8 气体放电的基本理论.ppt

1第八章 气体放电的基本理论2第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论 本章主要介绍气体放电理论，重点内容是本章主要介绍气体放电理论，重点内容是气体放电过程及其形成机理。介绍气隙的击穿气体放电过程及其形成机理。介绍气隙的击穿特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电形特性以及常见电晕放电、沿面放电两种放电形式。式。8-2 气体放电过程的一般描述气体放电过程的一般描述8-1 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失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的沿面放电38-1 气体中带电质点产生和消失气体中带电质点产生和消失第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11一、气体中带电质点的产生 气体的特点气体的特点：气体的分子间距很大，极化率：气体的分子间距很大，极化率很小，因此，介电常数都接近于很小，因此，介电常数都接近于1。纯净的、中纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，才可能电质点（电子、正离子、负离子）以后，才可能导电，并在电场作用下发展成为各种形式的气体导电，并在电场作用下发展成为各种形式的气体放电现象。放电现象。气体导电的原因：气体导电的原因：气体中出现了气体中出现了带电质点带电质点（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从而形成气体电介质的电导层。而形成气体电介质的电导层。4第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11 气体带电质点的来源气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子有两个，一是气体分子本身发生游离（包括撞击游离、光游离、热游离等多种本身发生游离（包括撞击游离、光游离、热游离等多种形式）；二是放在气体中的金属发生表面游离。形式）；二是放在气体中的金属发生表面游离。1、撞击游离、撞击游离 欲使气体质点游离，必须给予该气体质点足够的能欲使气体质点游离，必须给予该气体质点足够的能量，这个能量由撞击质点传给。这些撞击质点有电子、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、原子等，其所具有的能量正离子、负离子、中性分子、原子等，其所具有的能量有两种方式：有两种方式：动能，动能，mv2/2，m是质点质量，是质点质量，v是质点速度。是质点速度。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用具有在外加电场作用下，带电质点在电场力的作用具有一定的能量。一定的能量。形成撞击游离的条件形成撞击游离的条件：撞击质点所具有的总能量至少大于被撞击质点在该种撞击质点所具有的总能量至少大于被撞击质点在该种状态下所需的游离能；状态下所需的游离能；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两次碰在有电场存在的情况下，电子与别的质点相邻两次碰撞之间的平均自由行程比离子大的多，积聚足够的能量后撞之间的平均自由行程比离子大的多，积聚足够的能量后再与其他质点碰撞的几率也比离子大的多，因而在电场中，再与其他质点碰撞的几率也比离子大的多，因而在电场中，造成撞击游离的主要因素是电子。造成撞击游离的主要因素是电子。第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论6第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论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，当它射到中性原于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(或分子或分子)上时所产生的游离称为光游离，光子的能量与其频率成正比，上时所产生的游离称为光游离，光子的能量与其频率成正比，即即 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。当气体受到光辐射作用时，产生光游离的当气体受到光辐射作用时，产生光游离的必要条件必要条件是光子的能量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。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。紫外线、紫外线、X射线，射线，、和和等短波射线都可以引起光游离。在气体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断复合为中性质点而放出的光子，激发状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，激发状态的原子还原时放出的光子也有产生光游离的作用，并且是重要的光态的原子还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因素。游离因素。光游离产生的自由电子称为光游离产生的自由电子称为光电子光电子。宇宙射线中的光子可造成气。宇宙射线中的光子可造成气体游离，并且使游离出来的电子具有体游离，并且使游离出来的电子具有很大的动能很大的动能，可以，可以再造成撞击游再造成撞击游离离。7第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论113.热游离热游离 自由气体的热状态造成的游离自由气体的热状态造成的游离称为称为热游离热游离。热游离实。热游离实质上并不是另外一种独立的形式，实质上仍是撞击游离与质上并不是另外一种独立的形式，实质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。