汤生放电论文

汤生放电学习了气体放电的课程，了解了气体放电的条件及过程，下面就通过学习来介绍一下汤生放电，从而使自己加深对汤生放电的认识。此文包括四大部分：一、汤生放电过程二、汤生放电理论三、气体击穿的条件四、气体击穿的影响因素一、汤生放电过程气体放电过程应包括：启始放电和稳定放电。不同的工作条件将产生不同的气体放电现象，并具有不同的放电性质．在研究气体放电性质时，通常把放电分成两大类．一类是非自特放电，它是指存在外致电离源的条件下放电才能维持的现象．另一类是自持放电，它是指去掉外致电离源的条件下，放电仍能维持的现象．气体放电从非自持转变到自持过程称为气体的击穿过程；这种放电现象与理论由科学家汤生在上世纪初首先研究建立，故称为汤生放电！它一种描述低气压（约104帕以下）条件下气体击穿的理论。在极间电场足够大时，电子在电场中获得足够能量使气体粒子产生激发和电离，新生的电子和离子在电场作用下又获得能量产生激发和电离，以致电子向阳极运动过程中带电粒子浓度按指数规律增长，这种现象称电子雪崩或电子繁流。在这过程中所产生的正离子向阴极运动，又会使阴极产生二次电子发射，又增长了电子繁流过程，直至所产生的二次电子发射等于初始电子发射，此时即使撤离外致电离源也能维持放电，由此推得放电自持的条件是：γ(eαd-1)=1，其中γ是正离子轰击阴极的二次电子射系数，α是电子在电场方向运行单位距离所产生的电离数，即电离系数，d是极间距离。由此对气体放电中的启始放电和稳定放电就有了一定的了解。二、汤生放电理论气体放电过程应包括：启始放电和稳定放电。气体放电是如何形成的呢？英国物理学家汤生（J.S.Townsend）在1910年第一个提出了“雪崩”气体放电理论，适用范围是非自持暗放电区及过渡区；1931~1932年，罗果夫斯基在考虑了空间电荷使放电间隙中电场发生畸变，对汤生理论做了重要补充，使适用范围扩展到了自持暗放电和辉光放电区。所以人们通常把电子雪崩放电理论称为汤生--罗果夫斯基理论。下面介绍一下汤生的的实验，以方便我们对放电的认识1、著名的汤生实验在1901~1903年，汤生在斯托列托夫实验基础上，完成了著名的汤生实验。实验装置如图1。是由一个大直径放电室中的可调节极间距的平行平板电极系统组成。阳极板A为一块镀有导电膜的石英圆平板，即可以透射紫外光，有可以作为放电电极；阴极C为放电间隔可调节的金属圆平板，A、C组成了放电系统，放电间隔d可调节范围5~20mm。紫外光可以通过石英窗片P、A照射到阴极C上，使阴极C表面发射电子。气体压强P=13~665Pa，电源电压VD=0~400V。固定实验条件：P=101Pa，E=25kV/cm，只改变放电间隔d，得到了如图2的实验结果。从实验曲线可以看出：①放电电流I随放电间隔d的增大而呈指数增大，即Iln与d成线性关系；②当d→0时，单纯紫外线照射产生的光电流为I0。汤生根据实验结果建立了经验公式：kdeIIkdII00ln或③所加电场强度E与气压的比（E/P）值不同，k值的大小也不同，且kPE)/(。-Cd+AP图1汤生实验装置-汤生放电瓶I(×10-13A)108620012345d(cm)图2I随放电间隔d的变化曲线2、汤生电子雪崩理论的基本概念汤生对实验分析后，认为：电子在均匀电场的运动过程中，从外加电场获得能量，由低能电子变为高能电子，高能电子与气体粒子碰撞引起电离（eAAe2*）而损失能量。在平衡条件下，电子从电场中获得的能量等于碰撞损失的能量；新电子又从电场获得能量，进一步碰撞电离。这样初始的1个电子，在向阳极的运动过程中，从电场获得能量，与气体粒子碰撞电离，变成2个电子，这2个电子又获得能量，继续碰撞电离，变成4个电子，进而变成8个电子，16个电子…。电子越走越多，像雪崩一样增长，所以称为电子雪崩放电（电子繁流或电子浪）。电子雪崩放电示意图如图3所示。电子雪崩理论适用于电子在电场作用下定向运动占优势的情况。为了具体计算电子雪崩的规律，引入三个电离系数，来描述电离过程。①电子对气体的体电离系数：一个电子在从阴极向阳极方向运动过程中，经过单位距离（1cm），电子与气体粒子碰撞电离所产生的自由电子（或正离子）个数，或电子-离子对；②正离子对气体的体电离系数：一个正离子在从阳极向阴极方向运动过程中，单位距离（1cm）内，正离子与气体粒子发生碰撞电离的次数；③正离子的表面电离系数：一个正离子轰击阴极表面，使阴极表面逸出的次电子个数。只有当电子从电场中获得的能量大于气体原子的电离能时，才会发生碰撞电离。显然，电场强度eE,碰撞电离几率。通常正离子动能较小，所以正离子的体电离系数很小，一般忽略的作用。3、电子雪崩的计算阴极Cee阳极Aeeeeeeeeeehνeeeeeeeeeeeee图3电子雪崩放电示意图为了定量分析，将放电条件简化为：①带电粒子以定向运动为主；②忽略正离子的空间碰撞电过程（0）；③放电电极间为均匀电场（E=常数）。且不考虑空间光电离和电荷的空间复合及管壁复合效应。假设阴极C由于紫外光照射等原因，单位面积上发射有0n个电子，这样在距离阴极x处，单位面积的电子数为n，在dxx处，电子数为dnn。