气体放电的基本理论ppt课件

1、1第八章 气体放电的根本实际2第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际 本章主要引见气体放电实际，重点内容是本章主要引见气体放电实际，重点内容是气体放电过程及其构成机理。引见气隙的击穿气体放电过程及其构成机理。引见气隙的击穿特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电方特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电方式。式。8-2 气体放电过程的普通描画气体放电过程的普通描画8-1 气体中带电质点的产生和消逝气体中带电质点的产生和消逝8-3 均匀电场气隙的击穿均匀电场气隙的击穿8-4 不均匀电场气隙的击穿不均匀电场气隙的击穿8-5 气隙的击穿特性气隙的击穿特性8-6 气体电解质中的沿面放电气体电解质中

2、的沿面放电38-1 气体中带电质点产生和消逝第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1一、气体中带电质点的产生 气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此，介电常数都接近于1。纯真的、中性形状的气体是不导电的，只需气体中出现了带电质点电子、正离子、负离子以后，才能够导电，并在电场作用下开展成为各种方式的气体放电景象。 气体导电的缘由：气体中出现了带电质点电子、正离子、负离子以后，游离出来的自在电子、正离子和负离子在电场作用下挪动，从而构成气体电介质的电导层。4第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1 气体带电质点的来源：有两个，一是气体分气体带电质点的来源：有两个，一是气体

3、分子本身发生游离包括撞击游离、光游离、热游子本身发生游离包括撞击游离、光游离、热游离等多种方式；二是放在气体中的金属发生外离等多种方式；二是放在气体中的金属发生外表游离。表游离。 1 1、撞击游离、撞击游离 欲使气体质点游离，必需给予该气体质欲使气体质点游离，必需给予该气体质点足够的能量，这个能量由撞击质点传给。这些点足够的能量，这个能量由撞击质点传给。这些撞击质点有电子、正离子、负离子、中性分子、撞击质点有电子、正离子、负离子、中性分子、原子等，其所具有的能量有两种方式：原子等，其所具有的能量有两种方式： 动能，动能，mv2/2mv2/2，m m是质点质量，是质点质量，v v是质点速是质点速

4、度。度。 势能，数值很小忽略不计势能，数值很小忽略不计 5动能的产生：动能的产生： 气体质点的热运动使之具有固有的动能；气体质点的热运动使之具有固有的动能； 在外加电场作用下，带电质点在电场力的作在外加电场作用下，带电质点在电场力的作器具有一定的能量。器具有一定的能量。 构成撞击游离的条件：构成撞击游离的条件： 撞击质点所具有的总能量至少大于被撞击质撞击质点所具有的总能量至少大于被撞击质点在该种形状下所需的游离能；点在该种形状下所需的游离能； 撞击质点与被撞击质点有一定的作用时间。撞击质点与被撞击质点有一定的作用时间。 在有电场存在的情况下，电子与别的质点相邻在有电场存在的情况下，电子与别的质

5、点相邻两次碰撞之间的平均自在行程比离子大的多，积两次碰撞之间的平均自在行程比离子大的多，积聚足够的能量后再与其他质点碰撞的几率也比离聚足够的能量后再与其他质点碰撞的几率也比离子大的多，因此在电场中，呵斥撞击游离的主要子大的多，因此在电场中，呵斥撞击游离的主要要素是电子。要素是电子。 第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际6第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际2、光游离、光游离 短波射线的光子具有很大能量、它以光速运动，短波射线的光子具有很大能量、它以光速运动，当它射到中性原于当它射到中性原于(或分子或分子)上时所产生的游离称为上时所产生的游离称为光游离，光子的能量与其频率成正

6、比，即光游离，光子的能量与其频率成正比，即 h(11)式中式中 h普朗克常量，等于普朗克常量，等于6.6260755X10-34Js； 光的频率，光的频率，Hz。 当气体遭到光辐射作用时，产生光游离的必当气体遭到光辐射作用时，产生光游离的必要条件是光子的能量应不小于气体的游离能。光要条件是光子的能量应不小于气体的游离能。光游离也可以分级游离的方式来完成。游离也可以分级游离的方式来完成。 紫外线、紫外线、X射线，射线，、和和等短波射线都可以等短波射线都可以引起光游离。在气体击穿过程中异号带电质点不引起光游离。在气体击穿过程中异号带电质点不断复合为中性质点而放出的光子，激发形状的原断复合为中性质点

7、而放出的光子，激发形状的原子复原时放出的光子也有产生光游离的作用，并子复原时放出的光子也有产生光游离的作用，并且是重要的光游离要素。且是重要的光游离要素。 光游离产生的自在电子称为光电子。宇宙射光游离产生的自在电子称为光电子。宇宙射线中的光子可呵斥气体游离，并且使游离出来的线中的光子可呵斥气体游离，并且使游离出来的电子具有很大的动能，可以再呵斥撞击游离。电子具有很大的动能，可以再呵斥撞击游离。7第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际13.热游离热游离 自在气体的热形状呵斥的游离称为热游离。自在气体的热形状呵斥的游离称为热游离。热游离本质上并不是另外一种独立的方式，本质热游离本质上并不是

8、另外一种独立的方式，本质上仍是撞击游离与光游离，只是其能量来源于气上仍是撞击游离与光游离，只是其能量来源于气体分子本身的热能。体分子本身的热能。 在室温在室温(20) 时，气体分子平均动能仅约时，气体分子平均动能仅约0. 038eV，这比任何气体的游离能都要小得多，虽，这比任何气体的游离能都要小得多，虽然由于气体分子热运动的统计性质，某些分子的然由于气体分子热运动的统计性质，某些分子的动能远超越此平均值，但动能远超越此平均值，但其几率是极其微小的，温度升到很高时，气体分其几率是极其微小的，温度升到很高时，气体分子的平均动能添加很多，在相互碰撞时，就能够子的平均动能添加很多，在相互碰撞时，就能够