光游离，只是其能量来源于气体分子本身的热能。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，虽然由于气体分子热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，某些分子的动能远超过此平均值，但运动的统计性质，某些分子的动能远超过此平均值，但其几率是极其微小的，温度升到很高时，气体分子的平均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增加很多，在互相碰撞时，就可能产生动能增加很多，在互相碰撞时，就可能产生撞击游离撞击游离。8第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11 在一定热状态下的物质都能发出热辐射，气体也不例在一定热状态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可能产生这种光子与气体分子相遇时就可能产生光游离光游离。由上述热状态的撞击游离和光游离所游离出来的带电由上述热状态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，还可能产生撞击游离。还可能产生撞击游离。由此可见，由此可见，热游离实质上是热状态产生的撞击游离和热游离实质上是热状态产生的撞击游离和光游离的综合。光游离的综合。9第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11 4.表面游离表面游离 气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。从气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。从金属电极表面逸出电子，需要一定的能量，通常称为金属电极表面逸出电子，需要一定的能量，通常称为逸出逸出功功。金属的逸出功一般要比气体的游离能小得多，所以，。金属的逸出功一般要比气体的游离能小得多，所以，表面游离在气体放电过程中有重要作用。表面游离在气体放电过程中有重要作用。金属电极表面游离所需的能量（逸出功）可以通过下金属电极表面游离所需的能量（逸出功）可以通过下述途径获得：述途径获得：热电子发射热电子发射：即把金属电极加热，使金属中电子的：即把金属电极加热，使金属中电子的动能增加到超过逸出功时，电子即能克服金属表面的位能动能增加到超过逸出功时，电子即能克服金属表面的位能壁垒而逸出，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。二次发射二次发射：用某些具有足够能量的质点（例如正离：用某些具有足够能量的质点（例如正离子）撞击金属电极表面，也可能产生表面游离（称为二次子）撞击金属电极表面，也可能产生表面游离（称为二次发射）。发射）。10第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11 强场发射强场发射：在电极附近加上很强的外电场，也能从金属电极中拉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。这种发射所需的外电场出电子，称为强场发射或冷发射。这种发射所需的外电场极高，其数量级在极高，其数量级在106V/cm 左右。一般气隙的击穿场强远左右。一般气隙的击穿场强远低于此数值，所以，在一般气隙的击穿过程中还不会出现低于此数值，所以，在一般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的气隙击穿具有重要意义。下的气隙击穿具有重要意义。光电子发射光电子发射：用短波光照射金属表面也能产生表面游离（称为光电用短波光照射金属表面也能产生表面游离（称为光电子发射）。当然，此时光子的能量必须大于逸出功，但满子发射）。当然，此时光子的能量必须大于逸出功，但满足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，因为一部分足这个条件的光子并不都能产生光电子发射，因为一部分光子会被金属表面反射，金属所吸收的光能中，大部分也光子会被金属表面反射，金属所吸收的光能中，大部分也是转化为金属的热能，只有小部分用以使电子逸出。是转化为金属的热能，只有小部分用以使电子逸出。11第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论115.负离子的形成负离子的形成 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：一个中性分一个中性分子或原子与一个电子结合生成一价负离子子或原子与一个电子结合生成一价负离子所释放所释放出的能量。出的能量。E的值越大，就越容易与电子相结合的值越大，就越容易与电子相结合而成为负离子。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，因此很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。容易俘获一个电子而成为负离子。如前面所述，离子的游离能力比电子小得多，如前面所述，离子的游离能力比电子小得多，因此俘获电子而成为离子这一现象能对气体放电因此俘获电子而成为离子这一现象能对气体放电的发展起抑制作用，有助于气体耐电强度的提高。的发展起抑制作用，有助于气体耐电强度的提高。12第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11二、气体中带电质点的消失 气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；带电质点的复合。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受到加速，在向电场方向带电质点在电场力的作用下受到加速，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，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。