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气体放电

更新时间:2016-01-19  来源:未知  有61人阅读

核心提示:一、何谓 气体放电 所谓气体放电实际上就是气体导电,笔者认为用气体导电一词更为确切,更易理解。另外,也有称它为气体电子学的。它是研究气体导电时的现象、规律、特性和应用的一门学科。

一、何谓“气体放电”
   所谓“气体放电”实际上就是“气体导电”,笔者认为用“气体导电”一词更为确切,更易理解。另外,也有称它为“气体电子学”的。它是研究气体导电时的现象、规律、特性和应用的一门学科。

   “气体导电”的现象很早就人们发现,最早可追溯导1752年富兰克林对雷电进行的实验研究。19世纪,人们发现气体导电的各种形式:1802年发现了电弧,不久又发现了“辉光放电”。

   由于“气体导电”在物理、化学以及工程上有较广泛的应用,例如气体放电光源就是它的一大应用,所以我们要研究它。另一方面,为了防止气体导电的发生,我们也要研究它,如在高压电力线路上,若发生电晕放电”的话,将造成电能的损耗。更严重的话,可以使大气被击穿而造成短路而跳闸,导致停电。又如为了减少雷地所造成的危害,要研究“雷电”的放电特征。
 
二、气体是如何导电的
   我们所指的“气体”,并非单指常温下的一般气体,也包括液体和固体的蒸汽。气体是多种多样的,有单原子的,也有分子的;有单元素组成的,也有多元素组成的,见表1列举了某些气(汽)体。
表1  某些气(汽)体
惰性气体 金属气体 基本气体 无机气(汽)体 有机气体
He
Ne
Ar
Kr
Ke
Li
Na
K
Rb
Cs
Hg
H
H2
N
N2
O
O2
O3
CI2
H2O
CO
CO2
NO
NO2
HCI
NH3
CH4
C2H4
C2H6
C6H6
CH3OH
C2H5OH
 
1.预备知识:原子结构、激发和电离
   原子由带正电的原子核和一定数量的带负电的电子所组成,电子分层(空间壳层)绕核运动,正、负电量相等,故呈中性。最外层的电子称为价电子,它与核的距离较远,故相互联系较弱。当原子接受外界能量时,价电子最易接受能量而跃迁至离核较远的外层上运动,这个过程称为原子的激发,此原子成为激发原子(或称受激原子),未受激发的原子称基态(或常态)原子。

   当原子接受外界的能量较大时,价电子有可能离开原子而成为自由电子(原子内层的电子称为束缚电子)。此时,原子就变成了一个带正电的离子(正离子)和一个带负电的电子,这个过程称为原子的电离。

   原子的内层电子也可能被激发和电离,不过所需的能量要比价电子的激发和电离更大。分子也可能发生类似的物理过程。

2.冷电极(阴极)的气体导电,击穿电压—巴邢(Paschen)定律
   若在密闭的管形容器中置两个金属平板电极,两电极间加以直流电压,负极称为阴极,正极称为阳极,管内充以气(汽)体,我们称此容器为放电管。那末要向:电极间有否电流流过?回答是:因为气(汽)体粒子是中性的,因此理论上说是没有电流;但是实际上有极微弱的电流。那么这个电流是甚样产生的呢?事实上,由于自然界总或多或少存在着某些射线,导致放电管内气体原子产生微弱的电离,称之为初始电离,通常,大气地面上大致有1000个/cm3——正离子对。这个数值虽说绝值不小,但是相对于大气粒子来说是极小的,因为大气的粒子数为109个/ cm3,放电管中的电流就是由这些电子和正离子产生的。因为电流很微弱,一般是测量不出来的。虽然这个电流很小,但是对气体导电,却起到关键的作用。若没有它的存在,气体就不能形成导电。此时,这个放电管可以认为是绝缘的,不导电的,或者说其内阻很大。但是随着电极间的电压增加,极间电场增强,由初始电离产生的电子、正离子在电场作用下获得能量,自身动能增大,当它们与气体粒子碰撞时,可以产生电离。再有当正离子,轰击阴极时,有可能轰击电离子,此电子又可在放电管中产生新的电离。综上分析可见:放电管的电流随电压的增加而增加,但是此时的电流还是比较小的,放电管的内阻还是比较大,还是认为绝缘的。

   只有当极间电压增大到某一数值时,气体间粒子被电离到一定程度后,电流突然一下增至较大值(此时测量仪表上有了指示值),即内阻突然降到较小值,原来绝缘的空间变成了导电空间,此时,我们称这个气体空间被击穿。这个情况可以理解为固体介质被击穿相类似,此时的电压称击穿电压(或称着火电压)。气体导电后,往往伴随着光的出现,光的来源于:受激原子回复到常态原子的发光和电子、正离子复合的发光。