9、产生撞击游离。产生撞击游离。 8第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1 在一定热形状下的物质都能发出热辐射，气体也不例在一定热形状下的物质都能发出热辐射，气体也不例外。物体温度升高时，其热辐射光子的能量大，数量多，外。物体温度升高时，其热辐射光子的能量大，数量多， 这种光子与气体分子相遇时就能够产生光游离。这种光子与气体分子相遇时就能够产生光游离。 由上述热形状的撞击游离和光游离所游离出来的带电由上述热形状的撞击游离和光游离所游离出来的带电粒子，在高温下具有较高的热运动速度，在与分子碰撞时，粒子，在高温下具有较高的热运动速度，在与分子碰撞时，还能够产生撞击游离。还能够产生撞击游离。

10、由此可见，热游离本质上是热形状产生的撞击游离和由此可见，热游离本质上是热形状产生的撞击游离和光游离的综合。光游离的综合。9第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1 4.外表游离外表游离 气体中的电子也能够来源于金属电极的外表游离。从气体中的电子也能够来源于金属电极的外表游离。从金属电极外表逸出电子，需求一定的能量，通常称为逸出金属电极外表逸出电子，需求一定的能量，通常称为逸出功。金属的逸出功普通要比气体的游离能小得多，所以，功。金属的逸出功普通要比气体的游离能小得多，所以，外表游离在气体放电过程中有重要作用。外表游离在气体放电过程中有重要作用。 金属电极外表游离所需的能量逸出功可以经过

11、下金属电极外表游离所需的能量逸出功可以经过下述途径获得：述途径获得： 热电子发射：即把金属电极加热，使金属中电子的热电子发射：即把金属电极加热，使金属中电子的动能添加到超越逸出功时，电子即能抑制金属外表的位能动能添加到超越逸出功时，电子即能抑制金属外表的位能壁垒而逸出，称为热电子发射。在强电领域，热电子发射壁垒而逸出，称为热电子发射。在强电领域，热电子发射主要是对某些电弧放电的过程有重要的意义。主要是对某些电弧放电的过程有重要的意义。 二次发射：用某些具有足够能量的质点例如正离二次发射：用某些具有足够能量的质点例如正离子撞击金属电极外表，也能够产生外表游离称为二次子撞击金属电极外表，也能够产生

12、外表游离称为二次发射。发射。10第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1 强场发射：强场发射： 在电极附近加上很强的外电场，也能从金属在电极附近加上很强的外电场，也能从金属电极中拉出电子，称为强场发射或冷发射。这种电极中拉出电子，称为强场发射或冷发射。这种发射所需的外电场极高，其数量级在发射所需的外电场极高，其数量级在106V/cm 左左右。普通气隙的击穿场强远低于此数值，所以，右。普通气隙的击穿场强远低于此数值，所以，在普通气隙的击穿过程中还不会出现强场发射。在普通气隙的击穿过程中还不会出现强场发射。强场发射对某些高压强下的气隙击穿或高真空下强场发射对某些高压强下的气隙击穿或高真空下

13、的气隙击穿具有重要意义。的气隙击穿具有重要意义。 光电子发射：光电子发射： 用短波光照射金属外表也能产生外表游离用短波光照射金属外表也能产生外表游离称为光电子发射。当然，此光阴子的能量必称为光电子发射。当然，此光阴子的能量必需大于逸出功，但满足这个条件的光子并不都能需大于逸出功，但满足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，由于一部分光子会被金属外表产生光电子发射，由于一部分光子会被金属外表反射，金属所吸收的光能中，大部分也是转化为反射，金属所吸收的光能中，大部分也是转化为金属的热能，只需小部分用以使电子逸出。金属的热能，只需小部分用以使电子逸出。 11第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本

14、实际15.负离子的构成负离子的构成 分子或原子对电子的亲合能分子或原子对电子的亲合能E：一个：一个中性分子或原子与一个电子结合生成一价中性分子或原子与一个电子结合生成一价负离子所释放出的能量。负离子所释放出的能量。E的值越大，就的值越大，就越容易与电子相结合而成为负离子。越容易与电子相结合而成为负离子。 卤素元素的卤素元素的E值比其它元素大的多，值比其它元素大的多，因此很容易俘获一个电子而成为负离子。因此很容易俘获一个电子而成为负离子。 如前面所述，离子的游离才干比电子如前面所述，离子的游离才干比电子小得多，因此俘获电子而成为离子这一景小得多，因此俘获电子而成为离子这一景象能对气体放电的开展起

15、抑制造用，有助象能对气体放电的开展起抑制造用，有助于气体耐电强度的提高。于气体耐电强度的提高。12第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1二、气体中带电质点的消逝 气体中带电质点的消逝主要有以下三种方式：带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的分散；带电质点的复合。 1.带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量 带电质点在电场力的作用下遭到加速，在向电场方向运动途中会不断地与气体分子相碰撞，碰撞后会发生散射，但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。其平均速度开场是逐渐添加的因受电场力的加速，但随着速度的添加，碰撞时失去的动能也添加，最后，在一定的电场强度下，其平均速度将到

