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1、一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭空气是天然绝缘介质。气体的电导和放电有理论和实际价值，有助于对液体和固体的电导和击穿的理解。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭u气体中带电粒子产生和消灭（1）激发：处于正常状态的原子、分子和离子，在气体空间，当获得一定能量时，其电子，最外层价电子就可能跃迁到较高能级上。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭之后恢复到正常区态，以光子的形式发出激发能激发态平均寿命 激发能：激发所需要的能量激发电压一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭介稳态：原子未恢复到正常状态，必须再获取能量跃迁到
2、更高能级上，才能恢复到正常态，其平均寿命一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭（2）电离：原子、分子和离子获得足够能量，使价电子摆脱了原子核的束缚成为自由电子的过程。电离能：电离过程需要的能量电离电压一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭a、辐射电离：光辐射电离、紫外热辐射电离b、碰撞电离：电子、离子与气体分子碰撞发生的电离一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭（3）附着：当电子与分子碰撞时，电子有可能被吸引而附着在分子上形成负离子，这个过程称附着。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭（4）复合：正离子和负离子相碰撞而恢
3、复成为分子叫复合，伴随光辐射现象，复合是带电粒子消失的过程。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭（5）电子或离子自发地由浓度较高的区域向浓度较低的区域转移的过程，带电粒子的扩散是由热运动造成的。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭u电极表面发射为使气体放电中有电荷循环，还必然有阴极金属发射电子的过程。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭阴极金属发射电子，是放电中带电粒子的一个重要来源。金属表面的电子从金属中脱离出来也需要一定的能量逸出功。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭阴极表面发射电子有几类：（1）正离子碰撞阴
4、极，使金属表面释放出电子。（2）光电效应：金属表面受光辐射，也发射电子光电效应。光子的能量必须大于逸出功。一、气体带电粒子的产生和消灭一、气体带电粒子的产生和消灭（3）热电子发射：阴极被加热到很高温度，金属中的电子获得巨大的动能而逸出，形成热电子发射。（4）强场发射：当阴极附近电场强度很高时，阴极也发射电子，称场致发射或冷发射。二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象第一部分：电流密度随电场强度呈正比增加，大致符合欧姆定律。uj-E特性二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象第二部分：电流密度j不再随电场强度发生变化，其饱和电流密度值极小，处于良好绝缘状态。（j很小
5、）二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象第三部分：场强增至E2附近，电流又增长，气体的绝缘性能尚未遭破坏，气隙并没有击穿。当E2 E，临界电场强度，j急剧增大，伴有明显的声、光现象，绝缘性被破坏，气体击穿。标准状态下空气击穿强度平均值 3MV/m。二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象气体放电受压力、电极、极间距离、电源功率等因素影响。u击穿后放电现象二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象（1）辉光放电：气体压力较小，电源功率很低，当外加电压增加到一定数值时，回路中电流增加，管内电极间整个空间忽然出现发光现象，电极间出现均匀的明暗相间的辉光区（霓
6、虹灯）。二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象（2）火光放电：电压增高，气压不太低（常压附近），气隙中发出明亮的火花，火花在电极间出现细光束，在电源功率不大时，火花会瞬时熄灭，又突然发生（雷电放电）。二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象（3）电晕放电：电极曲率半径很小，电场不均匀，在电极尖端附近出现微光，并发出声音（高压装置的导体尖端）。二、气体的二、气体的j-E特性和放电现象特性和放电现象（4）电弧放电电源功率足够大，而外电路电阻较小，气隙发生火花放电之后，便立即发展至对面电极，并形成非常明亮的连续弧光，电导很高，电流密度很大，电弧温度很高（电焊）。三、气体
7、的电导三、气体的电导正常状态的气体是不导电，是优良绝缘体。实际气体存在少量带电粒子（大气 正负离子），在电场作用下载流子沿电场方向定向迁移，形成电导电流。三、气体的电导三、气体的电导紫外线、宇宙射线以及地层辐射线使气体分子获足够能量而电离，出现（产生）正负离子，同时，由于热运动，带电离子相互碰撞，可能发生复合而生成分子，使带电粒子消失。三、气体的电导三、气体的电导正比于正、负离子浓度 未加电场时，设单位时间内，单位体积中离子复合数 为复合系数常温，大气压下 三、气体的电导三、气体的电导电离的作用使带电粒子浓度产生的速率N。在平衡时，复合数与电离数载流子浓度：电导率 与带电粒子浓度有关，不随时间
