自持放電，電暈放電，輝光放電，電弧放電的區別

2024-12-16

什么是自持放電:
不依賴外界電離條件，僅由外施電壓作用即可維持的，一種氣體放電類型，與它并列的是非自持放電。氣體放電的形成需要具備兩個基本條件，一是外施電壓，它使電極間隙的空間范圍內呈現一定強度的電場；二是外界電離因素，它在電極間隙中形成初始帶電粒子。外界電離因素有多種方式，例如，天然輻射或人工光源照射會使空間出現帶電粒子。當外加電壓較低時，只有由外界電離因素所造成的帶電粒子在電場中運動而形成氣體放電電流，一旦外界電離作用停止，氣體放電現象即隨之中斷，這種放電稱為非自持放電。當外加電壓逐漸升高后，氣體中的放電過程發生轉變，此時若去掉外界激離因素, 放電仍繼續發展。
什么是電暈放電(corona discharge)
氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電。是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很大的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離和激勵，因而出現電暈放電。發生電暈時在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對穩定的放電形式，也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期發展階段。
電暈放電的形成機制因尖端電極的極性不同而有區別，這主要是由于電暈放電時空間電荷的積累和分布狀況不同所造成的。在直流電壓作用下，負極性電暈或正極性電暈均在尖端電極附近聚集起空間電荷。在負極性電暈中，當電子引起碰撞電離后，電子被驅往遠離尖端電極的空間, 并形成負離子, 在靠近電極表面則聚集起正離子。電場繼續加強時，正離子被吸進電極，此時出現一脈沖電暈電流，負離子則擴散到間隙空間。此后又重復開始下一個電離及帶電粒子運動過程。如此循環，以致出現許多脈沖形式的電暈電流。電暈電流這一現象是G.W. 特里切爾于1938年發現的，稱為特里切爾脈沖。若電壓繼續升高, 電暈電流的脈沖頻率增加、幅值增大, 轉變為負輝光放電。電壓再升高，出現負流注放電（見流注理論），因其形狀又稱羽狀放電或稱刷狀放電。當負流注放電得以繼續發展到對面電極時，即導致火花放電，使整個間隙擊穿。正極性電暈在尖端電極附近也分布著正離子，但不斷被推斥向間隙空間，而電子則被吸進電極, 同樣形成重復脈沖式電暈電流。電壓繼續升高時, 出現流注放電，并可導致間隙擊穿。
工頻交流電暈在正、負半周內其放電過程與直流正、負電暈基本相同。工頻電暈電流與電壓同相，反映出電暈功率損耗。工程應用中還常以外施電壓與電暈電荷量的關系表示電暈特性，稱為電暈的伏庫特性。
架空輸電線路導線電暈起始電場強度E s 可由皮克公式計算：（千伏／厘米）
式中δ為空氣相對密度，m 為絞線系數,R 為導線半徑（厘米）。當δ=1、m ＝0.5、R ＝0.9厘米時,E s =19.7千伏／厘米。實際上, 導線表面狀況如損傷、雨滴、附著物等, 都會使電暈放電易于發生。
電暈放電在工程技術領域中有多種影響。電力系統中的高壓及超高壓輸電線路導線上發生電暈（見圖），會引起電暈功率損失、無線電干擾、電視干擾以及噪聲干擾。進行線路設計時，應選擇足夠的導線截面積，或采用分裂導線降低導線表面電場的方式, 以避免發生電暈。對于高電壓電氣設備, 發生電暈放電會逐漸破壞設備絕緣性能。電暈放電的空間電荷在一定條件下又有提高間隙擊穿強度的作用。當線路出現雷電或操作過電壓時，因電暈損失而能削弱過電壓幅值。利用電暈放電可以進行靜電除塵、污水處理、空氣凈化等。地面上的樹木等尖端物體在大地電場作用下的電暈放電是參與大氣電平衡的重要環節。海洋表面濺射水滴上出現的電暈放電可促進海洋中有機物的生成，還可能是地球遠古大氣中生物前合成氨基酸的有效放電形式之一。針對不同應用目的研究，電暈放電是具有重要意義的技術課題。
什么是輝光放電