16、达某个稳定值。这一平均速度称为带电质点的驱引速度。 13第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际12.带电质点的分散带电质点的分散 带电质点的分散就是指这些质点会从浓度较带电质点的分散就是指这些质点会从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。 带电质点的分散是由杂乱的热运动呵斥的，带电质点的分散是由杂乱的热运动呵斥的，而不是由于同号电荷的电场斥力呵斥的，由于即而不是由于同号电荷的电场斥力呵斥的，由于即使在很大的浓度下，离子之间的间隔仍大到静电使在很大的浓度下，离子之间的间

17、隔仍大到静电力起不到什么作用的程度。电子的直径比离子的力起不到什么作用的程度。电子的直径比离子的直径小很多，在运动中遭到的碰撞也比离子少得直径小很多，在运动中遭到的碰撞也比离子少得多，因此电子的分散比离子的分散快得多。多，因此电子的分散比离子的分散快得多。 3.带电质点的复合带电质点的复合 带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传送、带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传送、中和而复原为中性质点的过程称为复合。复合时，中和而复原为中性质点的过程称为复合。复合时，质点原先在游离时所汲取的游离能通常将以光子质点原先在游离时所汲取的游离能通常将以光子的方式如数放出。对负离子来说，复合的过程就的方式如数放出

18、。对负离子来说，复合的过程就是从负离子上游离出原先吸附的一个电子。是从负离子上游离出原先吸附的一个电子。 14第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际1复合过程的影响要素：复合过程的影响要素： 与游离过程类似，复合的过程也是带电质点在与游离过程类似，复合的过程也是带电质点在接近时经过电磁力的相互作用而完成的，需求一定接近时经过电磁力的相互作用而完成的，需求一定的相互作用时间和条件。在复合过程中，异号质点的相互作用时间和条件。在复合过程中，异号质点间的静电力起着重要作用，这一点与分散过程不同。间的静电力起着重要作用，这一点与分散过程不同。 参与复合的质点的相对速度愈大，复合的几参与复合的质

19、点的相对速度愈大，复合的几率就愈小，气体中电子的速度比离子的速度大得多，率就愈小，气体中电子的速度比离子的速度大得多，所以电子与正离子复合的几率比负离子与正离子复所以电子与正离子复合的几率比负离子与正离子复合的几率小得多小几千倍。参与复合的电子中合的几率小得多小几千倍。参与复合的电子中绝大多数是先构成负离子再与正离子复合的。绝大多数是先构成负离子再与正离子复合的。 异号质点的浓度愈大，复合就愈剧烈。因此，异号质点的浓度愈大，复合就愈剧烈。因此，剧烈的游离区通常也总是剧烈的复合区，这个区的剧烈的游离区通常也总是剧烈的复合区，这个区的光亮度也就较高。光亮度也就较高。158-2 气体放电过程的普通描

20、画 第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际216第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际2 随着气隙中场强增大，电子和离子在与气体分子相邻随着气隙中场强增大，电子和离子在与气体分子相邻两次碰撞间所积累的动能也添加，场强高达某一定值，使两次碰撞间所积累的动能也添加，场强高达某一定值，使这种能量的积累到达撞击游离所需值时，气体中即可发生这种能量的积累到达撞击游离所需值时，气体中即可发生撞击游离。游离出来的电子又参与到撞击游离的过程中去。撞击游离。游离出来的电子又参与到撞击游离的过程中去。于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩。于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩。 此时

21、电流也相应地有较大的增长，但在场强小于某临此时电流也相应地有较大的增长，但在场强小于某临界值界值 Ecr时，这种电子崩还必需有赖于外界游离要素所呵时，这种电子崩还必需有赖于外界游离要素所呵斥的原始游离才干继续存在；如外界游离要素消逝，那么斥的原始游离才干继续存在；如外界游离要素消逝，那么这种电子崩也随之逐渐衰减以致消逝，而不能本人维持下这种电子崩也随之逐渐衰减以致消逝，而不能本人维持下去。这种放电称为非自持放电。去。这种放电称为非自持放电。 当场强到达或超越当场强到达或超越Ecr值时，这种电子崩已可仅由电场值时，这种电子崩已可仅由电场的作用而自行维持和开展，不用再依赖于外界游离要素了，的作用而

22、自行维持和开展，不用再依赖于外界游离要素了，这种性质的放电称为自持放电。这种性质的放电称为自持放电。 由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强Ecr，相应的电压称为临界电压相应的电压称为临界电压Ucr。17第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际2 游离放电的进一步开展和转变到气隙击穿的过程将随游离放电的进一步开展和转变到气隙击穿的过程将随电场情况而不同，可分为均匀电场和不均匀电场两大类。电场情况而不同，可分为均匀电场和不均匀电场两大类。 在大体均匀的电场中，恣意某处构成自持放电时，自在大体均匀的电场中，恣意某处构成自持放电时，自持放电会很快地

23、开展到整个间隙，气隙即被击穿，气隙的击持放电会很快地开展到整个间隙，气隙即被击穿，气隙的击穿电压实践上就等于构成自持放电的临界电压。穿电压实践上就等于构成自持放电的临界电压。 在很不均匀的电场中，例如在尖端电极的情况，在电压在很不均匀的电场中，例如在尖端电极的情况，在电压还较低的时候，尖端处的场强就已能够超越临界值而出现自还较低的时候，尖端处的场强就已能够超越临界值而出现自持放电，就是电晕放电。由于离尖端稍远处场强已大为减小，持放电，就是电晕放电。由于离尖端稍远处场强已大为减小，故电离放电只能局限在尖极附近的空间而不能扩展出去。故电离放电只能局限在尖极附近的空间而不能扩展出去。 当电压再提高时

