第68講氣體放電的基本物理過程及氣體間隙的放電(2023年新版)

535氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生與消逝氣體的電離子的電離，它是氣體放電的首要前提。其所需要的能量成為電離能。W電e離電位為U，e1.61019C；鼓勵態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時輻射出相應(yīng)能量的光子光子的頻率v h普朗克i常數(shù)WhvieUiAEAe3kTW2 hvWi1

k1.381023J/K k為波爾茨曼常數(shù)〔熱電離〕光輻射波頻率vh是普朗克常數(shù)〔光輻射電離〕mv2W2 ieExWi

m、v是碰撞質(zhì)點的質(zhì)量、速度〔碰撞電離〕x為電子或離子在碰撞前走過的距離常溫下的放電過程，碰撞電離是最重要的電離方式氣體的分級電離W氣體的原子或分子在鼓勵態(tài)〔鼓勵能為i 的能量僅為Wi

e〕再獲得能量而發(fā)生電離稱為分級電離，這種狀況下電離所需〔10-3秒或更長子或分子碰撞時，即使它們的動能較低，只要前者的激發(fā)能大于后者的電離能，后者將被電離，前者則返回基態(tài)。多余的能量就轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥膭幽?，或使離子激發(fā)。這種過程,稱彭寧電離,或稱彭寧效應(yīng)。由于惰性氣體的亞穩(wěn)原子有較大的激發(fā)能，在含有惰性氣體的混合氣體放電中，彭寧電離比較有效。彭寧效應(yīng)還可以使放電管的點火電壓降低。從絕緣角度看，彭寧效應(yīng)不利電極外表的電子逸出1頁逸出功：金屬的微觀構(gòu)造〔小于電離能電子放射帶電質(zhì)點的集中和復(fù)合帶電粒子的集中帶電粒子從濃度較大的區(qū)域運動到濃度較小的區(qū)域。電子的集中速度比離子快得多。氣壓越低，溫度越高，集中越快。帶電粒子的復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和、復(fù)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，這種光輻射在肯定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要肯定空間內(nèi)帶電質(zhì)點由于復(fù)合而削減的速度打算于其濃度電子崩和電子碰撞電離系數(shù)OO—AAA—BBB—C又將電離出的其次代電子，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)目快速增加，如同冰山上發(fā)生雪崩一樣。電離系數(shù)2頁1cmxeEx，電子如要能夠引起碰撞電離，必需滿足條件Eex Wi i

或xEUi i只有那些自由行程超過xi＝Ui／E的電子，才能與分子發(fā)生碰撞電離假設(shè)電子的平均自由行程為，xi的概率為對于均勻電場，不隨空間位置而變nnex0

exi/相應(yīng)的電子電流增長規(guī)律為IIex0IIed0lcml／1其中 ex/ i是電子自由行程超過xi而發(fā)生的碰撞，即電離碰撞次數(shù)1

xeix

1U eEiU 氣體溫度不變時，1／＝Ap，并令A(yù)Ui＝B，可得EApeBpE結(jié)論：場強(qiáng)較大時，電子碰撞電離系數(shù)較大；在氣壓較大或較小時，電子碰撞電離系數(shù)較小隨著氣隙中場強(qiáng)增大，電子和離子在與氣體分子相鄰兩次碰撞間所積存的動能也增加，場強(qiáng)高達(dá)某肯定值，使這種能量的積存到達(dá)撞擊游離所需值時，氣體中即可發(fā)生撞擊游離。游離出來的電子又參與到撞擊游頁離的過程中去。于是游離過程就像雪崩似地增長起來，稱為電子崩Ecr素所造成的原始游離才能持續(xù)存在；如外界游離因素消逝，則這種電子崩也隨之漸漸衰減以至消逝，而不能自己維持下去。這種放電稱為非自持放電。當(dāng)場強(qiáng)到達(dá)或超過Ecr離因素了，這種性質(zhì)的放電稱為自持放電。由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的場強(qiáng)稱為臨界場強(qiáng)Ecr，相應(yīng)的電壓稱為臨界電壓Ucr。自持放電條件湯遜理論認(rèn)為，當(dāng)pdpd的函數(shù)pdn0＝1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pd放電外形Pd猛烈二次電子崩在空間的形成和進(jìn)展帶有統(tǒng)計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝pd象陰極材料的影響依據(jù)流注理論，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極外表的電離過程，這可說明為何很大Pd36電場均勻度對放電的影響頁電場不均勻系數(shù)均勻電場是一種少有的特例，在實際電力設(shè)施中常見的卻是不均勻電場。為了描述各種構(gòu)造的電場不均勻程度，可引入一個電場不均勻系數(shù)f，表示為Ef EEv

最大電場強(qiáng)度

平均電場強(qiáng)度E Uv d均勻場和稍不均勻場中的放電均勻電場中的擊穿電壓與電壓的極性無關(guān)，直流、工頻擊穿電壓〔峰值〕以及50%沖擊擊穿電壓都一樣，分散性很小U 24.22d6.08 dKV d為空氣相對密度b對于稍不均勻場間隙，擊穿電壓可按下式估算EU fE極不均勻場中的放電特點：1.影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離選擇電場極不均勻的極端狀況作為典型電極爭論：棒-板：電場分布不對稱棒-棒：電場分布對稱這兩種氣隙擊穿電壓是不均勻氣隙擊穿電壓曲線的上下包線，依據(jù)典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來估量絕緣距離直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差異比較明顯，分散性較大直流電壓下的擊穿電壓極性效應(yīng)：棒-棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒-板電極之間擊穿電壓與間隙距離接近正比，平均擊穿場強(qiáng)：正棒—負(fù)板：4.5kV/cm；負(fù)棒—正板：10kV/cm；棒—棒：4.8~5.0kV/cm工頻電壓下的擊穿電壓擊穿在棒的極性