   对于“气体导电”,无严格的定义。通常认为气体击穿后,气体是导电了。那末要向:击穿电压(Ub)的数值与哪些因素有关呢?1889年 巴邢(Paschen)通过测量击穿电压与极向距离和气体压强的关系时发现:在两个平行平板电板上加以直流电压后,在极间形成均匀电场,且在冷阴极的条件下,若板间距离为d,气体压强为P,则击穿电压Ub是(Pd)的函数,而不是P和d的单独函数。并且,改变(Pd)值时,Ub有一个极小的值Ubmin。后来,此规律称之谓巴邢(Paschen)定律。将他绘制成曲线,称巴邢曲线,它被大量的实验所证实,它是气体放电中的一个重要定律。见图1所示。该图使用的阴极材料是铁(Fe),对于不同的阴极材料,同样可以获得一组类似的曲线。由此可知,与击穿电压有关的因素是:阴极材料、气体种类和成分(混合气体)、气体压强(P)和极间距离(d)。

 
   必须注意的是:在引用巴邢定律或曲线时,必须符合的条件是: 冷阴板和均匀电场。笔者在查阅有关书、刊时发现:在讨论荧光灯中的击穿电压时引用巴邢定律,这是错误的。

   对于实用的放电管,冷阴极的情况是存在的;但是均匀电场的情况是不存在的。因此严格的讲,巴邢定律或巴邢曲线是不适用的,即Ub不是(Pd)的函数。但是,在不均匀电场下,Ub还是P或d的单独函数关系,而且Ub与P或d也有一条类似的下凹的曲线,即有一个最低值出现。

3.热电极(阴极)的气体导电
   在阴极被加热的情况下,阴极中的电子的能量随着阴极温度的增加而增大,一部分电子可以克服表面阻力而逸出,那末逸出的电子能否到达阳极而引成电流呢?这要看阴极前面有否由阳极电压产生的电场。因为逸出的电子如果不能及时被拉向阳极,那末电子在空间形成的空间电荷越多,它会影响阴极中的电子进一步逸出,由于电子空间电荷对阴极出来的电子有相斥作用。所以,在热阴极情况下,电流随阳极电压的增加而有所增加。另一方面,随着阳极电压的增加,这些逸出的电子在电场中获得的能量增大,即自身的动能增加,当它们在碰撞气体粒子(原子或分子)时,可以使气体粒子产生激发或电离。电离产生的电子跑向阳极,正离子跑向阴极,在阴极表面又复合成气体粒子,其结果是放电管中的电流增加了。再有,正离子也会形成空间电荷,而且因为正离子的质量要远远大于电子的质量,因此正离子空间电荷在空间停留的时间要大于电子空间电荷停留的时间,即空间电荷中,正离子占优势,它们产生的电场有利于阴极电子的逸出。

   综上所述,由于以上两个因素的作用,热阴极情况下,放电管的电流随电压的增加而增加。当电压增大到一定数值时,气体粒子被电离到一定程度时,电流会突然增加很多,这一现象类似于前面所说的冷阴极的情况,此时的电压,我们也称为击穿电压(着火电压)。但是,此击穿电压不符合巴邢定律(曲线)。然而,理论分析与实验证实,此击穿电压也是与P、d有关。此外,还与气体种类和成分(混合气体)以及阴极材料与温度有关。
 
三、气体导电的伏安特性
   所谓伏安特性就是指气体导电后,其电压与电流的相应关系。

   通常,在冷阴极情况下,若气压不是太高或太低时,可以出现两种放电形式:辉光放电与孤光放电。辉光放电又可以分为正常辉光放电和异常辉光放电,辉光放电时若电流进一步增大,则会进入孤光放电区域。在热阴极情况下,出现的是孤光放电。它们的伏安特性大致如图2所示。

   对于放电管(器件),为了控制电流在需要的某值或为了不让电流过大而烧坏器件,必须使用镇流器。
 
四、气体导电应用
   气体导电在各个领域中有着较广泛的应用:
   1.利用其光能-制成各种气体放电光源,如高压汞灯、荧光灯、高压或低压钠灯、金属卤化物灯,氙灯、无极荧光灯及微波硫灯等。还有可作为显示器件,如等离子显示屏和霓虹灯。以及气体激光器、如He-Ne激光器CO2激光器等。
   2.利用其热能—用于焊接,喷涂和切割。
   3.利用其物理特性—制备薄膜材料,如离子镀、磁控溅射镀膜。
   4.利用其化学特性—固体表面成膜(化学气相沉积)、固体表面的刻蚀,表面改性及材料的合成。
   5.利用其导电性能—制成电子器件,如气体放电开关管,用于防雷保护。
   6.高能物理方面的应用。
 
[编者按]:“气体放电”曾是高院校中有关专业的一门专业基础课,也曾作为其它相关课程中的部分内容,本文作者试图以很少的篇幅介绍气体放电的基本概念与要点,给读者有一个初步认识。如需要更多、更深入的了解,请查阅有关书籍[1 2 3]
 
参考文献
[1] 高树香 陆宗柱  气体导电  南京工学院出版社 1988.
[2] 胡志强 甄汉生  气体电子学  电子工业出版社 1985.
[3] 姚宗熙 郑德修 封学民   物理电子学  西安交通大学出版社1991.
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