氣體放電的基本物理過程和基本性質(zhì)

1、氣體放電的基本物理過程和基本性質(zhì)1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21.2 氣體放電機理氣體放電的主要形式湯森德放電理論流注放電理論 33、流注放電理論 對象：工程上感興趣的壓力較高的氣體擊穿，如大氣壓力下空氣的擊穿特點：認為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素。并強調(diào)了空間電荷畸變電場的作用 通過大量的實驗研究（主要在電離室中進行的）說明放電發(fā)展的機理 4電離室電離室結(jié)構(gòu)示意圖 1照射火花間隙；2石英窗；3電極 4玻璃壁；5橡皮膜；6絕緣柱 研究放電時的電路圖N電離室；S火花間隙；L、L、K短路回路 5電子崩階段：碰撞電

2、離，空間電荷畸變外電場流注階段：光電離，形成二次電子崩，形成等離子體流注放電理論自持放電條件：空間光電離流注理論對 S較大時放電現(xiàn)象的解釋6電子崩階段電子崩外形 好似球頭的錐體，空間電荷分布極不均勻7電子崩（頭）中的電子數(shù)：ne x例如，正常(標準)大氣條件下，若E30kVcm，則 11cm-1，計算隨著電子崩向陽極推進，崩頭中的電子數(shù)8空間電荷畸變了外電場 大大加強了崩頭及崩尾的電場，削弱了崩頭內(nèi)正、負電荷區(qū)域之間的電場9電子崩頭部電場明顯增強，電離過程強烈，有利于發(fā)生分子和離子的激勵現(xiàn)象，當(dāng)它們回復(fù)到正常狀態(tài)時，發(fā)射出光子崩頭內(nèi)部正負電荷區(qū)域電場大大削弱，有助于發(fā)生復(fù)合過程，發(fā)射出光子10

3、流注階段電子崩走完整個間隙后，大密度的崩頭電子和崩尾正離子空間電荷大大加強了前部（非常小的間隙）和后部的電場，崩中部電場大為減弱。崩頭部發(fā)生強烈的電離，并引起向周圍放射出大量光子光子引起空間光電離，其中電子被主電子崩頭部的正空間電荷所吸引，在受到畸變而加強了的電場中，造成了新的電子崩，稱為二次電子崩光電離、二次崩1：主電子崩 2：二次電子崩 3：流注11正流注的形成（外加電壓等于擊穿電壓時!）二次電子崩中的電子進入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)（電場強度較?。?，大多形成負離子。大量的正、負帶電質(zhì)點構(gòu)成了混合通道（有人稱等離子體），這就是正流注流注通道導(dǎo)電性良好，其頭部又是二次電子崩形成的正電荷，因

4、此流注頭部前方出現(xiàn)了很強的電場1主電子崩2二次電子崩3流注12正流注向陰極推進流注頭部的電離放射出大量光子，繼續(xù)引起空間光電離。流注前方出現(xiàn)新的二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，延長了流注通道流注不斷向陰極挺進，且隨著流注接近陰極，其頭部電場越來越強，因而其發(fā)展也越來越快流注發(fā)展到陰極，間隙被導(dǎo)電良好的火花通道（熱電離!）所貫通，間隙的擊穿完成，這個電壓就是擊穿電壓 13負流注的形成（電壓高于擊穿電壓!）電壓較低時，電子崩需經(jīng)過整個間隙才形成流注，電壓較高時，電子崩不需經(jīng)過整個間隙，其頭部電離程度已足以形成流注主電子崩頭部的電離很強烈，光子射到主崩前方，在前方產(chǎn)生新的電子崩，主崩頭部的電子和二

5、次崩尾的正離子形成混合通道，形成向陽極推進的流注，稱為負流注間隙中的正、負流注可以同時向兩極發(fā)展。14正流注的分支（高電壓時）在較高電壓下，正流注的發(fā)展可能出現(xiàn)分支均勻電場中形成流注的機制：初始電子崩頭部的電荷必須積累到一定的程度，使電場畸變并加強到一定程度，已造成足夠的空間光電離均勻電場中流注-自持-擊穿！15試驗測量結(jié)果：電子崩在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時間間隔為110-7秒 p=270毫米汞柱，千伏/厘米 初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片p273毫米汞柱，E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約為107cm/s16試驗測量結(jié)果：正流注在電離室中得到的陽極流注發(fā)展過段的照片