其平均速度但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。其平均速度开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强度下，其平均速度将达到某个稳定值。这一平均速度称为度下，其平均速度将达到某个稳定值。这一平均速度称为带电质点的带电质点的驱引速度驱引速度。13第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论112.带电质点的扩散带电质点的扩散 带电质点的扩散就是指这些质点会从浓度较大的区带电质点的扩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，从而使带电质点在空间各处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。的浓度趋于均匀的过程。带电质点的扩散是由带电质点的扩散是由杂乱的热运动杂乱的热运动造成的，而不是造成的，而不是由于同号电荷的电场斥力造成的，因为即使在很大的浓由于同号电荷的电场斥力造成的，因为即使在很大的浓度下，离子之间的距离仍大到静电力起不到什么作用的度下，离子之间的距离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直径小很多，在运动中受到程度。电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散快得多。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，发生电荷的传递、中和而带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原为中性质点的过程称为复合。复合时，质点原先在还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吸取的游离能通常将以光子的形式如数放出。游离时所吸取的游离能通常将以光子的形式如数放出。对负离子来说，复合的过程就是从负离子上游离出原先对负离子来说，复合的过程就是从负离子上游离出原先吸附的一个电子。吸附的一个电子。14第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论11复合过程的影响因素复合过程的影响因素：与游离过程相似，复合的过程也是带电质点在接近时与游离过程相似，复合的过程也是带电质点在接近时通过电磁力的相互作用而完成的，需要一定的相互作用时通过电磁力的相互作用而完成的，需要一定的相互作用时间和条件。间和条件。在复合过程中，异号质点间的静电力起着重要在复合过程中，异号质点间的静电力起着重要作用，这一点与扩散过程不同作用，这一点与扩散过程不同。参加复合的质点的相对速度愈大，复合的几率就愈参加复合的质点的相对速度愈大，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，所以电子与小，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合的几率小得多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）。参加复合的电子中绝大多数是先形成负离（小几千倍）。参加复合的电子中绝大多数是先形成负离子再与正离子复合的。子再与正离子复合的。异号质点的浓度愈大，复合就愈强烈。因此，强烈异号质点的浓度愈大，复合就愈强烈。因此，强烈的游离区通常也总是强烈的复合区，这个区的光亮度也就的游离区通常也总是强烈的复合区，这个区的光亮度也就较高。较高。158-2 气体放电过程的一般描述气体放电过程的一般描述 第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论2216第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论22 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增加，场强高达某一定值，使两次碰撞间所积累的动能也增加，场强高达某一定值，使这种能量的积累达到撞击游离所需值时，气体中即可发生这种能量的积累达到撞击游离所需值时，气体中即可发生撞击游离撞击游离。游离出来的电子又参加到撞击游离的过程中去。游离出来的电子又参加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，称为于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩电子崩。此时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，这种电子崩还必须有赖于外界游离因素所造时，这种电子崩还必须有赖于外界游离因素所造成的原始游离才能持续存在；成的原始游离才能持续存在；如外界游离因素消失，则这如外界游离因素消失，则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下去。种电子崩也随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下去。这种放电这种放电称为称为非自持放电非自持放电。当场强达到或超过当场强达到或超过Ecr值时，这种值时，这种电子崩已可仅由电场电子崩已可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再依赖于外界游离因素了，的作用而自行维持和发展，不必再依赖于外界游离因素了，这种性质的放电这种性质的放电称为称为自持放电自持放电。由非自持放电转入自持放电的场强称为由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强临界场强Ecr，相应的电压称为相应的电压称为临界电压临界电压Ucr。