[科普中国]-气体导电

在通常情况下气体的自由电荷极少，是良好的绝缘体。但是由于某些原因气体中的分子发生了电离，它便可以导电，这种现象称为气体导电或气体放电1。

原理详细解释在通常情况下气体分子是电中性的，但在地面放射性元素的辐照以及紫外线和宇宙射线等的作用下，或多或少总有一些气体分子或原子被电离，即原来是电中性的气体分子或原子分离为一个电子和一个带正电的离子。此外，在有些灯管内，通电的灯丝也会发射电子。当在灯管两端的电极间加上一定的电压时，外加电压迫使这些电子和正离子各向阳极和阴极运动，不过此时灯管内的正离子和电子为数甚少，故所形成的电流十分微弱，在通常情况下可以忽略不计。但是，若灯管中的气体相当稀薄但不是真空，灯管两端电极上加的电压足够高，则电子在向阳极运动的过程中可以得到很大的动能，它们和中性气体相碰撞时，可以使中性分子电离，即所谓碰撞电离，即气体导电是电离，导电能力不是由具有固定特性的材料决定的。同时，在正离子向阴极运动时，由于以很大的速度撞到阴极上，还可能从阴极表面上打出电子来，这种现象称为二次电子发射。碰撞电离和二次电子发射使气体中在很短的时间内出现了大量的电子和正离子。在外电压作用下这些电子和正离子向相反的方向运动。气体中就有了电流通过。

自然现象雷雨时天空中的闪电就是空气被击穿形成的。

导电条件通常情况气体导电是在稀薄气体中发生。常压气体不易导电，在比较高的真空中因为电子和离子不易碰到中性粒子，故也不能发生气体电流。上述的气体电离导电均属自激放电。但只靠这种碰撞电离不能长久维持自激放电，因为碰撞产生的所有电子都要向阳极运动，到了阳极便停止了。要想长久地维持放电，必须使阴极不断地提供电子。一般阴极均装有能发射电子的灯丝。

分类被激导电为使两极之间的气体能够导电，可用外加手段使之电离。例如：用紫外线， X射线或各种放射性射线照射，或者用火焰将气体加热都可使气体电离。这些能使气体发生电离的物质统称电离剂。电离剂GV在电离剂的作用下，气体不断产生正负电子对，此过程为电离过程。产生的正负离子对相遇时重新结合为中性分子，此过程为复合过程。在外电场的作用下离子迁移到电极上，在那里与电极上的异号电荷中和。当电场增到足够大时，离子的定向速度很大，还未来得及复合就被E趋到电极上，达到饱和电流。在上述导电过程中，如果把电离剂撤除，气中的离子很快消失，电流中止。亦即导电过程必须靠电离剂来维持，故称为气体的被激导电。

自持导电当两极电压增加到某一数值后，气体中的电流突然加剧，这是即时撤去电离剂导电过程仍能维持。这种情形称为气体的自持导电。当气体由被激导电过渡到自持导电时，我们说气体被击穿（或点燃），使气体击穿的电压为击穿电压。自持导电中参与导电的带电粒子其来源有以下几种正负离子在电场中已获得相当大的动能，致使他们的各种碰撞过程足以产生新的离子。主要是电子与中性分子的碰撞，使后者电离，这样的过程链锁式地发展下去，形成簇射。获得较大动能的正离子轰击阴极，产生了二次电子发射。当气体中电流密度很大时，还会使阴极温度升高而产生热电子发射。自持导电因条件不同，采取辉光放电，弧光放电，火花放电，电晕放电等不同的形式。

辉光放电低压气体中显示辉光的气体放电现象。在置有板状电极的玻璃管内充入低压气体或蒸气，当两极间电压较高时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强度较小，温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯，日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。

弧光放电弧光放电伴有强烈的弧光并产生高温的一种气体放电。如在大气中先把两个电源为10V电压的两极相接触，然后慢慢拉开，即可产生弧光放电。其特点是极间电阻小，电压不高，电流却很强。当电流增大时，两极间电压则下降，并能发出强烈的光和热。电弧可作为强光源如弧光灯，或强热源如电弧炉。

火花放电由于空气或其他电介质材料突然被击穿，引起带有瞬间闪光的短期放电现象。由于空气被击穿后突然由绝缘体变成导体，电流将迅速增大。火花放电常伴有爆裂声并具有间歇性。雷电就是自然界中大规模的火花放电现象。在其他条件不变时，引起火花放电的击穿电压完全取决于电极形状及其间距离。

电晕放电_在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。

电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别，这主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。在直流电压作用下，负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中，当电子引起碰撞电离后，电子被驱往远离尖端电极的空间，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子。

电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。此后又重复开始下一个电离及带电粒子运动过程。如此循环，以致出现许多脉冲形式的电晕电流，电晕放电可以在大气压下工作，但需要足够高的电压以增加电晕部位的电场。利用电晕放电可以进行静电除尘，污水处理，空气净化等。地面上的树木等尖端物体在大地电场作用下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋表面溅射水滴上出现的电晕放电可促进海洋中有机物的生成，还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸的有效放电形式之一。

极光是由太阳辐射的带电粒子沿地磁场线沉降到极地上空引起的电晕放电。

应用常见的气体放电灯，如日光灯、霓虹灯、高压汞灯、氙灯等的灯管中都充有一定量的气体，当两端加上一定电压时，在气体中就有电流流过。在常压下的气体是不易导电的，像空气就是很好的绝缘物质，一般情况下是不导电的。使这些气体由不导电变为导电的过程称为气体击穿。

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石季英 - 副教授 - 天津大学