稀薄氣體中的自激導電現象。其物理機制是：放電管兩極的電壓加大到一定值時，稀薄氣體中的殘余正離子被電場加速，獲得足夠大的動能去撞擊陰極，產生二次電子，經簇射過程形成大量帶電粒子，使氣體導電。輝光放電的特點是電流密度小，溫度不高，放電管內產生明暗光區，管內的氣體不同，輝光的顏色也不同。正常輝光放電時，放電管極間電壓不隨電流變化。輝光放電的發光效應被用于制造霓虹燈、熒光燈等光源，利用其穩壓特性可制成穩壓管（如氖穩壓管）。 氣體在低氣壓狀態下的一種自持放電。對玻璃圓柱狀放電管兩端施加電壓，當壓力處于1～0.1托的范圍時，由陰極逸出的電子在氣體中發生碰撞電離和光電離，此時放電管的大部分區域都呈現彌漫的光輝，其顏色因氣體而異，故稱輝光放電。輝光放電與暗放電和電弧放電共同組成可連續變化的3種基本放電形式。
1831~1835年, M. 法拉第在研究低氣壓放電時發現輝光放電現象和法拉第暗區。1858年,J. 普呂克爾在1/100托下研究輝光放電時發現了陰極射線，成為19世紀末粒子輻射和原子物理研究的先軀。
輝光放電有亞正常輝光和反常輝光兩個過渡階段，放電的整個通道由不同亮度的區間組成，即由陰極表面開始，依次為：①阿斯通暗區；②陰極光層；③陰極暗區(克魯克斯暗區) ；④負輝光區；⑤法拉第暗區；⑥正柱區; ⑦陽極暗區; ⑧陽極光層。其中以負輝光區、法拉第暗區和正柱區為主體。這些光區是空間電離過程及電荷分布所造成的結果，與氣體類別、氣體壓力、電極材料等因素有關，這些都可以從放電理論上作出解釋。輝光放電時，在兩個電極附近聚集了較多的異號空間電荷，因而形成明顯的電位降落，分別稱為陰極壓降和陽極壓降。陰極壓降又是電極間電位降落的主要成分，在正常輝光放電時，兩極間的電壓不隨電流變化，即具有穩壓的特性。
輝光放電的主要應用是：①利用它的發光效應（如霓虹燈）和正常輝光放電的穩壓特性(如氖穩壓管) 。②利用輝光放電的正柱區產生激光的特性，制做氦氖激光器。
什么是電弧放電（arc discharge）
氣體放電中最強烈的一種自持放電。當電源提供較大功率的電能時，若極間電壓不高（約幾十伏），兩極間氣體或金屬蒸氣中可持續通過較強的電流（幾安至幾十安）, 并發出強烈的光輝, 產生高溫（幾千至上萬度），這就是電弧放電。電弧是一種常見的熱等離子體（見等離子體應用）。
電弧放電最顯著的外觀特征是明亮的弧光柱和電極斑點。電弧的重要特點是電流增大時, 極間電壓下降, 弧柱電位梯度也低，每厘米長電弧電壓降通常不過幾百伏，有時在1伏以下。弧柱的電流密度很高, 每平方厘米可達幾千安，極斑上的電流密度更高。
電弧放電可分為 3個區域：陰極區、弧柱和陽極區。其導電的機理是：陰極依靠場致電子發射和熱電子發射效應發射電子；弧柱依靠其中粒子熱運動相互碰撞產生自由電子及正離子，呈現導電性，這種電離過程稱為熱電離；陽極起收集電子等作用，對電弧過程影響常較小。在弧柱中，與熱電離作用相反，電子與正離子會因復合而成為中性粒子或擴散到弧柱外，這一現象稱為去電離。在穩定電弧放電中，電離速度與去電離速度相同，形成電離平衡。此時弧柱中的平衡狀態可用薩哈公式描述。
能量平衡是描述電弧放電現象的又一重要定律。能量的產生是電弧的焦耳熱，能量的發散則通過輻射、對流和傳導三種途徑。改變散熱條件可使電弧參數改變，并影響放電的穩定性。
電弧通常可分為長弧和短弧兩類。長弧中弧柱起重要作用。短弧長度在幾毫米以下，陰極區和陽極區起主要作用。
根據電弧所處的介質不同又分為氣中電弧和真空電弧兩種。液體(油或水) 中的電弧實際在氣泡中放電，也屬于氣中電弧。真空電弧實際是在稀薄的電極材料蒸氣中放電。這二種電弧的特性有較大差別。
電弧是一束高溫電離氣體， 在外力作用下， 如氣流，外界磁場甚至電弧本身產生的磁場作用下會迅速移動（每秒可達幾百米），拉長、卷曲形成十分復雜的形狀。電弧在電極上的孳生點也會快速移動或跳動。
在電力系統中，開關分斷電路時會出現電弧放電。由于電弧弧柱的電位梯度小，如大氣中幾百安以上電弧電位梯度只有15伏/厘米左右。在大氣中開關分斷100千伏5安電路時，電弧長度超過7米。電流再大，電弧長度可達30米。因此要求高壓開關能夠迅速地在很小的封閉容器內使電弧熄滅，為此，專門設計出各種各樣的滅弧室。滅弧室的基本類型有：①采用六氟化硫、真空和油等介質；②采用氣吹、磁吹等方式快速從電弧中導出能量；③迅速拉長電弧等。直流電弧要比交流電弧難以熄滅。
電弧放電可用于焊接、冶煉、照明、噴涂等。這些場合主要是利用電弧的高溫、高能量密度、易控制等特點。在這些應用中，都需使電弧穩定放電。