17第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论22 游离放电的进一步发展和转变到气隙击穿的过程将随电游离放电的进一步发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。场情况而不同，可分为均匀电场和不均匀电场两大类。在在大体均匀的电场大体均匀的电场中，任意某处形成自持放电时，自持中，任意某处形成自持放电时，自持放电会很快地发展到整个间隙，气隙即被击穿，气隙的击穿放电会很快地发展到整个间隙，气隙即被击穿，气隙的击穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。在很在很不均匀的电场中不均匀的电场中，例如在尖端电极的情况，在电压，例如在尖端电极的情况，在电压还较低的时候，尖端处的场强就已可能超过临界值而出现自还较低的时候，尖端处的场强就已可能超过临界值而出现自持放电，就是持放电，就是电晕放电电晕放电。由于离尖端稍远处场强已大为减小，。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，如电极间距不大，则可能从电晕放电当电压再提高时，如电极间距不大，则可能从电晕放电直接转变成整个间隙的直接转变成整个间隙的火花击穿火花击穿。如电极间距离大时，则从。如电极间距离大时，则从电晕转到电晕转到刷形放电刷形放电阶段，这种刷形放电在空间不断变更位置。阶段，这种刷形放电在空间不断变更位置。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，就转变为火花击穿火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿迅速即转变成。当电源功率足够大时，火花击穿迅速即转变成电电弧弧。18电晕放电电晕放电：气体介质在不均匀电场中气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。最常见的局部自持放电。最常见的一种气体放电形式。在的一种气体放电形式。在曲率半径很大的尖端电极曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励气体发生电离和激励，因，因而出现电晕放电。发生电而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到晕时在电极周围可以看到淡蓝色的光晕淡蓝色的光晕，并伴有，并伴有咝咝咝声咝声。电晕放电可以是相对稳定电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。的早期发展阶段。火花放电火花放电：高电压电极间的气体被击穿，高电压电极间的气体被击穿，出现出现闪光和爆裂声闪光和爆裂声的气体放的气体放电现象。电现象。在通常气压下，当在曲率不在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，若电源供给的功率不太大，就会出现火花放电，火花放就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘体变为体击穿后突然由绝缘体变为良导体，电流猛增，而电源良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放电具再次放电。所以火花放电具有间隙性。有间隙性。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，形成电流火花放电是电极间的气体被击穿，形成电流在气体中的通道，即明显的电火花。在气体中的通道，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移动而进行的放电，荷在高电压的作用下发生移动而进行的放电，放电的现象是：在黑暗中可以看到电极的尖放电的现象是：在黑暗中可以看到电极的尖端有蓝色的光晕。端有蓝色的光晕。火花放电的电流都很大，而电晕放电的电流火花放电的电流都很大，而电晕放电的电流比较小。比较小。20电弧放电电弧放电：当电源提供较大功率的电能时，若极间：当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安）可持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强并发出强烈的光辉烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是电弧产生高温（几千至上万度），这就是电弧放电放电。电弧放电最显著的外观特征是。电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱明亮的弧光柱和和电极斑点。电极斑点。电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制场合主要是利用电弧的高温、高能量密度、易控制等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。等特点。在这些应用中，都需使电弧稳定放电。21228-3 均匀电场气隙的击穿均匀电场气隙的击穿 第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 气隙击穿的过程，就是各种形式的游离持续发展的过气隙击穿的过程，就是各种形式的游离持续发展的过程程。在不同情况下，各种游离所起作用的强弱不同，气隙。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因素对气隙击穿影响最大的因素S，其中，其中为气体的相对为气体的相对密度，密度，S为极间距离。为极间距离。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造成的表面游离起主要作用，气隙的击穿电压大体阴极所造成的表面游离起主要作用，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，一般认为，对空气来说，一般认为，在在S0.26cm 范范围内，流注机理比较符合实际围内，流注机理比较符合实际。