8、发生变化。三、气体的电导三、气体的电导在电场作用下：弱电场，带电粒子产生情况不变，带电粒子消失情况改变，除复合消失外，还有定向迁移到极板而消失电导电流。其减少速率 总减少率三、气体的电导三、气体的电导（1）电场很弱时，迁移远小于复合电离产生的带电粒子数 气体电导率 为常数，服从欧姆定律，随电场强度升高。迁移速度加大，复合和消失的粒子数减少，达到电极上中和的带电粒子数增大。三、气体的电导三、气体的电导在标准状态下，空气 ，良绝缘体三、气体的电导三、气体的电导（2）电场升高，电离产生的带电粒子 全部迁移到极板上而没有发生复合 为饱和电流，仍很小，为良好绝缘体。三、气体的电导三、气体的电导(3)当电
9、场超过 时，产生很多新的载流子，电流密度又重新增长，气体开始放电。E1E2Eb四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿u均匀电场中的气体放电和击穿气体放电的汤逊理论（气体放电的碰撞电离理论）1、气体放电电流（1）a 过程引起的电流增长方程当电场强度增加到一定程度时，两极间气隙中的自由电子奔向阳极过程中积累了足够大的能量，与气体分子相碰撞，发生碰撞电离，在强场的加速下，使气体中载流子数目不断增加，发生电子雪崩。这种电子连锁发生的过程称电子崩过程，急剧增长着的电子流称电子崩。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿电子崩的初始电子：光电效应从阴极表面发射的电子是引起
10、电子崩的起始电子。n0为单位表面积发射的电子数，a 为一个电子在单位距离上产生的电子数或正离子数，或平均碰撞电离次数，称电子碰撞电离系数或汤逊第一电离系数。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿 是距阴极x截面上单位面积穿过的电子数。则当 个电子经过dx行程后，碰撞电离产生的电子数四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿对均匀电场，处处相等指数增长达阳极的电子数从阴极每个电子平均产生的新电子数（或新正离子数）气体放电电流密度四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿气体放电电流密度 是阴极初始电流密度，这种电子碰撞电离所形成的电子崩称 过程，其电
11、子称 电子。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿外界电离因素除去后，放电即行停止的过程称非自持放电。当外界电离因素除去后，放电就停止（，），气体恢复绝缘状态，如果气体放电只有 过程，则放电不能自持。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿（a）正离子轰击阴极，使阴极表面电离，释放出电子；（2）过程同时存在的电流增长方程除 过程产生电子崩外，还有其它过程可放出电子。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿（b）阴极表面光电离产生的光电子。光子来源于：气体分子或离子从激发态恢复到正常态释放出的光子，介稳态的粒子再次激发后恢复到正常状态释放出的光子
12、，正负带电粒子复合释放出的光子。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿以上两种过程称 过程，由 过程释放出的电子称 电子，电子在强电场加速下，进一步形成电子崩。气体放电的电流由 和 过程同时形成。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿 过程与阴极材料及表面状态有关。又称汤逊第二电离系数。定量的表示：每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属释放出的平均自由电子数。由阴极发射出一个起始电子通过 过程和 过程，使阳极获得 个电子：四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿单位时间内阴极表面单位面积上发
13、射 个电子 ，则单位时间内进入阳极表面单位面积的电子数 ：电流密度：四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿其中：外电离因素引起的起始电流密度当 上述级数收敛。由于 2、汤逊击穿判据放电仍然能够自行维持下去。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿由于A：当 ，非自持放电B：当 ，自持放电 四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿物理意义：是从阴极发出的一个电子在进入阳极之前由 过程所形成的正离子数。而 则表示 个正离子在回到阴极之际，由 过程在阴极上释放出的二次电子数。每个电子在阳极消失时，都能由自身引起的过程重新产生一个“后代”。这样纵然消失外电离因素，放电依然能够维持下去不停止自持放电。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿 表示二次电子数为1时，这个电子又再次重复形成 过程和 过程，气体的击穿就是从非自持放电到自持放电的转变。四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿自持放电的条件就是气体击穿的判据，称汤逊击穿判据：四、均匀电场中气体放电和击穿四、均匀电场中气体放电和击穿3、汤逊电离系数 和 系数 、与气体系统有关，还与电场强度E、气体气压P、气温T有关。