子，此电子到达阳极表面时由于 过程，电子总数
增至 ed 个。因在对 系数进行讨论时已假设每次电 离撞出一个正离子，故电极空间共有（ ed －1）个
d 正离子。由系数 的定义，此（ e－ 1）个正离子
在到达阴极表面时可撞出 （ed －1）个新电子，这 些电子在电极空间的碰撞电离同样又能产生更多的 正离子，如此循环下去。
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电子崩的演示
图1－4 电子崩的示意图
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪
崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电 子崩。 为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入： 电子碰撞电离系数 。
:
表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完
成的碰撞电离次数平均值。
如图1-5为平板电极气 隙，板内电场均匀，设外 界电离因子每秒钟使阴极 表面发射出来的初始电子 数为n0。 由于碰撞电离和电子 崩的结果，在它们到达x处 时，电子数已增加为n，这 n个电子在dx的距离中又会 产生dn个新电子。
1、气体中电子与正离子的产生
电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和 正离子的过程。电离可一次完成，也可以是先激励 再电离的分级电离方式。
电离方式可分为 ： 热电离、
光电离、 碰撞电离、 分级电离
（1）热电离
常温下，气体分子发生热电离的概率极小。
气体中发生电离的分子数与总分子数的比值x称为
该气体的电离度。 下图为不同温度下空气和 SF6 气体的热电离程度。
带电质点的复合 复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可
能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。
复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子
复合，其结果是产生一个中性分子；
复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为 离子复合，其结果是产生两个中性分子。
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1.1.3 电子崩与汤逊理论
气体放电现象与规律因气体的种类、气压和
自持放电条件为
(e 1) 1
d
(1-21)
：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的 二次电子数
：电子碰撞电离系数
d ：两极板距离
此条件物理概念十分清楚，即一个电子在自己进
入阳极后可以由及 过程在阴极上又产生一个新的替
身，从而无需外电离因素放电即可继续进行下去。
（2）汤逊放电理论的适用范围
na n0e
d
(1-10)
途中新增加的电子数或正离子数应为：
n na n0 n0 (e 1)
即得电流关系式：
d
(1-11)
将式(1-10)的等号两侧乘以电子的电荷 qe，
I I 0e
I0 式(1-12)中， n0 qe
d
(1-12)
式(1-12) I I 0ed 表明：虽然电子崩电流按指 数规律随极间距离d而增大，但这时放电还不能自 持，因为一旦除去外界电离因子(令 I 0 0 )，即 I 变为零。
（1） 过程与自持放电条件
由于阴极材料的表面逸出功比气体分子的电离能
小很多，因而正离子碰撞阴极较易使阴极释放出电
子。此外正负离子复合时，以及分子由激励态跃迁 回正常态时，所产生的光子到达阴极表面都将引起
为此引入系数。 阴极表面电离，统称为 过程。
设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电
本节内容：
1.1.1 带电质点的产生
1.1.2 带电质点的消失 1.1.3 电子崩与汤逊理论 1.1.4 巴申定律与适用范围 1.1.5 气体放电的流注理论 1.1.6 不均匀电场中的气体放电
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1.1.1 带电质点的产生
气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。 由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生 微弱的电离而产生少量的带电质点。 正常状态下气体的电导很小，空气还是性能 优良的绝缘体； 在出现大量带电质点的情况下，气体才会丧 失绝缘性能。
电子或离子在电场作用下加速所获得的动能
1 2 mv eEx 2
(1-3)
高速运动的质点与中性的原子或分子碰 撞时，如原子或分子获得的能量等于或大于 其电离能，则会生电离。 因此，电离条件为
eEx Wi
式中：
(1-4)
e ：电子的电荷量；
E ：外电场强度； x ：电子移动的距离
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
（2）在I-U曲线的B、C点： 电压升高至 U B 时，电流又开始 增大，这是由于电子碰撞电离 引起的，因为此时电子在电场 作用下已积累起足以引起碰撞 电离的动能。电压继续升高至 U 0 时，电流急剧上升，说明放 电过程又进入了一个新的阶段。 此时气隙转入良好的导电状态， 即气体发生了击穿。
时，可检测到微小的电流。
由图1-3可见， （1）在I-U曲线的OA段： 气隙电流随外施电压的提高而 增大，这是因为带电质点向电 极运动的速度加快导致复合率 减小。当电压接近 U A 时，电流 趋于饱和，因为此时由外电离 因素产生的带电质点全部进入 电极，所以电流值仅取决于外 电离因素的强弱而与电压无关
碰撞引起电离的条件是x≥Ui/E，因此，碰撞引起 电离的概率为 eU E 。所以，电子碰撞电离系数α的表 达式为：
i