且认为电子的增加因素是碰撞电离，则有：dxndn即n个电子，在dx距离内发生了dn次碰撞电离。由边界条件：00nnx处，且为均匀电场（E=常数）。xdxenennx000这就是均匀电场情况下电子雪崩或电子繁流的增长规律。写成电子密度有：xejj0到达阳极的电子数：daenn0到达阳极的电子流密度daejj0因为在上述过程中，有0n个电子是由外界刺激阴极产生的，所以空间电子雪崩产生的电子数为：)1(00daennn那么同样也产生了)1(00daennn个正离子，这些正离子轰击阴极又会引起10den个次电子发射；后一时刻阴极发射的电子应包括紫外光照射引起的阴极光电子0n和正离子轰击阴极所引起的次电子发射。第一轮阴极发射的电子总数为：0n；D光nn+dnn0xx+dxx照阴极C阳极A图4电子空间增长示意图第二轮阴极发射的电子总数为：)1(001dennn；第三轮发射的电子总数为：22000102)1()1()1(dddenennennn；达到稳定状态后（即第n轮与第n+1轮阴极发射的电子数相等），取单位时间、单位阴极面积上发射的电子数为：)1(1)1(00dcdccennennn这样单位时间内到达阳极的电子数为：)1(10dddcaeenenn到达阳极的电子流密度为：)1(10ddaeejj上式表明在气体放电中，当电子的定向运动占主导地位的情况下，放电为电子雪崩放电过程。到达阳极的电子流密度aj要比阴极表面由外界引起的电子发射的电子流密度0j大几个量级，且0/,jjda。实际上测量的是电流I，以cI表示稳态情况下阴极发射的电流大小，则到达阳极的电流为：dcaeII与汤生实验结果kdaeII0符合的很好。若电子与气体的碰撞电离系数和正离子与气体的碰撞电离系数都不能忽略（0,0），由汤生电子雪崩理论推出到达阳极的电子流密度为：)1)(()1()()()(0ddaeejj汤生理论是否适用，主要是E/P值足够大，电子以定向运动为主。为了对电子雪崩放电有一个更清楚的理解，将电子增长过程列表于表1。表1电子雪崩放电中的电子增长过程循环到达阴极的正离子数阴极发射电子数电子与气体碰撞产生的带电粒子对到达阳极的电子数111dede21de)1(de2)1(deddee)1(32)1(de22)1(de32)1(deddee22)1(432)1(de33)1(de43)1(deddee33)1(三、气体击穿的条件当外加极间电压U增大到着火电压Ub时，气体放电就会从非自持放电过渡到自持放电，放电气体也就从绝缘状态转变为或强或弱的导电状态，这一过程就称为气体击穿过程。对应发生着火时所加极间电压Ub即为着火电压或击穿电压。也就是气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿性放电的现象。由此可以看出气体击穿的条件一定是在电场的作用下，原子中的电子从处在距原子核比较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道，如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一个现象就叫做电离。因而在电场作用下、发生碰撞、电离就是气体击穿的条件。四、气体击穿的影响因素从气体放电的V-A特性曲线（见图5.）可以看出：随着所加到两电极间的电压U从0逐渐增大，放电电流一直保持在10-12A量级，即气体绝缘状态---非自持放电。当U增大到UUbI图5V-A特性曲线Ub时，气体放电突然从非自持放电过渡到自持放电----气体击穿。此时很容易观察到气体放电的着火。气体放电由非自持放电向自持放电过渡所加的极间电压Ub就称为气体击穿电压或着火电压。气体在正常状态下是良好的绝缘介质，但当电极间电压超过某一数值时，气体会突然失去绝缘能力而发生放电，这一现象称为击穿。影响气体击穿电压的因素主要是电场分布形式、外加电压的波形和气体介质的状态、周围环境因素等。1.电场分布形式的影响在均匀电场中，空气的击穿场强约为30kV/cm。不均匀电场的击穿放电电压要比均匀电场小得多，而且还与电极的极性有关。实验证明，电场愈不均匀、愈不对称，则正极性击穿电压就愈低。2.电压波形的影响在电力系统中，气隙可能受到三种形式的电压作用，即工频电压、操作过电压和雷电过电压。电晕工频电压，其放电特性可近似为线性关系。冲击波的放电电压不仅与气隙形状、环境条件有关，还与冲击波的波形有关。3.气体状态的影响当气隙压力增加时，气隙的放电电压也增高。这个结论早在1889年就由巴申提出来了，称为巴申定律。高压断路器中有的采用压缩空气以提高气隙的绝缘强度就是这个道理。4.气体介质的影响不同气体介质的击穿强度是不同的。有些含卤族元素的气体，如六氟化硫（安利瓦斯）、二氯二氟化碳（氟里昂）、四氯化碳等，其击穿电压要比空气高许多倍，称为高强度气体。有关汤生放电的理论文章到此结束，由于时间的紧迫和学习的局限性，导致该论文可能有部分的错误或者不规范的地方，如果您发现的错误或者不规范的地方请予以改正，谢谢！