6、正流注的發(fā)展速度約為11082108cm/s17試驗測量結(jié)果電子崩是沿著電力線直線發(fā)展，流注會出現(xiàn)曲折的分支電子崩可以同時有多個互不影響地向前發(fā)展當(dāng)某個流注由于偶然原因向前發(fā)展得更快時，其周圍的流注會受到抑制！湯森德放電是彌散的一片！流注放電有明亮的細通道！18自持放電條件一旦形成流注，放電就進入了新的階段，放電可以由本身產(chǎn)生的空間光電離而自行維持，即轉(zhuǎn)入自持放電了如果電場均勻，間隙就將被擊穿。所以流注形成的條件就是自持放電條件，在均勻電場中也就是導(dǎo)致?lián)舸┑臈l件19流注理論對S較大時放電現(xiàn)象的解釋 放電外形： S較大時，放電具有通道形式 流注中電荷密度很大，電導(dǎo)很大，其中電場強度較小。因此流注

7、出現(xiàn)后，對周圍空間內(nèi)的電場有屏蔽作用，并且隨著其向前發(fā)展而更為增強當(dāng)某個流注由于偶然原因發(fā)展更快時，將抑制其它流注的形成和發(fā)展，并且隨著流注向前推進而越來越強烈20二次電子崩在空間的形成和發(fā)展帶有統(tǒng)計性，所以火花通道常是曲折的，并帶有分枝電子崩則不然，由于其中電荷密度較小，故電場強度還很大，因而不致影響到鄰近空間內(nèi)的電場，所以不會影響其它電子崩的發(fā)展。這就可以說明，湯森德 (湯遜)放電呈連續(xù)(彌散)的一片。21放電時間光子以光速傳播，所以流注發(fā)展速度極快，這就可以說明S很大時放電時間特別短的現(xiàn)象陰極材料的影響根據(jù)流注理論，維持放電自持的是空間光電離，而不是陰極表面的電離過程，這可說明為何很大S

8、下?lián)舸╇妷汉完帢O材料基本無關(guān)了22流注理論現(xiàn)存的問題只有放電的定性描述沒有定量描述缺少數(shù)學(xué)模型太依賴于實驗23不均勻電場中的放電過程 （電暈放電）發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件電暈放電效應(yīng)對工程實踐的重要意義24電場不均勻系數(shù) f引入電場不均勻系數(shù) f 表示各種結(jié)構(gòu)的電場的均勻程度f 4，極不均勻電場251、發(fā)生電暈放電現(xiàn)象的條件電場比較均勻的情況 放電達到自持時， 在整個間隙中都巳達到相當(dāng)數(shù)值。這時和均勻電場中情況類似電場不均勻程度增加但仍比較均勻的情況 大曲率電極附近 達到足夠數(shù)值，間隙中很大一部分區(qū)域 也都已達相當(dāng)數(shù)值，流注一經(jīng)產(chǎn)生，隨即發(fā)展至貫通整個間隙，導(dǎo)致間隙完全擊穿 26電場極不均勻的情

9、況大曲率電極附近很小范圍內(nèi) 已達相當(dāng)數(shù)值時，間隙中大部分區(qū)域值 都仍然很小，放電達到自持放電后，間隙沒有擊穿！電暈放電是極不均勻場中的局部強場區(qū)的一種自持放電（過程）電場越不均勻，擊穿電壓和電暈起始電壓間的差別也越大稍不均勻場不能產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈！!（起暈電壓接近擊穿電壓）272、電暈放電的效應(yīng)發(fā)出咝咝的聲音、臭氧的氣味、電極附近空間藍色的暈光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)回路電流明顯增加(絕對值仍很小)，可以測量到能量損失產(chǎn)生高頻脈沖電流-干擾源2829高頻脈沖電流尖極為負的電暈 (a) 時間刻度T=125sA電暈電流平均值(c) 2A電暈電流平均值到一定值時，有規(guī)律的重復(fù)電流脈沖，平均電流為A升高脈沖幅