24、，如电极间距不大，那么能够从电晕当电压再提高时，如电极间距不大，那么能够从电晕放电直接转变成整个间隙的火花击穿。如电极间间隔大时，放电直接转变成整个间隙的火花击穿。如电极间间隔大时，那么从电晕转到刷形放电阶段，这种刷形放电在空间不断变那么从电晕转到刷形放电阶段，这种刷形放电在空间不断变卦位置。当电压再增高时，刷形放电增长到达对面的电极，卦位置。当电压再增高时，刷形放电增长到达对面的电极，就转变为火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿迅速即就转变为火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿迅速即转变成电弧。转变成电弧。18 电晕放电：电晕放电： 气体介质在不均匀电气体介质在不均匀电场中的部分自持放电

25、。场中的部分自持放电。最常见的一种气体放最常见的一种气体放电方式。在曲率半径电方式。在曲率半径很大的尖端电极附近，很大的尖端电极附近，由于部分电场强度超由于部分电场强度超越气体的电离场强，越气体的电离场强，使气体发生电离和鼓使气体发生电离和鼓励励 ，因此出现电晕放，因此出现电晕放电。发生电晕时在电电。发生电晕时在电极周围可以看到淡蓝极周围可以看到淡蓝色的光晕色的光晕 ，并伴有咝，并伴有咝咝声。咝声。 电晕放电可以是相对电晕放电可以是相对稳定的放电方式，也稳定的放电方式，也可以是不均匀电场间可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期隙击穿过程中的早期开展阶段。开展阶段。 火花放电：火花放电： 高电压电

26、极间的气体被高电压电极间的气体被击穿，出现闪光和爆裂击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电景象。声的气体放电景象。 在通常气压下，当在曲在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加率不太大的冷电极间加高电压时，假设电源供高电压时，假设电源供应的功率不太大，就会应的功率不太大，就会出现火花放电，火花放出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进展，并伴的发光通道进展，并伴随爆裂声。由于气体击随爆裂声。由于气体击穿后忽然由绝缘体变为穿后忽然由绝缘体变为良导体，电流猛增，而良导体，电流猛增，而电源功率不

27、够，因此电电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。待电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙所以火花放电具有间隙性。性。19 火花放电和电晕放电的区别火花放电和电晕放电的区别:火花放电是电极间的气体被击穿，构成电流在火花放电是电极间的气体被击穿，构成电流在气体中的通道，即明显的电火花。气体中的通道，即明显的电火花。电晕放电是电极间的气体还没有被击穿，电荷电晕放电是电极间的气体还没有被击穿，电荷在高电压的作用下发生挪动而进展的放电，在高电压的作用下发生挪动而进展的放电，放电的景象是：在黑暗中可以看到电极的尖放电的景象是：在黑暗中可以看到电极的尖端有蓝色的

28、光晕。端有蓝色的光晕。 火花放电的电流都很大，而电晕放电的电流比火花放电的电流都很大，而电晕放电的电流比较小。较小。 20 电弧放电：当电源提供较大功率的电能时，假设极电弧放电：当电源提供较大功率的电能时，假设极间电压不高约几十伏，两极间气体或金属蒸气间电压不高约几十伏，两极间气体或金属蒸气中可继续经过较强的电流几安至几十安中可继续经过较强的电流几安至几十安,并发出并发出剧烈的光辉剧烈的光辉,产生高温几千至上万度，这就是电产生高温几千至上万度，这就是电弧放电弧放电 。电弧放电最显著的外观特征是亮堂的弧光。电弧放电最显著的外观特征是亮堂的弧光柱和电极斑点。柱和电极斑点。 电弧放电可用于焊接、冶炼

29、、照明、喷涂等。这些电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场所主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制场所主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。在这些运用中，都需使电弧稳定放电。等特点。在这些运用中，都需使电弧稳定放电。 21228-3 均匀电场气隙的击穿 第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 气隙击穿的过程，就是各种方式的游离继续开展的过气隙击穿的过程，就是各种方式的游离继续开展的过程。在不同情况下，各种游离所起作用的强弱不同，气隙程。在不同情况下，各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有差别。击穿的机理也就有差别。 对气隙击穿影响最大的要素对气隙击穿影响

30、最大的要素S，其中，其中为气体的相为气体的相对密度，对密度，S为极间间隔。为极间间隔。 汤森德机理：汤森德机理： 当当S值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击金属值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击金属阴极所呵斥的外表游离起主要作用，气隙的击穿电压大体阴极所呵斥的外表游离起主要作用，气隙的击穿电压大体上是上是S 的函数。这就是汤森德的函数。这就是汤森德Townsend机理，是机理，是英国物理学家汤森德英国物理学家汤森德Townsend在二十世纪初提出来在二十世纪初提出来的。的。 对空气来说，普通以为，在对空气来说，普通以为，在S0.26cm 范范围内，流注机理比较符合实践。围内，流注机理比较符合

31、实践。24第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3一、 S值较小时气隙的击穿过程 S 较小时呵斥气隙击穿的主要要素是电子撞击游离和阴极的外表游离。为了进展分析，引入三个系数如下： 系数，表示一个电子由阴极到阳极每1cm 路程中与气体质点相碰撞所产生的自在电子数平均值。 系数，表示一个正离子由阳极到阴极每lcm路程中与气体质点相碰撞所产生的自在电子数平均值。 系数，表示一个正离子撞击到阴极外表时，使阴极逸出的自在电子数平均值。25第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 如下图，为一平行板电极均匀电场。取如下图，为一平行板电极均匀电场。取X轴垂直于电极轴垂直于电极平面。最初的自在