24第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33一、S值较小时气隙的击穿过程 S 较小时造成气隙击穿的主要因素是电子较小时造成气隙击穿的主要因素是电子撞击游离和阴极的表面游离。为了进行分析，撞击游离和阴极的表面游离。为了进行分析，引入三个系数如下：引入三个系数如下：系数系数，表示一个电子由阴极到阳极每，表示一个电子由阴极到阳极每1cm1cm 路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数（平均值）。数（平均值）。系数系数，表示一个正离子由阳极到阴极每，表示一个正离子由阳极到阴极每lcmlcm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数（平均值）。数（平均值）。系数系数，表示一个正离子撞击到阴极表面，表示一个正离子撞击到阴极表面时，使阴极逸出的自由电子数（平均值）。时，使阴极逸出的自由电子数（平均值）。25第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 如图所示，为一平行板电极均匀电场。取如图所示，为一平行板电极均匀电场。取X轴垂直于电轴垂直于电极平面。最初的自由电子是由外界游离因素在气隙体积内极平面。最初的自由电子是由外界游离因素在气隙体积内或从阴极表面游离出来的。或从阴极表面游离出来的。现假设从阴极表面游离出一个初始自由电子，即现假设从阴极表面游离出一个初始自由电子，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，不断造成撞击游离。当到达距阴极为不断造成撞击游离。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：26第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33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：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(也即撞击游离出也即撞击游离出的新电子数的新电子数)则为：则为：27第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 实验证明，正离子在返回阴极途中造成撞击游离（即实验证明，正离子在返回阴极途中造成撞击游离（即过程程）的作用极小（这是由于正离子的平均自由行程比电）的作用极小（这是由于正离子的平均自由行程比电子小得多，不易积累足够的动能），因而可以忽略不计。子小得多，不易积累足够的动能），因而可以忽略不计。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，如果此值不小于个电子，如果此值不小于1，即：，即：则表示一个起始电子经上述一次过程后，能从阴极产生的新则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，以后电子数不少于原有的那一个起始电子，这样，以后过程显然过程显然就可以不需要外界游离因素而自己持续下去了就可以不需要外界游离因素而自己持续下去了。这就是。这就是自持自持放电的条件放电的条件，也就是，也就是气隙击穿的条件气隙击穿的条件。28第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33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、电极材料和表面状态等因素的关系电极材料和表面状态等因素的关系。我们知道，使电子与气体分子碰撞时产生游离的我们知道，使电子与气体分子碰撞时产生游离的必必要条件是要条件是：电子的动能至应等于气体分子的游离能。或者：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），则电子必须在场强方向至少迁移距离伏表示的游离能），则电子必须在场强方向至少迁移距离xyUyE而不受碰撞。而不受碰撞。如果电子在与气体分子相邻两次碰掩之间的平均自由如果电子在与气体分子相邻两次碰掩之间的平均自由行程为行程为e，则从，则从气体运动理论气体运动理论可知，相邻两次碰撞之间电可知，相邻两次碰撞之间电子迁移距离大于子迁移距离大于xy的几率为：的几率为：29第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 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，电子的平均自由行程对于某一定的气体介质，电子的平均自由行程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：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：30第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 从上式可以看出，从上式可以看出，值对E值非常敏感，即非常敏感，即场强E的的很小很小变化就会引起化就会引起值的很大的很大变化。化。并考虑均匀电场中击穿时所以可得：并考虑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第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 根据根据的定的定义，它，它显然与然与电极材料的逸出功有关，也与极材料的逸出功有关，也与撞撞击离子的离子的动能和位能有关，但是在上述能和位能有关，但是在上述Ub的表达式中，的表达式中，处于二次于二次对数中，从而使得数中，从而使得Ub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，同时，从上述表达式可以看出，击穿电压击穿电压Ub是乘积的是乘积的函数：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、极间距离、极间距离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。