的：了解气体中带电质点的产生和消失的过程教学重点：理解汤姆斯放电理论理解流注放电理论教学难点：根据不同电场，理解放电的理论过程采用教具和教学手段：多媒体及板书授课时间：2014年9月1日授课地点：新教学楼1108 教室注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。
第一章气体放电的物理过程本次课主要内容：1. 气体中带电质点的产生和消失2.气体放电机理一、气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程原子激励和电离原子能级以电子伏为单位1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J原子激励原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能W e激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率二、气体中带电质点的产生（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离（2）各种光辐射（光电离）（3）高温下气体中的热能（热电离）（4）负离子的形成（二）金属（阴极）的表面电离三、气体中带电质点的消失（一）电场作用下气体中带电质点的运动（二）带电质点的扩散（三）带电质点的复合四、气体放电机理汤逊理论汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起着主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数流注理论工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿，如大气压强下空气的击穿特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的）说明放电发展的机理。
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。
气体放电的机理以及电力行业的应用一、气体放电基本理论1、气体放电的定义气体放电是人们在自然界与日常生活中常常碰到的现象，如闪电、日光灯等，它一般是指在电场作用下或其他激活方法使气体电离，形成能导电的电离气体。
气体放电是产生低温等离子体的主要途径。
所谓的低温等离子体是区别于核聚变中高温等离子体而言的。
低温等离子体物理与技术在经历了一个由20 世纪60 年代初的空间等离子体研究向80 年代和90 年代以材料及微电子为导向的研究领域的重大转变之后，现在已经成为具有全球影响的重要课题，其发展以及在电力行业中的应用对于高科技经济的发展有着巨大的影响。
2、气体放电的基本理论气体放电的经典理论主要有汤森放电理论和流注放电理论等。
1903 年，为了解释低气压下的气体放电现象，汤森(J．S．Townsend)提出了气体击穿理论，引入了三个系数来描述气体放电的机理，并给出了气体击穿判据。
汤森放电理论可以解释气体放电中的许多现象，如击穿电压与放电间距及气压之间的关系，二次电子发射的作用等。
但是汤森放电解释某些现象也有困难，如击穿形成的时延现象等；另外汤森放电理论没有考虑放电过程中空间电荷作用，而这一点对于放电的发展是非常重要的。
电子雪崩中的正离子随着放电的发展可以达到很高的密度，从而可以明显的引起电场的畸变，进而引起局部电子能量的加强，加剧电离。
针对汤森放电理论的不足，1940 年左右，H．Raether 及Loeb、Meek 等人提出了流注(Streamer)击穿理论，从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷，能有效地解释高气压下，如大气压下的气体放电现象，使得放电理论得到进一步的完善。
3、气体放电的主要类型通常，低气压、低温等离子体是在1~100Pa 的气体中进行直流、射频或微波放电产生的，而大气压下产生低温等离子体的主要方式有电晕放电、电弧放电和介质阻挡放电(DBD)。
比较而言，电晕放电比较微弱且产生的活性粒子效率较低而难以应用于工业生产。
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。 激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级之间的差值。 电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。 ㈠ 碰撞电离 定义：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离 。在放电形成时期主要取决于电子与气体分子的撞击. 条件： ⑴ 撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能 能量包括动能与位能 无电场时，动能小 有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场中造成碰撞电离的主要因素是电子。 ⑵ 一定的相互作用的时间和条件 通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换 主要影响因素有： 电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等
㈡ 光电离 定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。由光电离而产生的自由电子亦称为光电子 。光电离在气体放电中很重要 。 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能 光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线 气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子
㈢ 热电离 定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量大且数目多），能量来自气体分子的热能。 1000K数量级 Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离 Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离 热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变
㈣ 表面电离 气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。游离需要能量，称逸出功，一般小于气体的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。 获得逸出功的途径： ⑴ 热电子发射：金属电极加热，分子动能 ⑵ 强场发射：电极加上强电场 ⑶ 二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面 （正离子撞击阴极） ⑷ 光电子发射：短波光照射金属表面
㈤ 负离子的形成 中性分子或原子与电子相结合。将放出能量称亲和能Ｅ ，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性。 电负性大 , 易形成负离子 负离子现象对气体放电的发展起抑制作用
二．气体中带电粒子的消失 １．中和 受电场力作用流入电极，中和电量 ２．扩散 （分子热运动） 带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程 。 ３．复合 带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。 复合时有能量释放：光热声等。－空间光电离