32、电子是由外界游离要素在气隙体积内或平面。最初的自在电子是由外界游离要素在气隙体积内或从阴极外表游离出来的。从阴极外表游离出来的。 现假设从阴极外表游离出一个初始自在电子，即现假设从阴极外表游离出一个初始自在电子，即n0=1。该电子在电场力的作用下获得动能，在向阳极运动途中，该电子在电场力的作用下获得动能，在向阳极运动途中，不断呵斥撞击游离。当到达距阴极为不断呵斥撞击游离。当到达距阴极为x处时，游离出的电子处时，游离出的电子数包括该初始电子为数包括该初始电子为n。 这些电子在继续这些电子在继续前进的的前进的的dx路程中，路程中，将游离出更多的新电将游离出更多的新电子，其数量为：子，其数量为：dx

33、ndndxndn/26第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3将此式积分，可得距阴极为将此式积分，可得距阴极为x的某处的电子数为：的某处的电子数为：xxdxn0exp aSen1se 对于均匀电场，各处的场强相等，各处的对于均匀电场，各处的场强相等，各处的值也都一值也都一样，于是，到达阳极的电子数将为：样，于是，到达阳极的电子数将为： 在整个在整个S路程中撞击游离出的正离子数路程中撞击游离出的正离子数(也即撞击游离也即撞击游离出的新电子数出的新电子数) 那么为：那么为：27第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 实验证明，正离子在前往阴极途中呵斥撞击游离即实验证明，正离子在前

34、往阴极途中呵斥撞击游离即过程的作用极小这是由于正离子的平均自在行程比电过程的作用极小这是由于正离子的平均自在行程比电子小得多，不易积累足够的动能，因此可以忽略不计。子小得多，不易积累足够的动能，因此可以忽略不计。11 ser 个正离子到达阴极个正离子到达阴极,将从阴极游离出将从阴极游离出 个电子，假设此值不小于个电子，假设此值不小于1，即：，即：1se1se那么表示一个起始电子经上述一次过程后，能从阴极产生那么表示一个起始电子经上述一次过程后，能从阴极产生的新电子数不少于原有的那一个起始电子，这样，以后过的新电子数不少于原有的那一个起始电子，这样，以后过程显然就可以不需求外界游离要素而本人继续

35、下去了。这程显然就可以不需求外界游离要素而本人继续下去了。这就是自持放电的条件，也就是气隙击穿的条件。就是自持放电的条件，也就是气隙击穿的条件。28第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3下面求解下面求解和和的值以及它们与气体的压强、温度、场强、的值以及它们与气体的压强、温度、场强、电极资料和外表形状等要素的关系。电极资料和外表形状等要素的关系。 我们知道，使电子与气体分子碰撞时产生游离的必我们知道，使电子与气体分子碰撞时产生游离的必要条件是：电子的动能至应等于气体分子的游离能。或者要条件是：电子的动能至应等于气体分子的游离能。或者说，如场强为说，如场强为E，气体分子的游离电位为，气体

36、分子的游离电位为Uy等于用电子等于用电子伏表示的游离能，那么电子必需在场强方向至少迁移间伏表示的游离能，那么电子必需在场强方向至少迁移间隔隔xyUyE而不受碰撞。而不受碰撞。 假设电子在与气体分子相邻两次碰掩之间的平均自在假设电子在与气体分子相邻两次碰掩之间的平均自在行程为行程为e，那么从气体运动实际可知，相邻两次碰撞之，那么从气体运动实际可知，相邻两次碰撞之间电子迁移间隔大于间电子迁移间隔大于xy的几率为：的几率为：eyeyEee/U/x29第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3eyEee/U1 电子沿场强方向迁移电子沿场强方向迁移1cm将与气体分子相碰撞的平均将与气体分子相碰撞的

37、平均次数为次数为1e。于是，从。于是，从的定义可以得到：的定义可以得到： 对于某一定的气体介质，电子的平均自在行程对于某一定的气体介质，电子的平均自在行程e与与该气体的相对密度成反比，即：该气体的相对密度成反比，即：Ae1此处A为比例系数。由以上几个公式可得：由以上几个公式可得：yyABEBAEAAU /exp/Uexp30第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 从上式可以看出，从上式可以看出，值对值对E值非常敏感，即场强值非常敏感，即场强E的的很小变化就会引起很小变化就会引起值的很大变化。值的很大变化。11lnS bU/S BeA1lnln11lnlnSASBSASBUb11 se

38、r并思索均匀电场中击穿时所以可得：并思索均匀电场中击穿时所以可得： 将上式代入自持放电条件将上式代入自持放电条件其中，其中，Ub为均匀电场气隙的击穿电压。为均匀电场气隙的击穿电压。31第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 根据根据的定义，它显然与电极资料的逸出功有关，也的定义，它显然与电极资料的逸出功有关，也与撞击离子的动能和位能有关，但是在上述与撞击离子的动能和位能有关，但是在上述Ub的表达式中，的表达式中，处于二次对数中，从而使得处于二次对数中，从而使得Ub对对的变化不敏感。的变化不敏感。 同时，从上述表达式可以看出，击穿电压同时，从上述表达式可以看出，击穿电压Ub是乘积的是乘

