第4讲气体放电理论一.ppt

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1、第第4 4讲讲 气体放电理论（一）气体放电理论（一）2主要内容主要内容一一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二二气体放电的一般描述气体放电的一般描述三 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 四四不均匀电场中气体击穿的发展过程不均匀电场中气体击穿的发展过程3气体放电气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程n气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中带电粒子是如何形成的？n气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电

2、的？45名词解释名词解释u电子平均自由行程电子平均自由行程 u激励激励u电离电离u复合复合u电子崩电子崩6原子激励和电离原子激励和电离 原子能级原子能级 以电子伏为单位以电子伏为单位 1eV1V1.610-19C1.610-19J原子激励原子激励 原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率子（光辐射）的频率 hWe7 原子电离原子电离：原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离

3、原子原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离 电离过程所需要的能量称为电离能电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电），也可用电离电位离电位Ui（v）几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位 8质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决定，能量除决定于

4、电场强度外，还和其自由行程有关于电场强度外，还和其自由行程有关 9n气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子发生碰撞时的行程子发生碰撞时的行程n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比的密度成正比pT10n自由行程的分布：自由行程的分布：具有统计性的规律。质点的具有统计性的规律。质点的自由行程大于自由行程大于x的概率为的概率为 如果起始有如果

5、起始有n0个质点（或一个质点的相继个质点（或一个质点的相继n0次次碰撞），则其中行过距离碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的后，尚未被碰撞的质点数（或次数）质点数（或次数）n(x)应为应为 xexf)(xenxn0)(11一、气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生和消失 n气体中带电质点的产生气体中带电质点的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起：（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1）电子或正离子与气体分子的碰撞电离）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离）（3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离）（4）负离

6、子的形成）负离子的形成 （二）（二）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离12碰撞电离碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的起的 n在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离满足如下条件时，将引起碰掩电离 me电子的质量；电子的质量；ve 电子的速度；电子的速度；Wi气体分子的电离能。气体分子的电离能。n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关ieeWvm22113光电离光电离

7、 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 自然界、人为照射、自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程n当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子件，将引起光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对所有气体来说，在可见光（对所有气体来说，在可见光（400 750nm）的作用下，）的作用下，一般是不能直接发生光电离的一般是不能直接发生光电离的 iWhnm 12340iiUeUhc14

8、热电离热电离 n因气体热状态引起的电离过程称为热电离因气体热状态引起的电离过程称为热电离 气体分子的平均动能和气体温度的关系为气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 n在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离 KTWm2315负离子的形成负离子的形成 n有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反有时

9、电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 n有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）n负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子的形成起着阻碍放电的作用 16金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功逸出功：金属的微观结构：金属的微观结构、金属表面状态、金属表面状态 n金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电金属表面电离有多种方式，即可以

10、有多种方法供给电子以逸出金属所需的能量子以逸出金属所需的能量 （1）正离子碰撞阴极）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子个以上电子时才能出现自由电子17 （2）光电效应）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子，金属表面放射出电子 （

11、3）强场放射（冷放射）强场放射（冷放射）当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电 （4）热电子放射）热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属能，逸出金属18一、气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生和消失n气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动（一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的扩散（二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合（三）带电质点的复合 19电场作用下气体中带电质点的运动电场作用下气体中带电质点

12、的运动n带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流成电流 n在气体放电空间在气体放电空间，带电质点在一定的电场强度下运动达，带电质点在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度驱引速度 b 迁移率迁移率 u电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变，电子迁移率也随场强而变 bEvddenvj 20带电质点的扩散带电质点的扩散 n带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热带

13、电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的是相似的 n气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱高或者温度越低，扩散过程也就越弱n电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多散过程比离子的要强得多 21带电质点的复合带电质点的复合 n正离子和负离子或电子

14、相遇，发生电荷的传递而互相正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程n在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 n正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度浓度 22二、气体放电的一般描述二

15、、气体放电的一般描述 （一）气体放电的主要形式（一）气体放电的主要形式 根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化管可以观察放电现象的变化 n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电23辉光放电辉光放电 n当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值

16、，管内阴极和阳极间整个中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象空间忽然出现发光现象 n特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同 24电弧放电电弧放电 n减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大大n电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征，电路具有短路的特征 25火花放电火花放电n在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电整个空间。当外