气体放电中的静电现象

●要点提示：

绝缘介质被击穿，放出电荷能量变。

均匀电场两典型：辉光、弧光泄静电。

气体放电伏安性，火花、电晕和刷形。

影响因素有多种，电压、湿度各不同。

电极形状有影响，棒状电极曲线图。

●实用技术：

静电的放电实际上就是电压较高、能量较小、在常温常压下的绝缘介质被击穿的过程。静电放电按照放电电场的不同，分为均匀电场放电和非均匀电场放电。下面以气体放电为例进行介绍。

1.均匀电场的放电

在均匀电场的放电过程中，存在辉光放电和弧光放电两种典型形式。

研究发现，在约为1mmHg（1mmHg=133.322Pa）的大气压下，在一只玻璃管的两端装上两个电极，在电极上加上几百伏的电压，就很容易观察到弧光放电的现象。气体在玻璃管中的放电可以分为四个光区（见图2-16）：

第一暗区——阴极附近的弱光区；

第二暗区——法拉第暗区（弱光区）；

阴电辉光区（简称阴电辉区）；

强阳电辉光区（简称阳电辉区）。

图2-16 辉光放电示意图

1—阳电辉区 2—第二暗区 3—阴电辉区 4—第一暗区

图2-17 沿放电管的电位降落示意图

但是沿放电管的电位降落不是沿管均匀发生的。如图2-17所示，绝大部分电位降落发生在第一暗区，也就是所谓的阴极电位降落；以后沿着整个管子的电位降落都十分微小（大约是1～2V/cm）；仅在阳极附近才又观察到新的电位跃变，即阳极电位降落。

阴极电位降落的大小主要取决于阴极的材料和气体的性质。在电流密度小的情形下，阴电辉光区仅覆盖着阴极表面的一部分。在这种情况下，阴极电位降落的大小与电流大小和气体的压强几乎没有关系；这时，这个阴极电位降落的值，叫做正常阴极电位降。对于不同的阴极材料和不同的气体，正常阴极电位降的值可以参考表2-4中的数值。

表2-4 正常阴极电位降（单位：V）

当电流增加时，为辉光所覆盖的阴极面积也成正比地增加，所以这时阴极表面的电流密度保持不变。当整个阴极全部被辉光覆盖后，电流继续增加时阴极电位降也随着增加。另外，在强电流的情况下，阴极发热，这时甚至能够观察到所谓下倾的特性曲线：电极上的电位差随着通过管子的电流的增加而减小。为了使放电开始，电位差必须稍大于阴极电位降。

从中我们可以看出，将足够的电位差加到电极上时，管子里产生电场，电场将使原来存在于气体中的自由电子和离子（即使是少量的）被加速。被加速的电子在运动过程中使气体原子发生碰撞电离而产生新的离子，致使电流激烈增大。接着阴极电位降起着极其重要的作用，阴极电位降是集中在几乎与电子自由程同数量级的这一小空间里，电子在这里得到足以使其碰撞的能量。在这同一区域里，正离子沿着指向阴极的方向被加速，这些正离子与阴极相碰时从阴极表面击出新的电子，这些新电子的出现，又大大地增强了气体的导电性。

弧光放电是均匀电场下两个通电电极（最常用的是碳电极）接触后立即分开，两极间即可产生弧光放电。放电时两电极在30～40V的电压下燃烧，电流可高达几十安，两个电极在放电过程中温度可高达几千摄氏度。在大气压强下阳极温度更高，以致在阳极上形成一个凹陷的坑。经进一步试验后发现，弧光放电所必须的是，在阴极上只要有炽热的一点作为电子源就行了，而阳极甚至可以是冷的。

2.非均匀电场的放电

静电放电通常是在非均匀电场中进行的，非均匀电场中的静电放电通常包括如下三种类型：

（1）火花放电(www.xing528.com)

就是指放电通道集中的火花放电，也就是电极上有明显放电集中点的火花放电。火花放电会发出明亮的闪光和短促的爆裂声。在易燃易爆的场所，火花放电具有很大的危险性。图2-18所示为火花放电。

图2-18 非均匀电场静电放电的火花放电示意图

（2）电晕放电

这是自击放电的一种。它是在较大压强下，由于两个电极的表面曲率半径很小，放电间隙中的电场是很不均匀的。气体的电离和发光是在电极附近很窄的一层内发生的；在气体的其他部分，导电是由于两种离子运动的结果。在黑暗中电晕放电会有淡紫色的光芒，并伴有“嘶嘶”声。图2-19所示便是电晕放电的示意图。

（3）刷形放电

这是火花放电的一种，其放电通道有很多分支，并且伴有声光。由于绝缘体束缚电荷的能力很强，其表面容易出现刷形放电，如图2-20所示。

图2-19 非均匀电场静电放电的电晕放电示意图

图2-20 非均匀电场静电放电的刷形放电示意图

综上所述，电晕放电能量较小，危险性较小；刷形放电有一定危险性，有时也能引燃；而火花放电能量较大，因而危险性也最大。绝缘体带有静电时，较易发生刷形放电，也可能发生火花放电。金属电极之间或对地容易发生火花放电。

3.影响气体放电的因素

（1）电压作用时间的影响

一般说来，外加电压持续时间越短，放电电压就越高。

（2）气体的压强或温度对放电的影响

当气体的温度升高或压强降低时，分子的密度就会降低，这样电子的平均自由程就会变大，电子的动能也就变大了，相应的电晕放电和击穿电压都有所降低。图2-21中列出了几种气体击穿电压随气压的变化而变化的曲线。

（3）湿度的影响

当湿度增加时，电子与水汽碰撞后，可能形成不易运动的负离子，因而击穿电压也就升高了。

图2-21 甲烷等气体击穿的电压变化

1—甲烷 2—乙烷 3—丙烷 4—丁烷 5—异丁烷 6—氮气

（4）电极的形状和极性对击穿电压的影响

研究发现，当电极末端的曲率半径越小时，其击穿场强越低，也就是越容易放电。当电极呈正电时，击穿电压较低。若是电极带负电，尖端附近因电晕产生的电子会很快地向远离负极的方向流散；正离子却不容易很快地吸向负电极而中和，这样就可能影响电晕放电的发展，使击穿放电比较困难。图2-22和图2-23分别给出了30°锥尖电极和端部为半圆形的棒状电极对平板电极的放电曲线。

图2-22 30°锥尖电极对平板 电极的放电示意图

图2-23 φ2mm半圆形棒状电极对平板电极的放电示意图