39、积的函数：函数： 这就是说，在均匀电场中，击穿电压这就是说，在均匀电场中，击穿电压Ub与气体密度与气体密度、极间间隔、极间间隔S并不具有单独的函数关系，而是与它们的并不具有单独的函数关系，而是与它们的积有函数关系。只需积有函数关系。只需S的乘积不变，的乘积不变，Ub也就不变。这也就不变。这个规律，早在汤森德实际出现之前个规律，早在汤森德实际出现之前1889年就已由帕年就已由帕邢邢Paschen从大量的实验结果中总结出来了，称为从大量的实验结果中总结出来了，称为帕邢定律。如今，汤森德实际给了这个实验得出的定律帕邢定律。如今，汤森德实际给了这个实验得出的定律以实际上的论证，反过帕邢定律也给汤森德实

40、际以实验以实际上的论证，反过帕邢定律也给汤森德实际以实验结果的支持。结果的支持。SfUb1lnln11lnlnSASBSASBUb32第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 图图 2-3 表示实验求得的空气间隙的表示实验求得的空气间隙的Ub与与(S )关系曲关系曲线。由图可见，曲线存在一最小值，对应于线。由图可见，曲线存在一最小值，对应于S 7510- 5cm，Ub330V。33第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3关于最小值的解释：关于最小值的解释： 假设假设S坚持不变，当气体密度坚持不变，当气体密度增大时，电子增大时，电子的平均自在行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子的平

41、均自在行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了，故积聚到足够动能的几率减小了，故Ub必然增大。必然增大。反之，当反之，当减到过小时，电子在碰撞前积聚到足够减到过小时，电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走动能的几率虽然增大了，但气体很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小，欲完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小，欲使击穿，使击穿，Ub也须增大。在这两者之间，总有一个也须增大。在这两者之间，总有一个值对呵斥撞击游离最有利，此值对呵斥撞击游离最有利，此Ub最小。最小。 同样，可假设同样，可假设坚持不变，坚持不变，S值增大时，欲得值

42、增大时，欲得到一定的场强，电压必需增大。当到一定的场强，电压必需增大。当S值减到过小时，值减到过小时，场强虽大增，但电子在走完全程中所遇到的撞击次场强虽大增，但电子在走完全程中所遇到的撞击次数已减到很小，故要求外加电压增大，才干击穿。数已减到很小，故要求外加电压增大，才干击穿。在这两者之间，也总有一个在这两者之间，也总有一个S的值对呵斥撞击游离的值对呵斥撞击游离最有利，此时最有利，此时Ub最小。最小。34第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3二、 S值较大时气隙的击穿过程 当S值较大时，上述的汤森德放电机理存在明显的缺乏。在大量的实验研讨和对雷电观测的根底上，开展了流注机理学说。 在

43、电场的作用下，电子在奔向阳极的途中，不断地发生撞击游离，构成电子崩，崩内的电子数和正离子数随电子崩开展的间隔按指数规律急剧增长。 由于电子的迁移率比正离子的迁移率大两个数量级，所以电子总是跑在崩头部分，而正离子那么大体上滞留在产生它的地方，仅是较缓慢地向阴极挪动。由于电子的分散作用，电子崩在开展过程中半径逐渐增大，其外形如一个头部为球状的圆锥体。绝大部分电子都集中在崩头部分，其后，直到尾部，那么是正离子区。如图 2-4(a)、(b)所示。35第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 沿电子崩轴线各点的合成电场将是电源电场和空间电沿电子崩轴线各点的合成电场将是电源电场和空间电荷所呵斥的电

44、场的叠加，如图荷所呵斥的电场的叠加，如图 2-4 (c)、(d)所示。由图可见，所示。由图可见，崩尾电场被加强了，崩内正负空间电荷混杂处的电场被大崩尾电场被加强了，崩内正负空间电荷混杂处的电场被大为减弱，而崩头前面的电场那么被加强得最猛烈。为减弱，而崩头前面的电场那么被加强得最猛烈。36第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 当外施电压为气隙的最低击穿电压时的开展过程：电当外施电压为气隙的最低击穿电压时的开展过程：电子崩走完好个间隙时，崩头电子和崩尾正离子总数已到达子崩走完好个间隙时，崩头电子和崩尾正离子总数已到达非常之多，使崩头、崩尾的部分电场大为加强，中部电场非常之多，使崩头、崩

45、尾的部分电场大为加强，中部电场大为减弱。崩头的剧烈游离过程必然会伴随着剧烈的鼓励大为减弱。崩头的剧烈游离过程必然会伴随着剧烈的鼓励和反鼓励过程由于受激形状是极不稳定的，存在时间是和反鼓励过程由于受激形状是极不稳定的，存在时间是极短的，剧烈的反鼓励会放射出大量光子；同时，崩中极短的，剧烈的反鼓励会放射出大量光子；同时，崩中部的弱电场给电子附着在质点上构成负离子进而为正、负部的弱电场给电子附着在质点上构成负离子进而为正、负离子的复合提供了良好的条件，这个区域中剧烈的复合过离子的复合提供了良好的条件，这个区域中剧烈的复合过程也会放射出大量光子。程也会放射出大量光子。 这些光子向四方发射。由于此时崩头

46、已接近阳极，射这些光子向四方发射。由于此时崩头已接近阳极，射到崩头前方的光子直接进入阳极，对放电过程的进一步开到崩头前方的光子直接进入阳极，对放电过程的进一步开展不起什么作用；射到崩尾空间的光子，呵斥空间光游离，展不起什么作用；射到崩尾空间的光子，呵斥空间光游离，游离出的电子在崩尾部分强化了的电场中构成许多衍生电游离出的电子在崩尾部分强化了的电场中构成许多衍生电子崩子崩( 称为二次电子崩称为二次电子崩)。这些衍生电子崩受主崩尾正空间。这些衍生电子崩受主崩尾正空间电荷的吸引，向着主崩尾部方向开展，并集合到主崩尾的电荷的吸引，向着主崩尾部方向开展，并集合到主崩尾的正空间电荷中去，如图正空间电荷中去

