氣體放電理論一演示文稿

氣體放電理論一演示文稿目前一頁\總數(shù)六十一頁\編于八點優(yōu)選氣體放電理論一目前二頁\總數(shù)六十一頁\編于八點氣體放電 研究在電場作用下，氣體間隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動過程氣隙中帶電粒子是如何形成的氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的目前三頁\總數(shù)六十一頁\編于八點主要內(nèi)容氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生和消失氣體放電機(jī)理電暈放電不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程雷電放電目前四頁\總數(shù)六十一頁\編于八點名詞解釋激勵電離電子平均自由行程復(fù)合電子崩目前五頁\總數(shù)六十一頁\編于八點原子激勵原子能級以電子伏為單位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激勵

原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵能We

，原子處于激勵態(tài)激勵狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率，h普朗克常數(shù)目前六頁\總數(shù)六十一頁\編于八點原子激勵原子處于激勵態(tài)的平均壽命只有10-7~10-8秒激勵電位：Ue

=We/e幾種氣體和金屬蒸汽的第一激勵電位N：6.3V，N2

：6.1V O：9.1V,，O2：沒有

Cs：1.38V（最?。┰泳哂衼喎€(wěn)激勵態(tài)，其壽命長10-4~10-2秒目前七頁\總數(shù)六十一頁\編于八點

原子電離在外界因素作用下，其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子電離過程所需要的能量稱為電離能Wi(ev)，也可用電離電位Ui（v）分級電離

通過亞穩(wěn)激勵態(tài)原子電離目前八頁\總數(shù)六十一頁\編于八點

幾種氣體的第一電離電位N：14.5V，N2

：15.5VO：13.6V,O2：12.2VCs：3.88V

原子電離目前九頁\總數(shù)六十一頁\編于八點質(zhì)點的平均自由行程

自由行程

一個質(zhì)點在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的行程平均自由行程（）

自由行程具有統(tǒng)計性，

定義為質(zhì)點自由行程的平均值目前十頁\總數(shù)六十一頁\編于八點氣體中電子和離子的自由行程是它們和氣體分子發(fā)生碰撞時的行程電子的平均自由行程要比分子和離子的自由行程大得多氣體分子密度越大，其中質(zhì)點的平均自由行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比，空氣中電子e=10-5cm質(zhì)點的平均自由行程目前十一頁\總數(shù)六十一頁\編于八點自由行程的分布：具有統(tǒng)計性的規(guī)律。質(zhì)點的自由行程大于x的概率為如果起始有n0個質(zhì)點（或一個質(zhì)點的相繼n0次碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的質(zhì)點數(shù)（或次數(shù)）n(x)應(yīng)為質(zhì)點的平均自由行程目前十二頁\總數(shù)六十一頁\編于八點質(zhì)點的平均自由行程電子在其自由行程內(nèi)從外電場獲得動能，能量除決定于電場強(qiáng)度外，還和其自由行程有關(guān)目前十三頁\總數(shù)六十一頁\編于八點第一節(jié)氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生和消失氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生（一）氣體分子本身的電離，可由下列因素引起：

（1）電子或正離子與氣體分子的碰撞電離

（2）各種光輻射（光電離）

（3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）（4）負(fù)離子的形成（二）氣體中的固體或液體金屬的表面電離目前十四頁\總數(shù)六十一頁\編于八點1、碰撞電離（撞擊電離）必要條件撞擊質(zhì)點所具有的總能量（包括動能和勢能）大于被撞擊質(zhì)點在該種狀態(tài)下所需的電離能需要一定的相互用用的時間和條件 me：電子的質(zhì)量

ve：電子的速度 Wi：氣體分子的電離能僅考慮動能，在電場作用下，撞擊質(zhì)點被加速而獲得動能。將可能引起碰撞電離的條件目前十五頁\總數(shù)六十一頁\編于八點1、碰撞電離（撞擊電離）碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)氣體放電中，碰撞電離主要是電子和氣體分子碰撞而引起的目前十六頁\總數(shù)六十一頁\編于八點2、光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離自然界、人為照射、氣體放電過程光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子（光電子）和正離子光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）：目前十七頁\總數(shù)六十一頁\編于八點2、光電離銫蒸汽的電離電位最?。?.88V），產(chǎn)生直接光電離的波長應(yīng)小于318nm（紫外）對所有氣體來說，在可見光（400750nm）的作用下，一般是不能發(fā)生直接光電離的分級電離光電離在氣體放電中起重要作用反激勵、復(fù)合釋放具有一定能量的光子(具有較大的初始速度)目前十八頁\總數(shù)六十一頁\編于八點3、熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程稱為熱電離