积有函数关系。只要只要S的乘积不变，的乘积不变，Ub也就不变也就不变。这。这个规律，早在汤森德理论出现之前（个规律，早在汤森德理论出现之前（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，称为帕邢定律帕邢定律。现在，汤森德理论给了这个实验得出的定律。现在，汤森德理论给了这个实验得出的定律以理论上的论证，反过帕邢定律也给汤森德理论以实验以理论上的论证，反过帕邢定律也给汤森德理论以实验结果的支持。结果的支持。32第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 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第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33关于最小值的解释关于最小值的解释：假设假设S保持不变，当气体密度保持不变，当气体密度增大时，电子的平均自增大时，电子的平均自由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能由行程缩短了，相邻两次碰撞之间，电子积聚到足够动能的几率减小了，故的几率减小了，故Ub必然增大。反之，当必然增大。反之，当减到过小时，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，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减很稀薄，电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小，欲使击穿，到很小，欲使击穿，Ub也须增大。在这两者之间，总有一也须增大。在这两者之间，总有一个个值对造成撞击游离最有利，此值对造成撞击游离最有利，此Ub最小。最小。同样，可假设同样，可假设保持不变，保持不变，S值增大时，欲得到一定的值增大时，欲得到一定的场强，电压必须增大。当场强，电压必须增大。当S值减到过小时，场强虽大增，但值减到过小时，场强虽大增，但电子在走完全程中所遇到的撞击次数已减到很小，故要求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，才能击穿。在这两者之间，也总有一个外加电压增大，才能击穿。在这两者之间，也总有一个S的的值对造成撞击游离最有利，此时值对造成撞击游离最有利，此时Ub最小。最小。34第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33二、S值较大时气隙的击穿过程 当当S值较大时，上述的汤森德放电机理存在明显值较大时，上述的汤森德放电机理存在明显的不足。在大量的实验研究和对雷电观测的基础上，发的不足。在大量的实验研究和对雷电观测的基础上，发展了流注机理学说。展了流注机理学说。在电场的作用下，电子在奔向阳极的途中，不断地在电场的作用下，电子在奔向阳极的途中，不断地发生撞击游离，形成电子崩，崩内的电子数和正离子数发生撞击游离，形成电子崩，崩内的电子数和正离子数随电子崩发展的距离按指数规律急剧增长。随电子崩发展的距离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，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，而正离子则大体上滞留在所以电子总是跑在崩头部分，而正离子则大体上滞留在产生它的地方，仅是较缓慢地向阴极移动。由于电子的产生它的地方，仅是较缓慢地向阴极移动。由于电子的扩散作用，电子崩在发展过程中半径逐渐增大，其外形扩散作用，电子崩在发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，则是正离子区。如图头部分，其后，直到尾部，则是正离子区。如图 2-4(a)、(b)所示。所示。35第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 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造成的电场的叠加，如图荷所造成的电场的叠加，如图 2-4(c)、(d)所示。由图可见，所示。由图可见，崩尾电场被加强崩尾电场被加强了，崩内正负空间电荷混杂处的电场被大了，崩内正负空间电荷混杂处的电场被大为减弱，而为减弱，而崩头前面的崩头前面的电场则被电场则被加强得最剧烈加强得最剧烈。36第第第第八八八八章章章章 气气气气体体体体放放放放电电电电基基基基本本本本理理理理论论论论33 当外施电压为气隙的最低击穿电压时的发展过程当外施电压为气隙的最低击穿电压时的发展过程：电：电子崩走完整个间隙时，崩头电子和崩尾正离子总数已达到子崩走完整个间隙时，崩头电子和崩尾正离子总数已达到非常之多，使崩头、崩尾的局部电场大为增强，中部电场非常之多，使崩头、崩尾的局部电场大为增强，中部电场大为减弱。崩头的强烈游离过程必然会伴随着强烈的激励大为减弱。崩头的强烈游离过程必然会伴随着强烈的激励和反激励过程（因为受激状态是极不稳定的，存在时间是和反激励过程（因为受激状态是极不稳定的，存在时间是极短的），强烈的反激励会极短的），强烈的反激励会放射出大量光子放射出大量光子；同时，崩中；同时，崩中部的弱电场给电子附着在质点上形成负离子进而为正、负部的弱电场给电子附着在质点上形成负离子进而为正、负离子的复合提供了良好的条件，这个区域中强烈的复合过离子的复合提供了良好的条件，这个区域中强烈的复合过程也会程也会放射出大量光子放射出大量光子。这些光子向四方发射。因为此时崩头已接近阳极，射这些光子向四方发射。因为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发到崩头前方的光子直接进入阳极，对放电过程的进一步发展不起什么作用；射到崩尾空间的光子，造成空间光游离，展不起什么作用；射到崩尾空间的光子，造成空间光游离，游离出的电子在崩尾局部强化了的电场中形成许多衍生电