47、，如图2-5中中C、D、E、F所示。所示。 3738第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 射到左右两侧的光子也会产生光电子，但因那里不存射到左右两侧的光子也会产生光电子，但因那里不存在部分强场，故光电子不易开展成衍生电子崩；即使构成在部分强场，故光电子不易开展成衍生电子崩；即使构成了与主崩相并列的衍生电子崩，也由于主崩对两侧的屏蔽了与主崩相并列的衍生电子崩，也由于主崩对两侧的屏蔽作用而使其逐渐衰减消亡，不能自持。作用而使其逐渐衰减消亡，不能自持。 衍生电子崩头部的电子集合到主崩尾部正空间电荷区，衍生电子崩头部的电子集合到主崩尾部正空间电荷区，使主崩本体区域成为正、负质点的混合通道但

48、有过剩的使主崩本体区域成为正、负质点的混合通道但有过剩的正离子，因主崩中原有的电子几乎都已进入阳极了，场正离子，因主崩中原有的电子几乎都已进入阳极了，场强较为减弱，就不存在剧烈的游离，这里的电子大多构成强较为减弱，就不存在剧烈的游离，这里的电子大多构成负离子。主崩尾部边缘为衍生电子崩的崩尾正空间电荷区，负离子。主崩尾部边缘为衍生电子崩的崩尾正空间电荷区，这些正空间电荷大大加强了崩尾外围的电场，使在此区域这些正空间电荷大大加强了崩尾外围的电场，使在此区域内不断呵斥新的衍生电子崩，并不断集合到主崩尾部中来。内不断呵斥新的衍生电子崩，并不断集合到主崩尾部中来。 就某一个衍生电子崩开展的方向来看是向着

49、阳极推进就某一个衍生电子崩开展的方向来看是向着阳极推进的，但从整个空隙的放电开展来看，衍生电子崩却是一个的，但从整个空隙的放电开展来看，衍生电子崩却是一个接一个的逐渐向阴极扩展的，如图接一个的逐渐向阴极扩展的，如图25中中G 、 H 、 I 、 J所示，这个过程称为正流注或称阳极流注，也就是说所示，这个过程称为正流注或称阳极流注，也就是说从正极出发的流注。从正极出发的流注。3940第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3 当流注通道开展到接近阴极时，通道端部当流注通道开展到接近阴极时，通道端部与阴极间的场强急剧升高，在这区域内发生极与阴极间的场强急剧升高，在这区域内发生极剧烈的游离，如

50、图剧烈的游离，如图2-5 J所示。游离出的大量电所示。游离出的大量电子沿流注通道流向阳极，并从电场获得动能，子沿流注通道流向阳极，并从电场获得动能，在碰撞中又传送给通道中的气体分子，使通道在碰撞中又传送给通道中的气体分子，使通道温度升高达几千度，在通道内发生热游离，放温度升高达几千度，在通道内发生热游离，放电就由流注仅前端亮堂发光过渡到火花或电就由流注仅前端亮堂发光过渡到火花或电弧的方式视电源功率大小而定，间隙的电弧的方式视电源功率大小而定，间隙的击穿也就完成了。击穿也就完成了。 41阴阴42第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3负流注的构成：负流注的构成： 假设外施电压比气隙的击穿

51、电压高出很多，那假设外施电压比气隙的击穿电压高出很多，那么主崩不需求经过整个间隙间隔，其头部即已积累么主崩不需求经过整个间隙间隔，其头部即已积累到足够多的空间电荷已开展流注了，这时，除开展到足够多的空间电荷已开展流注了，这时，除开展上述正流注以外，还能够出现负流注。上述正流注以外，还能够出现负流注。 前面讲过，主崩头部的空间电荷使前方空间的前面讲过，主崩头部的空间电荷使前方空间的部分电场加强最烈，光子射到此区，游离出光电子，部分电场加强最烈，光子射到此区，游离出光电子，在此部分强场中，极易开展成新的衍生电子崩。在此部分强场中，极易开展成新的衍生电子崩。43第八章第八章 气体放电根本实际气体放电

52、根本实际3 其后，主崩头部的电子和衍生崩尾的正离子构成混合其后，主崩头部的电子和衍生崩尾的正离子构成混合的通道，这些新的衍生崩与主崩集合成迅速向阳极推进的的通道，这些新的衍生崩与主崩集合成迅速向阳极推进的流注，称为负流注由于从负极出发的。流注的来源也流注，称为负流注由于从负极出发的。流注的来源也是光电子，所以负流注的推进速度也远大于电子的挪动速是光电子，所以负流注的推进速度也远大于电子的挪动速度。这样，间隙中的正、负流注就同时分别向两极开展，度。这样，间隙中的正、负流注就同时分别向两极开展，直到贯穿整个间隙，如图直到贯穿整个间隙，如图 28中中O、P、Q 、R、S、T所所示，完成了气隙的火花击

53、穿。示，完成了气隙的火花击穿。 在较高的过电压下，正流注的开展还能够出现分支，在较高的过电压下，正流注的开展还能够出现分支，如图如图2-8中中 X、L、M、N所示。所示。 根据上述流注实际可知根据上述流注实际可知, 均匀电场中火花击穿的条件均匀电场中火花击穿的条件为：初始电子崩头部的电荷必需积累到一定数量，使电场为：初始电子崩头部的电荷必需积累到一定数量，使电场畸变并加强到一定程度，以呵斥足够的空间游离，使之构畸变并加强到一定程度，以呵斥足够的空间游离，使之构成流注。成流注。44第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际3正流正流注注负流负流注注458-4 不均匀电场气隙的击穿 第八章第八