分子的熱運(yùn)動所固有的動能不足以產(chǎn)生碰撞電離，20oC時，氣體分子平均動能約0.038eV。熱電離起始溫度為103K在一定熱狀態(tài)下物質(zhì)會發(fā)出輻射，熱輻射光子能量大，會引起光電離K

：波爾茨曼常數(shù)

K=1.38×10-23J/K

T：絕對溫度，K目前十九頁\總數(shù)六十一頁\編于八點3、熱電離熱電離實質(zhì)上是熱狀態(tài)下碰撞電離和光電離的綜合例如：發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離，高溫下高能熱輻射光子也能造成氣體的電離目前二十頁\總數(shù)六十一頁\編于八點4、負(fù)離子的形成有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，形成了負(fù)離子形成負(fù)離子時可釋放出能量有些氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體（如氧、氟、氯等），SF6在工業(yè)上有典型應(yīng)用負(fù)離子的形成起著阻礙放電的作用

目前二十一頁\總數(shù)六十一頁\編于八點5、金屬（陰極）的表面電離金屬陰極表面發(fā)射電子

逸出功：與金屬的微觀結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)有關(guān)金屬的逸出功一般比氣體的電離能小得多，在氣體放電中起重要作用金屬表面電離所需能量獲得的方式正離子碰撞陰極（二次發(fā)射）目前二十二頁\總數(shù)六十一頁\編于八點正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時把能量（主要是勢能）傳遞給金屬中的電子，使其逸出金屬正離子必須碰撞出一個以上電子時才能產(chǎn)生自由電子正離子與電子復(fù)合時發(fā)出的勢能起作用逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子

目前二十三頁\總數(shù)六十一頁\編于八點5、金屬（陰極）的表面電離光電效應(yīng)金屬表面受到短波光的照射。同樣的光輻射引起的電極表面電離要比引起空間光電離強(qiáng)烈得多強(qiáng)場放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時，可使陰極發(fā)射出電子。場強(qiáng)在106V/cm左右，一般氣體擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于此值

此情況會出現(xiàn)在高氣壓間隙和高真空間隙放電中目前二十四頁\總數(shù)六十一頁\編于八點5、金屬（陰極）的表面電離熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬表面對于某些電弧放電的過程有重要的意義目前二十五頁\總數(shù)六十一頁\編于八點氣體中帶電質(zhì)點的消失

（一）電場作用下氣體中帶電質(zhì)點的運(yùn)動流入電極（二）帶電質(zhì)點的擴(kuò)散（三）帶電質(zhì)點的復(fù)合第一節(jié)氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生和消失目前二十六頁\總數(shù)六十一頁\編于八點1、電場作用下氣體中帶電質(zhì)點的運(yùn)動帶電質(zhì)點產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運(yùn)動，形成電流：

vd：平均速度帶電質(zhì)點在一定的電場強(qiáng)度下運(yùn)動達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電質(zhì)點的驅(qū)引速度

b：遷移率

電子遷移率比離子遷移率大兩個數(shù)量級目前二十七頁\總數(shù)六十一頁\編于八點2、帶電質(zhì)點的擴(kuò)散帶電質(zhì)點的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動造成，帶電質(zhì)點的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律相似氣體中帶電質(zhì)點的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動速度很高，它在熱運(yùn)動中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴(kuò)散過程比離子的要強(qiáng)得多目前二十八頁\總數(shù)六十一頁\編于八點3、帶電質(zhì)點的復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程在帶電質(zhì)點的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又成為導(dǎo)致電離的因素

參與復(fù)合的質(zhì)點的相對速度愈大，復(fù)合概率愈小。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要帶電質(zhì)點濃度越大，復(fù)合速度越大，強(qiáng)烈的電離區(qū)也是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)

