气体放电的物理过程-均匀电场中气体击穿

气体放电的物理过程和气体放电理论气体放电过程：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程。问题的提出：1、气隙中带电粒子是如何形成的？2、气隙中的导电通道是如何形成的？3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？一、名词解释：1、电子平均自由行程

2、激励3、电离（碰撞电离、光电离、热电离、阴极的表面电离）4、复合5、电子崩二、自持与非自持放电三、自持放电条件一、名词解释：电子平均自由行程

一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。与气体分子的大小和密度有关。2、激励原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，这个过程称为激励。该原子称为激励状态的原子。高于正常状态的能级均称为激励能级。激励状态存在的时间很短(大致为10-8s)，电子将自动返回常态轨道上，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能(光子)的形式放出。如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子。3、电离原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。电离形式：1）、碰撞电离碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的，在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离：

me——电子的质量，

ve——电子的速度；

Wi——气体分子的电离能。碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关

2）光电离当气体分子受到光辐射时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子：

h—

普朗克常数h＝6.62x10-27焦耳/秒。

—

频率（光是频率不同的电磁辐射，也具有粒子性，称为光子）

导致气体光电离的光子可以由自然界（如空中的紫外线、宇宙射线等）或人为照射（如紫外线、x射线等）提供，也可以由气体放电过程本身产生。3）热电离一切因气体热状态引起的电离过程称为热电离。包括：随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离，高温下高能热辐射光子引起的光电离。

4）金属(阴极)的表面电离：

a、正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子。

b、光电效应金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子。

c、强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。

d、热电子放射当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属。4、复合正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程称为复合过程。在带电质点的复合过程会以光子的形式释放能量，产生光辐射。这种光辐射在一定条件下有可能成为导致电离的因素（如流柱理论中二次电子崩的起因）。5、电子崩

由于光电效应从阴极产生的第一个起始电子，从电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子，这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子，这样一代一代不断增加的过程，会使带电质点迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样。二、自持与非自持放电：1、外施电压小于U0时，间隙内电流数值很小，间隙还未被击穿，这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流将消失。这类放电称为非自持放电。2、当电压达到U0后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增，其中的电离只靠电场的作用自行维持，不再需要外电离因素。这种放电形式称为自持放电。3、U0称起始电压。在均匀电场中为击穿电压，在极不均匀电场中为电晕起始电压三、自持放电条件：电子电离系数：一个电子沿着电场方向行经1厘米长度，平均发生的碰撞电离次数（由电离产生的自由电子数）。表面电离系数：每个正离子碰幢阴极表面平均释放出的自由电子数。设：一个电子从阴极行走x距离产生的自由电子数为nn个电子前进dx产生的新电子数为：所以：一个电子从阴极到阳极产生的电子数为：一个电子从阴极到阳极产生的正离子数为：自持放电条件：15当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去16四气体放电的主要形式

根据气体压强、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化

辉光放电电弧放电火花放电电晕放电刷状放电

17辉光放电当气体压强不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体不同，发光颜色也不同18电弧放电减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征

19火花放电在较高气压（例如大气压强）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花

火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定

20电晕放电电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般仪表即可察觉的电流。随着电压升高，发光层扩大，放电电流也逐渐增大发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用

21刷状放电电场极不均匀情况下，如电压继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电

电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿如电场稍不均匀，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿

均匀电场中气体击穿的发展过程气体击穿的两个基本理论：一、汤逊理论（巴申定律）二、流注理论一、巴申定律（汤逊理论）：汤逊理论中气隙的击穿过程是：

电子崩——气隙击穿

仅适用于短间隙低气压的辉光放电汤逊理论的不足：理论与实际不符处：1、击穿电压2、放电形式3、阴极材料4、放电时间未考虑的因素：1、空间电荷对电场的畸变2、光子的影响

流注：由正负离子构成的具有良好导电性的冷等离子体放电的主要因素：电子的碰撞电离及空间光电离（光子、短波光射线引起的空间电离），强调了空间电荷畸变电场的作用，流注是由二次电子崩汇入主崩形成的。放电过程：主电子崩——二次电子崩——流注——气隙击穿二、流注理论：Eex:外加电场E’:正空间电荷与负极板产生的电场E’’：正空间电荷与负空间电荷产生的电场E’’’：负空间电荷与正