放电现象是如何产生的？

放电的本质是电极之间的空气被击穿，也包括雷雨云之间的这里有许多知识。我写过N多与放电有关的帖子和文章，本次就不链接了，和大家一起定性地探讨一番。

1.认识气体放电管的原理和电弧实验装置

我们首先看大学电器学实验室里测量气体放电实验装置的原理图，如下：

再看看测量电弧的实验设备原理图：

图1和图2就是实验室中测量气体放电和电弧现象的原理图及设备。

2.有关气体放电的几个知识点

第一个知识点：关于表面发射

金属电极表面在某些情况下，能够发射电子进入放电间隙。按照发射电子的原因，又可以分为：

（1）热发射：当金属的温度升高时，其表面的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出。一个电子逸出金属表面所需的能量叫做逸出功，用Wy表示，单位是电子伏特。

热发射最大电流密度取决于金属材料的沸点。沸点越高，热发射最大电流密度越大。对于难熔金属（如钨），可达几千安每平方厘米，而对于易熔金属（如铜、银），则不超过1安每平方厘米。

（2）场致发射（高电场发射）：当金属表面存在较高的电场强度（大于 ${10}^{6}V/cm$10^6 V/cm10^6 V/cm ）时，金屑表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒（所谓的隧道效应），逸出金属，这种现象叫做场致发射，也称为高电场发射。

（3）光发射：当光线和射线照到金属表面时，引起电子逸出的现象。光波越短，引起的光发射作用越强，并且从金属表面逸出的电子速度越快。波长较长的光量子，虽然能量不足以直接引起电子发射，但是却能够被金属吸收，改变金属中自由电子的运动速度，使动能超过逸出功的电子逸出金属。

（4）二次发射：当正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子、负离子以很高的速度撞击阳极时，都可能引起金属电极表面发射电子，这种现象称为二次发射。在气压较高的放电间隙，通常阴极附近比阳极附近的电场强度高，所以，阴极表面二次发射较强。二次发射在气体放电过程中起着重要作用。

第二个知识点：空间电离

电极间气体自身由绝缘状态变成导电状态（不是由外界送入带电粒子）的现象，叫做空间电离。按照电离的原因，可分为以下三种：

（1）光电离：中性粒子受到频率为 $\nu$\nu\nu 的光照射时，如果满足条件 $h\nu \ge W_{yl}$h\nu\geq W_{yl}h\nu\geq W_{yl} ，这里的h是普朗克常数，Wyl是中性粒子的电离能，则可能被电离，这一现象叫做光电离。

光的频率越高（即波长越短），电离作用越强。所以X射线，α、β、γ、宇宙射线和紫外线都有较强的电离作用，而可见光几乎不引起气体电离。

（2）电场电离（碰撞电离）：设有一个质量为m的带电粒子，在电场作用下被加速，速度为v，于是具有动能为 $\frac{1}{2}m{v}^2$\frac{1}{2}mv^2\frac{1}{2}mv^2 ，如果 W_{yl}">$\frac{1}{2}m{v}^2>W_{yl}$\frac{1}{2}mv^2>W_{yl}\frac{1}{2}mv^2>W_{yl} ，则当它在前进过程中撞到另一中性粒子时，就可能使之电离。

电极间气体中进行电场电离的电子来源于金属表面的电子发射以及光电离。电场电离发生后，气体中的电子数迅速增多，为进一步加剧电场电离创造了有利条件。

动能超过电离能的电子，不是每次碰撞中性粒子后都有可能产生碰撞电离，而是存在一定的概率。电离概率的大小由粒子动能和两个粒子（带电粒子和中性粒子）电磁场相互作用的时间决定。动能较小的电子，也可能通过碰撞使中性粒子先处于激励状恋，然后再受到另一电子或其他粒子的碰撞而电离。通常情况下碰撞发生电离或激励的概率比较低，另外电子碰撞中性粒子后，有时既不使之电离也不使之激励，而是附着在上面构成负离子，这种现象叫做粘合。

（3）热电离：气体粒子由于高速热运动相互碰撞而产生电离。

在室温下，产生热电离的可能性极小。当温度高达3000 - 4000K以上时，气体的热电离才显著起来。温度越高，气体的热电离度就越高。另外，金属蒸气的电离能比一般气体小很多，所以在相同温度下，金属蒸气的电离度大于空气。

3.气体放电原理

现在我们来探讨放电的原理，如下：

我们看图4左侧电路图，实际上此线路被A与B之间的气体间隙给隔断了，按道理线路中不会有电流流过。但我们在实际实验中，发现有很微小的电流，其原因就是间隙气体中极微量的电离气体粒子。

现在我们逐渐增大电源电动势E，然后逐渐减小可变电阻Rw，以增大流过间隙的电流，电极A、电极B两端的电压与流过间隙的电流之间的关系称之为气体放电间隙的伏安特性，其伏安特性可以分为自持放电阶段和非自持放电阶段。

（1）0A区域

在0A区域，外加电压非常低，间隙中电场强度很小，外加电离因素（如各种光线、射线作用）产生的带电粒子数不能够全部到达阳极，电流随着电压的增加而增加。

（2）AB区域

间隙中的电场强度仍然很小，不足以产生电场电离和电场发射，间隙中的带电粒子还是由外部的电离因素产生，带电粒子数目较少，当电压超过A点时，间隙中的带电粒子可以全部到达阳极，对外所呈现的是间隙中电流大小与电压无关的特点。