§２－２气体放电机理 一:概述 外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。随电压↑，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。 （ 泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。） 场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增长，称电子崩。电流大增 。 （电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，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，产生更多的电子。 依次类推，电子数以几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。）
3．Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离 因素，为非自持放电。 ４．Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用 而自行维持和发展，为自持放电。 两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。 ５．此后的发展随电场情况不同 分别表现为： 1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿 2、不均匀电场：自持放电形成电晕 （1）、若间距较小即（Ｓ小）：Ｕ↑→火花放电 （2）、若间距较大（Ｓ大）：Ｕ↑→刷形放电， Ｕ↑↑→火花放电 （电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧） 二、汤森德气体放电理论（均匀电场） 一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论 要点：气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是δ·Ｓ值。δ：气体的相对密度，Ｓ：极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有不同。 （１）当δ·Ｓ值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用，气隙击穿电压大体是δ·Ｓ值的函数——汤森德机理，δ·Ｓ＜０.２６ｃｍ （２）当δ·Ｓ值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理
二．δ·Ｓ值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理） 【需画图说明，参见备课笔记】 ㈠ 汤森德气体放电机理适用范围： 低气压、短间隙（δ·Ｓ＜ ０.２６cm）；和汤森德气体放电机理其相关的3个参数： α电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、 β正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、 γ表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数）， 上述个各个数值均为平均值。 ㈡ 放电过程描述： ⑴电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生； 参数α（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）β作用小可以忽略。
初始激发电子数为0N；到达阳极的电子数为asxeNN0
若00N，则产生的电子数和正离子数也为0即只有碰撞游离因素，是不能维持放电发展的。这种需要依靠外界游离因素支撑的放电称为非自持放电。 若10N，则产生的电子数和正离子数均为)1(ase ⑵电子崩产生的正离子撞击到阴极表面时造成金属表面游离（至少一个电子逸出） 当电压继续升高到cU后，电流急剧增加，气隙转入良好的导电状态。由于电压的增加，游离将更为剧烈同时产生更多的正离子。从上所述，一个电子在经过一段距离s后，产生的阳离子个数为)1(ase个，这些正离子到达阴极以后，又能产生新的电子（γ作用，1）
则)1(ase个正离子撞击阴极产生的电子数为)1(ase，即表面至少逸出一个电子，则即使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。这种只需要依靠电场就能够维持下去的放电称为自持放电。放电进入自持阶段，并最终击穿。 由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为：
1)1(ase
此时具有清晰的物理含义。由于偶然的一个因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子)1(ase达到阴极能由γ过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。即自持放电的条件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿） 由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压0U。 对于均匀电场，则气隙被击穿，此后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放电电压0U就是气隙的击穿电压bU。
对于不均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压b
U
要比起始放电电压0U要高好多。 以上所描述的均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤森德气体放电理论。 由1)1(ase推倒可得到)(sfUb的关系 （三）帕邢定律 当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压δ和间隙距离S乘积的函数。在汤森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。
图－－均匀电场的帕邢曲线 帕邢定律：击穿电压Ｕb＝ｆ（δ·Ｓ）（与δ·Ｓ的积有函数关系） 1889年由实验结果总结出 解释：a） 设Ｓ不变 δ↑→λｅ 短，聚能少，有效碰撞几率小→Ｕｂ↑ δ↓→λｅ 长，但气体分子少，碰撞少 →Ｕｂ↑ 实用意义：将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（Ｕｂ↑） b）设δ不变,Ｓ↑→E↓得一定的Ｅ，必须Ｕｂ↑ Ｓ↓→Ｅ大, 但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ｕｂ↑ 有上述的介绍可以看出：当δ·Ｓ出现的乘积为很大和很小时，Ｕｂ都会体现出很大的值，即曲线会呈现出U型的分布，也就是两者之间有Ｕｂｍｉｎ。
㈤ 汤森德放电机理的局限性 当气隙气压升高至大气压，δＳ过大时，汤森德机理存在不足： 1、放电形式：在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道（具有分支和不连续） 2、放电时间：放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间（电子崩产生使得均压电场中气体整个间隙击穿） 3、与电极材料关系：阴极材料在放电过程中作用不大，即使没有γ作用，依然能自持放电。