目前二十九頁\總數(shù)六十一頁\編于八點第二節(jié)氣體放電機(jī)理氣體放電的主要形式非自持放電和自持放電湯森德氣體放電理論流注放電理論

目前三十頁\總數(shù)六十一頁\編于八點第二節(jié)氣體放電機(jī)理外電離因數(shù)：宇宙線、地面上的放射性輻射、太陽光中的紫外線等1cm3氣體介質(zhì)中每秒產(chǎn)生一對離子，達(dá)到平衡狀態(tài)，離子濃度約為500~1000對/cm31、氣體放電的主要形式目前三十一頁\總數(shù)六十一頁\編于八點非自持放電外施電壓小于U0時，間隙電流遠(yuǎn)小于微安級，此階段氣體絕緣性能完好電流要依靠外電離因素來維持。如果取消外電離因素，那么電流也將消失U0以前的放電形式稱為非自持放電目前三十二頁\總數(shù)六十一頁\編于八點自持放電當(dāng)電壓達(dá)到U0后，氣體中發(fā)生了強(qiáng)烈的電離，電產(chǎn)生電子崩，電流劇增氣體中電離過程只靠電場作用可自行維持，不再需要外電離因素了U0以后的放電形式稱為自持放電目前三十三頁\總數(shù)六十一頁\編于八點由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電場強(qiáng)稱為臨界場強(qiáng)(Ecr)，相應(yīng)的電壓稱為臨界電壓(Ucr)如電場比較均勻，則間隙將被擊穿，此后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件形成輝光放電、火花放電或電弧放電，而間隙的擊穿電壓Ub也就是形成自持放電的臨界電壓Ucr如電場極不均勻，則當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時，在大曲率電極表面電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時臨界電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓可能比起始電壓高很多非自持放電和自持放電目前三十四頁\總數(shù)六十一頁\編于八點1、氣體放電的主要形式根據(jù)氣體壓力、電源功率、電極形狀等因素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同形式。利用放電管可以觀察放電現(xiàn)象的變化輝光放電電弧放電火花放電電暈放電刷狀放電目前三十五頁\總數(shù)六十一頁\編于八點輝光放電當(dāng)氣體壓力不大，電源功率很小（放電回路中串入很大阻抗）時，外施電壓增到一定值后，回路中電流突增至明顯數(shù)值，管內(nèi)陰極和陽極間整個空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象特點是放電電流密度較小，放電區(qū)域通常占據(jù)了整個電極間的空間。霓虹管中的放電就是輝光放電的例子，管中所充氣體不同，發(fā)光顏色也不同1、氣體放電的主要形式目前三十六頁\總數(shù)六十一頁\編于八點火花放電在較高氣壓（例如大氣壓力）下，擊穿后總是形成收細(xì)的發(fā)光放電通道，而不再擴(kuò)散于間隙中的整個空間。當(dāng)外回路中阻抗很大，限制了放電電流時，電極間出現(xiàn)貫通兩極的斷續(xù)的明亮細(xì)火花

火花放電的特征是具有收細(xì)的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定火花間斷的原因1、氣體放電的主要形式目前三十七頁\總數(shù)六十一頁\編于八點電弧放電減小外回路中的阻抗，則電流增大，電流增大到一定值后，放電通道收細(xì)，且越來越明亮，管端電壓則更加降低，說明通道的電導(dǎo)越來越大電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征1、氣體放電的主要形式目前三十八頁\總數(shù)六十一頁\編于八點電暈放電電極曲率半徑很小或電極間距離很遠(yuǎn)（電場極不均勻），當(dāng)電壓升高到一定值后，首先在緊貼電極電場最強(qiáng)處出現(xiàn)發(fā)光層，回路中出現(xiàn)用一般儀表即可察覺的電流。隨著電壓升高，發(fā)光層擴(kuò)大，放電電流也逐漸增大發(fā)生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，間隙仍能耐受電壓的作用1、氣體放電的主要形式目前三十九頁\總數(shù)六十一頁\編于八點刷狀放電電極間距較大、電場極不均勻情況下，如電壓繼續(xù)升高，從電暈電極伸展出許多較明亮的細(xì)線狀光束，稱為刷狀放電電壓再升高，根據(jù)電源功率而轉(zhuǎn)入火花放電或電弧放電，最后整個間隙被擊穿電場稍不均勻，則可能不出現(xiàn)刷狀放電，而由電暈放電直接轉(zhuǎn)入擊穿1、氣體放電的主要形式目前四十頁\總數(shù)六十一頁\編于八點