为何如此？这与宇宙射线有关。在一定的海拔高度，宇宙射线强度的平均值是固定的。在宇宙射线的轰击下，间隙中电离带电离子的数量也是固定的，故尽管间隙两端的电压降在增加，但电流变化却很小，几乎固定不变。

如果我们用某种方法把宇宙射线屏蔽掉，则此电流就消失了，可见，这种电流是不能自持的。

（3）BC区域

我们继续调高电压。我们知道，电场强度E等于电压U与间隙宽度d之比，即E=U/d。在BC区，由于间隙两端的电压较大，间隙中的电场强度较大，在电场的作用下，电场发射和电场电离已经产生，随着电压的升高电流增加。

（4）C点的击穿电压，0-A-B-C区域叫做非自持放电区域

当电压升到C点时，由于高电场和二次电子发射产生的电子数足够多，气体被击穿，C点所对应的电压称之为击穿电压Uj。C点附近的BD区域，由于汤逊( Townsend)最早对此进行研究，又称为汤逊放电区。

从0到C的特点是此阶段中的带电粒子是由于外界的电离因素产生的，若降低外界产生的电离因素，则放电强度会减弱。

从C开始到F的放电阶段，被称为自持放电阶段(CDEF)，其特点是不依赖外界电离条件，仅有外施电压作用即可以维持的气体放电。

（5）DE区域：气体呈现辉光，称为辉光放电区域

间隙中气体电离方式主要为电场电离，放电通道温度为常温，电流密度较小（约为0. 1A/m2），阴极压降较高，可达200V左右。

DE区域是电光源的重要应用区域。例如日光灯，其灯管就工作在此辉光区域。

（6）EF区域：放电形式转为弧光放电，也即电弧

放电通道产生明显的边界，通道中温度极高，可达6000K以上。放电通道的电流密度可达 ${10}^{7}A/m^2$10^7A/m^210^7A/m^2 数量级，阴极压降小，大约为10V左右，电离方式主要为热电离。

再次说明：通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电。

4.电弧放电伏安特性的特征——负阻特性

我们看下图：

图7是普通电阻的伏安特性曲线，我们看到它是一条过原点且向右上方伸展的斜线。因为

0">$R=\frac{U_2?U_1}{I_2?I_1}>0$R=\frac{U_2-U_1}{I_2-I_1}>0R=\frac{U_2-U_1}{I_2-I_1}>0 ，故普通电阻具有正阻特性。

我们再来看看直流电弧的伏安特性曲线，如下：

图8中的红色曲线就是直流电弧的伏安特性曲线。当电流强度越大，电弧的温度就越高，电弧的等效电阻就越低，电弧的电压也就越低，故电弧伏安特性是从左往右向下倾斜的弧线。因为电弧等效电阻 $R_h=\frac{U_{h2}?U_{h1}}{I_{h2}?I_{h1}}<0$R_h=\frac{U_{h2}-U_{h1}}{I_{h2}-I_{h1}}<0R_h=\frac{U_{h2}-U_{h1}}{I_{h2}-I_{h1}}<0 ，故电弧具有负阻特性。

我们再看交流电弧的伏安特性曲线：

图9的1图是电路图，2图是电压和电流的波形图，3图是交流电弧的伏安特性曲线，4图是交流电弧电压Uh的波形图。

我们注意看图9的3图，在第一象限A点之左侧，弧隙气体在电流过零后熄灭，弧隙气体需要再次击穿并起弧，我们看到0到A之间的气体放电具有正阻特性，A点被击穿。击穿后电弧温度迅速增加，电弧电阻迅速下降，气体放电呈现负阻特性。在B点电弧电流开始下降，故电弧温度亦开始下降，但电弧依然呈现负阻特性，发展方向是从B至C。在C点电流很小了，电弧无法维持而熄灭，之后气体放电进入降温状态，气体开始复合，其曲线亦呈现正阻特性。

我们把A点的间隙击穿电压叫做燃弧尖峰Urh，把C点的电弧熄灭电压叫做熄弧尖峰Uxh。由于燃弧瞬间的电弧温度低于熄弧瞬间的电弧温度，根据电弧的伏安特性特点，故知燃弧尖峰Urh>Uxh。另外，当电弧起燃后其温度相对稳定，故其电压曲线是一条向右方略微倾斜的水平线。

我们看下图：

图10中我们看到了交流电弧的波形，看到了燃弧尖峰Urh和熄弧尖峰Uxh，以及两个尖峰之间的电弧电压曲线。

图10和图9有何关系？说明了电弧放电的何种特性？我把问题留给知友们和题主吧。

最后，我们看看感性负载下的交流电弧波形图：

我们注意到图11电压u的波形相角超前电流i的波形近90°，故知是感性负载。

图11中蓝色区域就是交流电弧的波形。我们把熄弧尖峰与燃弧尖峰之间的时间段叫做零休时刻，它是熄灭电弧的最好时机。我们注意到在第三次过零后电弧熄灭（实际电弧熄灭前远不止三次过零），并且在放电电压曲线上叠加了LC振荡波形。我们注意到零休期间介质恢复强度是Ujf，而电压恢复强度是Uhf，故知交流电弧熄灭的必要条件是：

U_{fh}">$U_{jf}>U_{fh}$U_{jf}>U_{fh}U_{jf}>U_{fh} 。

这个式子很重要，它是熄灭交流电弧的理论基础。

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