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1、第2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,2.2 气体放电机理,2.3 电晕放电,2.4 不均匀电场气隙的击穿,2.5 雷电放电,2.6 气隙的沿面放电,2.1 气体中带电质点的产生和消失,1、气体中带电质点的产生：,纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 基本概念：,玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，电子能量越大。,激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，这个过程叫激励。,激励能：激励所需能量叫激励能 ，其值等于两轨道能级之差。,电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨道成为自由电子。原来的中性
2、原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。,电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 。,反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色光（有能量的光子）的过程称为反激励。,电离电位和激励电位：一般用电离电位 和激励电位 来表示电离能和激励能。, 撞击电离： 概念：通过撞击，给予气体质点以足够的能量，使气体质点发生的电离。,能量要求： 中性质点：第一电离能。 已被激励的质点：小于第一电离能。 负离子：大于第一电离能。,撞击能量： 动能 势能,平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。其与密度呈反比。,撞击过程不是简单的机械过程： 速度动能 电离概率 速度撞击作用时间 电离概
3、率,不存在电场时，温度足够高，才能发生撞击电离。 存在电场时，电子是撞击电离的主要因素。, 光电离： 概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生的电离。 条件：光子能量不小于气体的电离能。 光电子：由光电离产生的自由电子。 光的来源：,气体本身的反激励或复合释放出的光子。 紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光电离（先激励、再电离）的方式也可实现电离。,外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）, 热电离： 概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。 气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能的度量。,特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞击电离
4、和光电离，只是其电离能量来源于气体分子本身的热能。,电离机理： 温度分子平均动能 撞击电离 温度热辐射出的光子数量 光电离, 表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式： 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 光电子发射：用短波光照射金属表面。 热电子发射：加热金属电极。 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。, 负离子： 形成：电子与中性气体分子（原子）碰撞，不但没电离出新电子，电子反而被分子吸附形成了负离子。,亲和能：一个中性分子（原子）与一个电子结合生成一价负离子所放出的能量。,作用：由于离子的电离能力比电子小很多
5、，所以负离子的形成，对气体放电的发展起阻抑作用。, 带电质点的产生： 电离形式：撞击电离、光电离、热电离、表面电离。 带电质点产生形式：四种电离形式、负离子。,2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、复合。 中和： 带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运动。带电质点受电场力作用而流入电极，中和电量。 由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。, 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电子扩散速度比离子快
6、。 复合： 带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称为复合。 复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负离子再复合。,1、概述： 电子崩： 当外加电场强度足够大时，带电粒子两次碰撞间积聚的动能足够发生碰撞电离。电离出来的电子和离子在 场强作用下又加入新的撞击电离，电离过程像雪崩一样增长起来，称为电子崩。,2.2 气体放电机理, 非自持放电： 当场强较小时，电子崩有赖于外界因素，外界因素消失，电子崩也消失。 自持放电： 当外加场强足够大时，电子崩不依赖外界因素，外界因素消失后，电子崩仍能够保持。,自持放电与非自持放电的区别在于外加电场强度的大
7、小，二者场强的分界点称为临界场强 。相应的电压称为临界电压 。它称为自持放电的条件。, 临界场强 ：, 放电形式： 均匀电场： 不均匀电场：,一处自持放电，整个气隙击穿。击穿电压等于临界电压。,场强较小时，局部强场处产生电晕放电。,提高场强,气隙间隙小：产生火花击穿。 气隙间隙大：产生刷形放电。,继续提高场强，放电抵达对面电极，产生电弧击穿。,2、汤森德气体放电理论： 三个因素（系数）：,系数 ：1 个自由电子在走到阳极的1cm路程中撞击电离产生的平均自由电子。,系数 ：1 个正离子在走到阴极的1cm路程中撞击电离产生的平均自由电子。,系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电子数。,