2、湯森德氣體放電理論湯森德（Townsend）放電理論流注（Streamer）放電理論這兩種理論互相補(bǔ)充，可以說明廣闊的S（為氣體的相對密度，以標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的大氣密度為基準(zhǔn)；S為氣隙距離）范圍內(nèi)氣體放電的現(xiàn)象目前四十一頁\總數(shù)六十一頁\編于八點2、湯森德氣體放電理論

過程（電子崩的形成）過程自持放電條件

過程和過程同時作用產(chǎn)生的電流擊穿電壓、帕邢定律湯森德放電理論的適用范圍目前四十二頁\總數(shù)六十一頁\編于八點2、湯森德氣體放電理論20世紀(jì)初，湯森德根據(jù)大量的試驗研究結(jié)果，提出了較均勻電場和S較小時氣體放電理論理論認(rèn)為，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離起主要作用提出氣隙放電電流和擊穿電壓的計算公式目前四十三頁\總數(shù)六十一頁\編于八點

過程（電子崩的形成）一個起始電子自電場獲得動能后，會碰撞電離出一個第二代電子這兩個電子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二代電子，這時空間已存在四個自由電子這樣一代一代不斷增加的過程，會使電子數(shù)目迅速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣，形成了電子崩目前四十四頁\總數(shù)六十一頁\編于八點電子崩目前四十五頁\總數(shù)六十一頁\編于八點電離系數(shù)定義：一個電子沿著電場方向行經(jīng)1cm長度，與氣體分子發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù) 即是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)

過程目前四十六頁\總數(shù)六十一頁\編于八點

過程設(shè)：在外電離因素光輻射的作用下，單位時間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生n0個電子

在距離陰極為x的橫截面上，單位時間內(nèi)單位面積有n個電子飛過這n個電子行過dx之后，又會產(chǎn)生dn個新的電子將此式積分，可得電子的增長規(guī)律為目前四十七頁\總數(shù)六十一頁\編于八點對于均勻電場，

不隨空間位置而變相應(yīng)的電子電流增長規(guī)律為令x=S，得進(jìn)入陽極的電子電流，即外回路中的電流

過程目前四十八頁\總數(shù)六十一頁\編于八點過程正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著作用，一般不考慮β過程正離子向陰極移動，依靠它所具有的動能及位能，在撞擊陰極時能引起表面電離，使陰極釋放出自由電子

電離系數(shù)定義一個正離子碰撞到陰極表面時使陰極金屬表面平均釋放出的自由電子數(shù)目前四十九頁\總數(shù)六十一頁\編于八點過程從陰極飛出n0個電子，到達(dá)陽極后電子數(shù)將增加為正離子數(shù)為正離子到達(dá)陰極，從陰極電離出的電子數(shù)為目前五十頁\總數(shù)六十一頁\編于八點放電有非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為在均勻電場中，這也就是間隙擊穿的條件，上式具有清楚的物理意義自持放電條件設(shè)n0＝1，目前五十一頁\總數(shù)六十一頁\編于八點當(dāng)自持放電條件得到滿足時，就會形成圖解中閉環(huán)部分所示的循環(huán)不息的狀態(tài)，放電就能自己維持下去目前五十二頁\總數(shù)六十一頁\編于八點

過程和過程同時作用產(chǎn)生的電流設(shè)：n0表示在外電離因素作用下單位時間內(nèi)陰極單位面積產(chǎn)生的電子數(shù)

n表示單位時間內(nèi)陰極單位面積由于過程產(chǎn)生的電子數(shù)則單位時間內(nèi)陰極單位面積上產(chǎn)生的電子總數(shù)

從陰極出來的電子到達(dá)陽極后，電子數(shù)na成為 目前五十三頁\總數(shù)六十一頁\編于八點產(chǎn)生的正離子數(shù)為陰極金屬平均釋放出的電子數(shù)

過程和過程同時作用產(chǎn)生的電流得回路電流放電自持的條件為目前五十四頁\總數(shù)六十一頁\編于八點擊穿電壓、帕邢定律擊穿電壓：根據(jù)自持放電條件推導(dǎo)擊穿電壓

設(shè)電子在均勻電場中行經(jīng)距離x而未發(fā)生碰撞，電子從電場獲得的能量為eEx，電子如要能夠引起碰撞電離，必須滿足條件 只有那些自由行程