10、值基本不變，脈沖間隔增加，平均電流增大再升高，電暈電流為持續(xù)電流，平均值繼續(xù)增大繼續(xù)升高，出現(xiàn)不規(guī)則的電流脈沖，幅值大得多-流注型30尖極為正的電暈電壓達到一定值，電暈電流為無規(guī)律的重復(fù)電流脈沖電壓升高，脈沖特性愈來愈不顯著，電暈電流轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)電流電壓繼續(xù)升高，出現(xiàn)幅值大得多的不規(guī)則的流注型電暈電流脈沖31對工程實踐有重要意義不利影響 ：能量損失；放電脈沖 引起的高頻電磁波干擾；化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕作用等有利方面：電暈可削弱輸電線上雷電沖擊電壓波的幅值及陡度；利用電暈放電改善電場分布，提高擊穿電壓 ；利用電暈放電除塵等323 直流輸電線上的電暈單導(dǎo)線表面電暈的臨界場強適用導(dǎo)線與平行平面電極之間的

11、電暈放電皮克實驗：同心圓筒 33雙平行導(dǎo)線表面電暈的臨界場強 皮克實驗雙平行導(dǎo)線的起暈電壓比單導(dǎo)線的要低 原因：導(dǎo)線周圍空間電荷對電場的影響344 交流輸電線上的電暈單導(dǎo)線表面電暈的臨界場強 皮克實驗35三相導(dǎo)線對稱排列，導(dǎo)線表面電暈的臨界場強36不均勻電場中氣體擊穿的發(fā)展過程短間隙的放電過程長間隙的放電過程371、極不均勻電場中的放電過程（短間隙）非自持放電階段流注發(fā)展階段（自持）38以棒板間隙為例Eex外電場 Esp空間電荷的電場非自持放電階段(設(shè)外界因素產(chǎn)生了一個電子崩) 當(dāng)棒具有正極性時在棒極附近，積聚起正空間電荷，減少了緊貼棒極附近的電場，而略微加強了外部空間的電場，棒極附近難以造成

12、流注，使得自持放電、即電暈放電難以形成39當(dāng)棒具有負極性時Eex外電場 Esp空間電荷的電場電子崩中電子離開強電場區(qū)后，不再引起電離，正離子逐漸向棒極運動，在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，使電場畸變棒極附近的電場得到增強，因而自待放電條件就易于得到滿足、易于轉(zhuǎn)入流注而形成電暈放電40極性效應(yīng)實驗表明：棒板間隙中棒為正極性時電暈起始電壓比負極性時略高。41當(dāng)棒具有正極性時電子崩進入棒電極，正電荷留在棒尖加強了前方（板極方向）的電場（曲線2）電場的加強對形成流注發(fā)展有利。頭部前方產(chǎn)生新電子崩，吸引入流注頭部正電荷區(qū)內(nèi)，加強并延長流注通道流注及其頭部的正電荷使強電場區(qū)更向前移（曲線3），促進流

13、注通道進一步發(fā)展，逐漸向陰極推進，形成正流注流注發(fā)展階段42當(dāng)棒具有負極性時電子崩由強場區(qū)向弱場區(qū)發(fā)展，對電子崩發(fā)展不利。棒極前的正電荷區(qū)消弱了前方（陽極方向）空間的電場，使流注發(fā)展不利（曲線2） 等離子體層前方電場足夠強后，發(fā)展新電子崩，形成了大量二次電子崩，匯集起來后使得等離子體層向陽極推進，形成負流注43極性效應(yīng)實驗表明：棒板間隙中棒為負極性時起暈電壓比正極性時的低！棒板間隙中棒為負極性時擊穿電壓比正極性時高！在極不均勻場中（例如棒板間隙）先起暈后擊穿！在稍不均勻場中呢？先起暈先擊穿！44放電進一步發(fā)展外電壓較低時，流注通道深入間隙一段距離后，就停止不前了，形成電暈放電或刷狀放電外電壓足