54、章 气体放电根本实际气体放电根本实际446第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际4一、短间隙的击穿 在不均匀电场如尖板电极情况下，电压极性对气隙的击穿电压影响很大，电压极性不同时，气隙击穿的开展过程也是不同的。所以，下面分别对不同的电压极性时气隙的击穿过程进展讨论。1.尖端为正极性的情况 尖极为正时，电子崩是从场强小的区域向场强大的区域开展，这对电子崩的开展非常有利；此外，由于电子立刻进入阳极正尖端，在尖极前方空间留下正离子，这就加强了前方向板极方向的电场，呵斥开展正流注的有利条件。二次崩和初崩集合，使通道充溢混合质，而通道的头部仍离下正空间电荷，加强了通道头部前方的电场，使流注进一步

55、向阴极扩展。由于正流注所呵斥的空间电荷总是加强流注通道头部前方的电场，所以正流注的开展是延续的，速度很快，与负尖极相比，击穿同一间隙所需的电压要小得多。如图2-9所示47第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际448第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际42.尖端为负极性的情况尖端为负极性的情况 当尖极为负时，情况就不同了。初崩直接由尖极向外当尖极为负时，情况就不同了。初崩直接由尖极向外开展，先经过强场区，开展，先经过强场区， 愈后的路程中场强愈弱，这就使电愈后的路程中场强愈弱，这就使电子崩的开展比正尖极时不利得多。初崩留下的正空间电荷子崩的开展比正尖极时不利得多。初崩留下的正空

56、间电荷负电子已向外空间流散虽然加强了负尖极附近的电场，负电子已向外空间流散虽然加强了负尖极附近的电场，却减弱了前方向阳极方向空间的电场，使流注的向前却减弱了前方向阳极方向空间的电场，使流注的向前开展遭到抑制。只需再升高外加电压，并待初崩中向后开展遭到抑制。只需再升高外加电压，并待初崩中向后向阴极开展的正流注完成，初崩通道中充溢着导电的向阴极开展的正流注完成，初崩通道中充溢着导电的混合质，使前方电场加强以后，才能够在前方空间产生新混合质，使前方电场加强以后，才能够在前方空间产生新的二次电子崩，如图的二次电子崩，如图c所示。新电子崩的开展过程与第所示。新电子崩的开展过程与第一个电子崩一样。这样就构

57、成了自阴极向阳极开展的流注，一个电子崩一样。这样就构成了自阴极向阳极开展的流注，称为负流注，其开展过程是阶段式的，其平均速度比正尖称为负流注，其开展过程是阶段式的，其平均速度比正尖极流注小得多，击穿同一间隙所需的电压要高得多。如极流注小得多，击穿同一间隙所需的电压要高得多。如图图 2-10 所示所示49第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际450第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际4击穿过程；击穿过程； 不论是正流注还是负流注，当流注通道开不论是正流注还是负流注，当流注通道开展到对面电极时，整个间隙就被充溢正、负离展到对面电极时，整个间隙就被充溢正、负离子混合质的、具有较大导

58、电性的通道所贯穿。子混合质的、具有较大导电性的通道所贯穿。在电源电压的作用下，通道中的带电质点继续在电源电压的作用下，通道中的带电质点继续从电源电场获得加速，获得能量，开展更剧烈从电源电场获得加速，获得能量，开展更剧烈的游离，使通道中带电质点的浓度急速增长，的游离，使通道中带电质点的浓度急速增长，通道的温度和电导也急剧增长，通道完全失去通道的温度和电导也急剧增长，通道完全失去绝缘性能，气隙的击穿就完成了。绝缘性能，气隙的击穿就完成了。51第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际4二、电晕放电1.电晕放电景象的普通描画 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以致当外加电压及其平均场

59、强还较低的时候，电极曲率半径较小处附近空间的部分场强已很大。 在这部分强场区中，产生剧烈的游离，但由于离电极稍远处场强已大为减小，所以，此游离区不能够扩展到很大，只能局限在此电极附近的强场范围内。伴随着游离而存在的复合和反鼓励，发出大量的光辐射，使在黑暗中可以看到，在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这就是电晕。这个晕光层就叫电晕层或起晕层。在层外，电场已弱，不发生撞击游离，这个范围叫做电晕放电的外围区域。52第八章第八章 气体放电根本实际气体放电根本实际4电晕放电的特点：电晕放电的特点： 电晕放电的电流强度不取决于电源电路中电晕放电的电流强度不取决于电源电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导

60、，即取决的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导，即取决于外加电压、电极外形、极间间隔、气体的性质和于外加电压、电极外形、极间间隔、气体的性质和密度等。密度等。 只需当极间间隔对起晕电极外表最小曲率只需当极间间隔对起晕电极外表最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕放电才能够发生；半径的比值大于一定值时，电晕放电才能够发生；假设比值小于此值，那么气隙将直接发生火花击穿，假设比值小于此值，那么气隙将直接发生火花击穿，击穿前不会出现稳定的电晕。击穿前不会出现稳定的电晕。 2.电晕放电的物理过程和效应电晕放电的物理过程和效应 电晕放电有明显的极性效应，我们以尖电晕放电有明显的极性效应，我们以尖板板电极为例，