8、该理论对均匀电场和气隙 （ 为气隙密度、 为极间距离）较小的情况比较适用。, 三个过程：,路程上撞击电离出 个正离子。,可以忽略不计。,个正离子撞击阴极，,电离出 个电子。,自持放电的条件：, 帕邢曲线：, ,平均自由程, ,碰撞次数, ,欲保证 E 的大小, ,碰撞次数, 汤森德气体放电理论的不足： 理论无法解释的试验现象： 放电路径为曲折细通道，形式为间歇、分段发展的； 击穿电压与阴极材料几乎无关； 放电时间比理论计算时间短。 原因： 电子崩造成的大量空间电荷导致电场畸变； 电离加剧导致光子数量剧增，空间光电离加剧；,过大，带电质点不易扩散，屏蔽限制了放电通道；,过大，射到阴极光子减少，削
9、弱了 作用；,汤氏理论的条件：均匀电场、 不大（ ）,3、流注放电理论（较均匀电场）： 空间电荷浓度： 自由电子移动速度快，一起向阳极移动，浓度大； 正离子移动速度慢，缓慢向阴极移动，浓度小。, 合成电场畸变： 崩头前面的电场则被强烈加强； 崩尾电场也被加强了； 崩内正负空间电荷混杂处的电场被大大减弱。, 流注的形成： 电子崩头部接近阳极； 崩头和崩尾处电场增强，激励和反激励放射出大量光子；崩中复合也放射出光子； 一些光子射到崩尾，造成空间光电离，形成衍生（二次）电子崩； 衍生电子崩头部移动速度快，与主崩汇合； 新的衍生电子崩在崩尾出现，一个一个向阴极发展，形成正流注。, 气隙的击穿： 流注通
10、道发展到阴极； 该区域发生强烈电离，带电离子的碰撞和移动大大提升了通道的温度，导致热电离； 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。 负流注的发展速度比正流注慢。 概念：,由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。, 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。 流注理论条件：,形成流注需要电子崩头处电荷达到一定数量，才能形成必要的局部强场和足够的光电离。一般认为当满足 时，可以应用流注机理来分析气隙的放电。,2.3 电晕放电,1、概述： 电晕：在极不均匀的电场中，当外加电压及平均场强还较低时，电极曲率
11、半径较小处，附近空间的局部场强已很大。在这局部强场处，产生强烈的电离，伴随着电离而存在复合和反激励，辐射出大量光子，使在黑暗中可以看到在该电极附近空间有蓝色的晕光，称为电晕。 电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。 外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。,电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值。,电晕特性： 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； 电晕放电有明显的极性效应。,电晕放电的形式： 外压低：电晕放电弱，均匀稳定，电子崩性质放电。,外压高：电晕放电强，不均匀不稳定，为流注性质 的放电。,2、电晕放电的
12、物理过程和效应： 物理过程（尖板试验）： 负电晕（尖极为负极性）：,区外速度减慢形成负离子,电晕区场强减弱、电离停止,负离子向外扩散,电场重新加强、电离再次发生,尖极强场电离,负电晕呈现有规律的重复脉冲。,正电晕（尖极为正极性）： 正离子移动速度慢脉冲不规律 电晕的效应： 有声、光、热等效应，表现为发出“咝咝”的声音，蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等。 产生人可听到的噪声，对人生理、心理产生影响。 形成“电风”导致电力设备的振动和摆动。 产生高频脉冲电流，对无线电干扰。 产生能量损耗。 产生某些化学反应，加速绝缘老化。,2.4 不均匀电场气隙的击穿,1、短间隙的击穿（火花击穿）：,正流注，发
13、展连续，需要的击穿电压小。,负流注，阶段式发展，需要的击穿电压大。,击穿：当整个间隙充满正负离子时，在电源电压的作用下，通道的温度和电导剧增，并完全失去绝缘性能，此时气隙击穿。,2、长间隙的击穿（电弧击穿）： 先导过程： 长短间隙击穿的区别： 长间隙：炽热的导电通道在放电过程中建立，需要的平均场强小。 短间隙：炽热的导电通道在放电过程后建立，需要的平均场强大。,电子崩,流注,大密度电流,热电离,棒极强场,炽热的等离子通道（先导通道）,近似的棒极前伸, 迎面先导： 特点：负先导必有迎面先导；正先导对面有突出，才有迎面先导。 原因：正先导更容易产生；负先导头部的场强更高。 主放电过程：,先导头部接
14、近对面电极时，发生剧烈电离； 与下电极异号电荷流入下电极进行中和，与下电极同号电荷流入先导通道进行中和； 此过程沿先导通道扩展至棒极，称为主放电过程。,作用：将先导通道改造成高温、大电导、轴向场强小的等离子体火花通道，使气隙被电弧击穿而导通。,3、长间隙的预放电（刷形放电）： 当气隙距离较长时，即使所加电压尚不足以将整个气隙击穿，也会从曲率半径较小的电极出发，向气隙深处突发具有先导性质的火花放电。当电压进一步升高时，火花通道伸展得更长，光色变白，更明亮，并发出尖锐得爆破声，形成刷形放电。此类放电不能将整个气隙击穿，称为预放电。,2.5 雷电放电,1、概述： 形式： 雷云对大地；雷云内部；雷云对
15、雷云。 极性： 过程： 破坏因素： 最大电流；电流增长最大陡度；余光电流热效应。 防护措施：,90以上为负极性雷。,先导放电、主放电、余光放电。,避雷针。,2、雷电的先导放电过程： 概念： 组成： 先导通道、先导头部、流注区。 特点： 先导通道高温高电导部分的直径为毫米级； 先导通道外围电离区（电离套）直径大； 一般有迎面先导。,高电导、高温、高电位的先导通道形成的过程。,3、雷电的主放电过程： 概念： 雷电的主放电过程具有巨大的雷响、突发的明亮、大幅的冲击电流，起到了雷电的最大破坏作用。 过程： 剧烈电离； 剧烈中和； 主放电通道向上延伸；,径向放电：电晕套负电荷产生反向场强及反向电晕流注放电。,4、雷电的余光放电： 主放电完成后，云中的剩余电荷沿原来的主放电通道继续流入大地，在照片上看到的是一片模糊发光的部分，成为余光放电。,5、雷电的后续分量： 形成： 雷云与临近雷云间在放电后电位差急剧增大，二者间放电，并由原通道对地发展。 特点： 连续前进，幅值小、陡度大。,2.6 气隙的沿面放电,气隙沿面放电：沿气体与固体（或液体）介质的分界面发展的放电现象。,闪络：沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击穿的现象。,