14、夠高時，流注通道將一直達到另一電極，從而導(dǎo)致間隙完全擊穿 452、極不均勻電場中的放電過程（長間隙）非自持放電階段流注發(fā)展階段先導(dǎo)放電熱電離過程主放電階段46先導(dǎo)放電 流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子循通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過程這個具有熱電離過程的通道稱為先導(dǎo)通道正棒負板間隙中先導(dǎo)通道先導(dǎo)通道47先導(dǎo)放電 （）先導(dǎo)和其頭部的流注km（）流注頭部電子崩的形成（）由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注mn（）流注頭部電子崩的形成（）沿著先導(dǎo)和空氣間隙電場強度的分布正棒負板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展48正先導(dǎo)流注根部溫度升高熱電離過程先導(dǎo)通道電離加強，更為明

15、亮電導(dǎo)增大軸向場強更低發(fā)展速度更快長空氣間隙的平均擊穿場強遠低于短間隙！! 49負先導(dǎo)負棒正板，正空間電荷大大加強棒極附近原已很強的電場，該區(qū)域發(fā)生強烈的電離，高場強和大電流密度，使棒極附近產(chǎn)生熱電離，形成負先導(dǎo)負空間電荷在通道前端形成反向電場電場屏蔽，屏蔽減弱后，發(fā)展新負流注、新負先導(dǎo)，因此，負先導(dǎo)具有分級的特性前伸的平均速度是正先導(dǎo)的1/51/350迎面先導(dǎo)條件：上電極為正先導(dǎo)，下電極的幾何結(jié)構(gòu)能提供局部強場! 上電極為負先導(dǎo)，下電極的幾何結(jié)構(gòu)無特殊要求，平板、尖端雷電放電多為負先導(dǎo)，接地的建筑物上可產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo)，其影響到下行先導(dǎo)的發(fā)展路線及雷擊點51主放電當(dāng)先導(dǎo)通道頭部極為接近板極

16、時，間隙場強可達極大數(shù)值，引起強烈的電離，間隙中出現(xiàn)離子濃度遠大于先導(dǎo)通道的等離子體 新出現(xiàn)的通道大致具有極板的電位，在它與先導(dǎo)通道交界處保持極高的電場強度，繼續(xù)引起強烈的電離1 主放電通道2 主放電和先導(dǎo) 通道的交界區(qū)3 先導(dǎo)通道 主放電發(fā)展和通道中軸向電場強度分布圖52高場強區(qū)（強電離區(qū)）迅速向陽極傳播，強電離通道也迅速向前推進，這就是主放電過程主放電過程使貫穿兩電極間的先導(dǎo)通道最終成為溫度很高、電導(dǎo)很大、軸向電場很小的等離子體通道主放電532006年廣東一次多分叉自然閃電的高速攝像觀測54請看一個棒-板空氣間隙放電過程的視頻，注意觀察流注與先導(dǎo)和主放電！請看!55等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，

17、由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài) 。對于整個宇宙來講，幾乎999以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的。 普通氣體溫度升高時，氣體粒子的熱運動加劇，使粒子之間發(fā)生強烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當(dāng)溫度高達百萬開到1億開，所有氣體原子全部電離電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等。這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體。 等離子體簡介561.4 雷電放電雷電放電主要研究雷云對大地放電 表面空間電場強度2530kV/cm上行雷、下行雷90是負極性雷，即雷云流入大地電荷為負下行負極性雷分三個階段： 先導(dǎo)放電、主放電、余光放電雷電放電有后續(xù)分量，幾個到

18、十幾個571、雷電的先導(dǎo)過程下行負先導(dǎo)，先導(dǎo)過程逐級發(fā)展，平均速度約為（18）105m/s，延續(xù)約幾毫秒先導(dǎo)通道中電荷量平均為0.55C/km，平均電流為1501500A。其中高溫導(dǎo)電部分的直徑為mm級，軸向場強為幾百伏/厘米。（外圍電離區(qū)的半徑超過6m？?。┫葘?dǎo)中心根部（在云中）對地電勢約為50100MV；先導(dǎo)頭部的對地電勢約為2080MV58接地的建筑物上可產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo)，其影響到下行先導(dǎo)的發(fā)展路線及雷擊點高電導(dǎo)、高溫、具有極高（對地）電位的先導(dǎo)通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿，通道中有大量的與雷云同極性的電荷592、雷電的主放電過程先導(dǎo)頭部對地極大的電位差作用在剩余短間隙（流注）上，強

