气体的自持放电

1、气体的自持放电 self-sustaining process of gas2005级.三班王亚楠(0510355) 自持放电的概述 summarizationn气体导电的现象。又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。在气体电离的同时，还有正负离子相遇复合为中性分子以及正负离子被外电场驱赶到达电极与电极上异号电荷中和的过程。这3个过程中，电离、复合二者与外电场无关，后者则与外电场有关。随着外电场的增强，离子定向速度加大，复合逐渐减

2、少以致不起作用，因电离产生的全部离子都被驱赶到电极上，于是电流达到饱和。饱和电流的大小取决于电离剂的强度。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。n 当电压增加到某一数值后，气体中电流急剧增加，即使撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激导电过渡到自持导电的过程，通常称为气体被击穿或点燃，相应的电压叫做击穿电压。撤去电离剂后，仍有许多带电粒子参与导电。首先，正负离子特别是电子在电场中已获得相当动能，它们与中性分子碰撞使之电离，这种过程连锁式地发展下去，形成簇射，产生大量带电粒子。其次，获得较大动能的正

3、离子轰击阴极产生二次电子发射。此外，当气体中电流密度很大时，阴极会因温度升高产生热电子发射。n 气体自持放电的特征与气体的种类、压强、电极的材料、形状、温度、间距等诸多因素有关，而且往往有发声、发光等现象伴随发生。自持放电因条件不同，而采取不同的形式。见辉光放电，弧光放电，火花放电，电晕放电。 辉光放电 glow dischargen低压气体中显示辉光的气体放电现象。在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流

4、强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。 辉光放电时，在放电管两极电场的作用下，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区。因正离子的漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内。这是辉光放电的显著特征，而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化。 在阴极附近，二次电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够的能使气体分子电离或激发的动能，所以紧接阴极的区域不发光。而在阴极辉区，电子已获得足够的能量碰撞气体分子，使之电离或激发发光。其余暗区和辉区的形成也主

5、要取决于电子到达该区的动能以及气体的压强（电子与气体分子的非弹性碰撞会失去动能）。 辉光放电de应用 glow dischargen辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯） 以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。n辉 光 球 操作：用手指轻触玻璃球的表面，球内产生彩色的辉光。 原理：玻璃球内充有某种单一气体或混合气体，球内电极接高频高压电源，手指轻轻触摸玻璃球表面，人体即为另一电极，气体在极间电场中电离、复合，而发生辉光。玻璃球内所充的气体不同，球内压强不同（即不同的真空度），所产生的辉光的颜色也不同。而“辉光球”是低压气体（或叫稀疏气体）在高频强电场中的辉光放电现象。 图1

6、 辉光放电_辉光球 弧光放电 arc dischargen呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。 还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。阴极表面蒸发

7、出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。 弧光放电de应用 arc dischargen弧光放电应用广泛。可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割，在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等。但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。n荧 光 灯 原理：灯丝导电加热，阴极发射出电子，与（灯管内充装的）惰性气体碰撞而电离，汞液化为汞蒸气，在电子撞击和两端电场作用下，汞离子大量电离，正负离子运动形成气体放电，即弧光放电，同时释放出能量并产生紫外线，

8、玻璃管内壁上的荧光粉吸收紫外线的能量后，被激发而放出可见光。故荧光灯全称为：低压汞（水银）蒸气荧光放电灯（属于气体放电灯的一种） 图2 弧光放电_荧光灯构造图图3 弧光放电_荧光灯工作电路 火花放电 spark dischargen高电压电极间的气体被击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电现象。在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放

9、电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花放电。火花放电可用于金属加工，钻细孔。火花间隙可用来保护电器设备，使之在受雷击时不会被破坏。n火花放电在生活中常会遇到.干燥的冬天,身穿毛衣和化纤衣服,长时间走路之后,由于摩擦，身体上会积累静电荷.这时如果手指靠近金属物品,你会感到手上有针刺般的疼痛感。这就是火花放电引起的.如果事先拿一把钥匙,让钥匙的尖端靠近其他金属体,就会避免疼痛.在光线较暗的地方试一试，在钥匙尖端靠近金属体的时候,不但会听到响声,还会看到火花. 图4 火花放电_闪电图5 火花放电_闪电 电晕放电 corona dischargen气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。最常见的一种

10、气体放电形式。在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。图6 电晕放电_极光 电晕放电 corona dischargen电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别 ，这主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。在直流电压作用下，负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中，当电子引起碰撞电离后，电子被驱往远离尖端电极的空间，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集

11、起正离子。电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。此后又重复开始下一个电离及带电粒子运动过程。如此循环，以致出现许多脉冲形式的电晕电流。电晕电流这一现象是G.W.特里切尔于1938年发现的，称为特里切尔脉冲。若电压继续升高，电晕电流的脉冲频率增加、幅值增大，转变为负辉光放电。图7 电晕放电_极光电压再升高，出现负流注放电，因其形状又称羽状放电或称刷状放电。当负流注放电得以继续发展到对面电极时，即导致火花放电，使整个间隙击穿。正极性电晕在尖端电极附近也分布着正离子，但不断被推斥向间隙空间，而电子则被吸进电极，同样形成重复脉冲式电晕电流。电压继续升高时，出

12、现流注放电，并可导致间隙击穿。 电晕放电de应用 corona dischargen利用电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、空气净化等。地面上的树木等尖端物体在大地电场作用下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋表面溅射水滴上出现的电晕放电可促进海洋中有机物的生成，还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸的有效放电形式之一。针对不同应用目的研究，电晕放电是具有重要意义的技术课题。图8 电晕放电_极光 自持放电de应用前景 applicationn低温等离子体 辉光放电产生低温等离子体：辉光放电是化学等离子体实验的重要工具，但因其受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且应用成本高昂，而无法广泛

13、应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。电晕放电产生低温等离子体：辉光放电只能在低气压下工作，而电晕放电可以在大气压下工作，但需要足够高的电压以增加电晕部位的电场。一般在高压和强电场的工作条件下，不容易获得稳定的电晕放电，亦容易产生局部的电弧放电(arc)。为提高稳定性可将反应器做成非对称(asymmetric)的电极形式。电晕放电反应器的设计主要参考电源的性质而有所不同，有直流电晕放电(DC corona)和脉冲式(pulsed corona)电晕放电。由于电晕放电的范围小、能量低、放电的能量不均匀，通常应用范围仅局限于实验室。滑动电弧放电产生低温等离子体：滑动电弧放电等离子体通常应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解。电源在两电极上施加高压引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿。一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以产生强力电弧的大电流，电弧在电