1

e
U i E
(1-14)
电子的平均自由长度 与气温 T 成正比、与气压 p 成反比，即：
T p
(1-15)
当气温 T 不变时，式(1-14)即可改写为：
Ape
汤逊理论是在低气压、pd较小的条件下在放电
实验的基础上建立的。pd过小或过大，放电机理将
出现变化，汤逊理论就不再适用了。 pd过小时，气压极低( d过小在实际上是不可能
的)， 远大于 d ，碰撞电离来不及发生， d / 过小， 击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压U上升到一 定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离 理论不再适用，击穿电压将不再增加。
为使碰撞能导致电离，质点在碰撞前必须
经过的距离为：
Wi U i xi qe E E
(1-4)
式中 U i为气体的电离电位，在数值上与以eV为 单位的Wi相等
xi 的大小取决于场强E，增大气体中的场
强将使 xi 值减少。可见提高外加电压将使碰撞 电离的概率和强度增大。
（4）分级电离
电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的 外层轨道，称之为激励，其所需能量为激励能We。 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分 级电离，此时所需能量为 Wi-We。当逸出功 <<电离 能时，阴极表面电离可在下列情况下发生： 正离子撞击阴极表面 光电子发射 强场发射 热电子发射
带电质点的消失可能有以下几种情况：
带电质点受电场力的作用流入电极
；
带电质点因扩散而逸出气体放电空间； 带电质点的复合。
带电质点受电场力的作用流入电极
带电质点在与气体分子碰撞后虽会发生散射，但从宏观看 是向电极方向作定向运动。在一定电场强度E下，带电质点运 动的平均速度将达到某个稳定值。这个平均速度称为带电质点 的迁移速度。
电现象，具有较高的电气强度。
2、汤逊理论
前述已知，只有电子崩过程是不会发生自持放
电的。要达到自持放电的条件，必须在气隙内初始
电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外
电离因素产生的初始电子。
实验现象表明，二次电子的产生机制与气压和
气隙长度的乘积（pd ）有关。 pd 值较小时自持放电 的条件可用汤逊理论来说明； pd 值较大时则要用流 注理论来解释。
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
（3）在I-U曲线的BC段： 虽然电流增长很快，但电 流值仍很小，一般在微安 级，且此时气体中的电流 仍要靠外电离因素来维持， 一旦去除外电离因素，气 隙电流将消失。
U0
图1－3 气体间隙中电流与外施电 压的关系
因此，外施电压小于 U 0 时的放电是非自 持放电。电压达到 U 0 后，电流剧增，且此时 间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再
图1－5 计算间隙中电子数增长的示意图
根据碰撞电离系数 的定义，可得：
d n nd x
分离变量并积分之，可得：
dx 0 n n0e
x
(1-7)
(1-8)
对于均匀电场来说，气隙中各点的电场强度相
同， 值不随x而变化，所以上式可写成：
n n0e
x
(1-9)
抵达阳极的电子数应为：
图1-1 不同温度下空气和气体的热电离程度
（2）光电离
当满足以下条件时，产生光电离
hc Wi
(1-2)
式中：
：光的波长； c ：光速； Wi ：气体的电离能
光子来源

外界高能辐射线
气体放电本身
（3）碰撞电离
1 2 （ mv ）与质点电荷量(e)、电场强度（ E ）以 2 及碰撞前的行程( x )有关．即
间隙中电场的均匀度而异。
但气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到 电子崩的阶段。
1、放电的电子崩阶段 （1）非自持放电和自持放电的不同特点
宇宙射线和放射性物质的射线会使气体发生
微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面、负
带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓
度的带电质点。因此，在气隙的电极间施加电压
第一章 气体的绝缘特性与介质的 电气强度
研究气体放电的目的： 了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介 质演变成导体的物理过程 掌握气体介质的电气强度及其提高方法
本章内容
1.1 气体放电的基本物理过程
1.2 气体介质的电气强度
1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电
1.1 气体放电的基本物理过程
vb bE
b —— 带电质点在电 场中的迁移率，即单 位场强下的运动速度。