19、烈的電離： 電子迅速流入大地，形成雷電流的波前部分 正離子與先導(dǎo)通道中的負電荷中和主放電通道溫度達(23)104K，壓力初期達幾十個大氣壓，發(fā)展速度約為(0.050.5)c主放電過程中通道明亮，發(fā)出巨大的雷聲，產(chǎn)生幅值很大（幾十至幾百千安）、近百微秒（不超過50100s）的沖擊電流603、雷電的后續(xù)分量雷云中存在多個電荷聚集中心主放電后，臨近的電荷中心對第一電荷中心放電，并沿老通道繼續(xù)向地發(fā)展，形成后續(xù)分量電流幅值為第一分量的1/21/3，2100KA；電流波前時間平均為0.51s（陡度上升），電流波尾平均約為40s（較短）分量數(shù)多達1030個，平均34個，間隔時間約為幾十毫秒，平均約為406

20、5ms61雷電放電62雷電放電63作 業(yè)64雷電資料雷雨云雷電統(tǒng)計資料表明，在全球范圍內(nèi)每小時約有1800場雷雨，每秒鐘約有600次閃電，其中約100次雷擊大地。65雷電分直擊雷、電磁脈沖、球形雷、云閃四種。一道閃電的長度可能只有數(shù)千米，但最長可達數(shù)百千米。閃電的的平均電流是3萬安培，最大電流可達30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。閃電的溫度，從攝氏一萬七千度至二萬八千度不等，也就是等于太陽表面溫度(約為6000,中心約為1500萬度 )的35倍。千分之幾到十分之幾秒的雷電放出的電能，可達到數(shù)十億到上千億瓦特(雷暴)， 66實測表明，在510km的高度主要是正電荷的云層，在15k

21、m的高度主要是負電荷的云層，但在云層的底部也有一塊不大區(qū)域的正電荷聚集。雷云中的電荷分布很不均勻，往往形成多個電荷密集中心。每個電荷中心的電荷約為庫侖10庫侖，而一大塊雷云同極性的總電荷則可達數(shù)百庫侖。空間電場強度超過大氣游離放電的臨界電場強度（大氣中的電場強度約為30kV/cm，有水滴存在時約為10kV/cm）時，就會發(fā)生云間或?qū)Φ氐姆烹姟?7雷電放電是由帶電荷的雷云引起的。雷電以其巨大的破壞力給人類社會帶來了慘重的災(zāi)難，尤其是近幾年來，雷電災(zāi)害頻繁發(fā)生，對國民經(jīng)濟造成的危害日趨嚴重。雷害是世界公認的十大自然災(zāi)害之一。我國每年因雷災(zāi)帶來的直接經(jīng)濟損失達50100億元。 68超級閃電超級閃電指

22、的是那些威力比普通閃電大100多倍的稀有閃電。普通閃電產(chǎn)生的電力約為10億瓦特，而超級閃電產(chǎn)生的電力則至少有1000億瓦特，甚至可能達到萬億至100000億瓦特。 69紐芬蘭的鐘島在1978年曾受到一次超級閃電的襲擊，連13公里以外的房屋也被震得格格響，整個鄉(xiāng)村的門窗都噴出藍色火焰。 烏干達首都坎帕拉和印尼的爪哇島，是最易受到閃電襲擊的地方。據(jù)統(tǒng)計，爪哇島（zhaowa）有一年竟有300天發(fā)生閃電。而歷史上最猛烈的閃電，則是1975年襲擊津巴布韋鄉(xiāng)村烏姆塔里附近一幢小屋的那一次，當(dāng)時死了21人。 70雷電發(fā)生的頻度在美國，雷電每年會造成大約150人死亡和250人受傷。全世界每年有4000多人慘遭雷