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在一般情况下，气体由中性分子或原子组成，不存在带电粒子。因此不导电的中性分子或原子可以自由移动，不受电场作用，不能产生定向移动。在电场作用下，气体中的分子或原子发生极化，分子或原子间形成电场。随着电场的持续增大，分子和原子的极性越强，形成带电的粒子。带电粒子的正负电荷属性不同，就能定向运动，使得阴阳极间形成电流而导电。金属导电与气体导电不同，金属导电是金属内电子在电场作用下移动的结果，服从欧姆定律。气体导电是气体中带电的正离子和电子导电，所以气体导电的电压和电流间伏安特性更为复杂，图1-1为其伏安特性曲线。气体放电伏安特性区间可分为两个区域，即非自持放电区和自持放电区。在非自持放电伏安特性区气体本身不能导电，只有施以外加措施如加热、外加电场等才能产生带电粒子的导电；去除外加措施，放电停止。在自持放电伏安特性区气体放电后，其带电粒子导电本身就可维持导电过程，去除外加放电措施，放电过程持续进行，直至外加电场中断。自持放电伏安特性区随着电流持续增加，分暗放电、电晕放电、辉光放电和电弧放电。 AB 和 BC 区间为暗放电区，其电流很小。 CD 区为电晕放电区，电流突然增大，而电压迅速降低。 DE 和 EF 及 FG 前段为辉光放电区，通过改变电阻增大电流，电压几乎维持不变。 G 点左右的 FG 后段和 GH 前段因以前电压和电流精准控制难以实现，为尚未开发的区段，该区域产生微弧团簇。其微弧团簇为许多明亮的小点，不连续且随机运动，尺寸和形状多样易变，实际是高温、高压、体积小、紧挨的随机运动的高密度等离子体。 H 点左右弧光放电区，电流大小由外电阻决定，电流越大，电压越小。该区电流最大，电压最低，温度最高，发光最强。
图1-1 气体放电过程
气体中的极化的分子或原子在电场作用下，分别向阴阳极移动。移动过程中发生分子或原子的相互碰撞。相互碰撞过程中产生大量的离子、电子和中性粒子。运动的大量离子、电子和中性粒子不断发生各种碰撞。所以气体放电是一个复杂的粒子运动和碰撞过程。粒子碰撞是无规则的，用碰撞频率和平均自由程统计规律描述其特征。气体粒子非弹性碰撞把碰撞粒子的动能转换成被碰撞粒子的内能，其大于或等于被碰撞粒子的激发、离解或电离能，产生激发、离解或电离，用林纳德-琼斯势能曲线可解释。在热平衡状态粒子无规则运动的能量服从麦克斯韦分布。这种自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物，称为等离子体，在宏观上对外显中性。等离子体电中性有其特定的空间和时间尺度。德拜长度是等离子体保持电中性的空间尺寸下限。电子走完一个德拜长度所需的时间，是等离子体存在的时间下限。所以气体放电成为等离子体必须满足三个条件：等离子体的空间尺度、等离子体参数远远大于定值和等离子体时间尺度。等离子体具有变成电中性的强烈倾向，离子和电子的密度几乎相等，这是其相反电荷粒子相互作用的结果。任何实际的等离子体的体积包含几乎恰恰相同的正负电荷量，所以等离子体是电中性的。等离子体的热效应是内部的微观粒子自由扩散。等离子体的扩散包括带电粒子的双极扩散和中性粒子的扩散，其中双极扩散占主导地位。正负带电粒子双极扩散是等离子体特有的一种运动方式，在接触固体界面附近时发生，支配着等离子体带电粒子的消失过程。在电场产生的库仑力和电子惯性的共同作用下，空间电荷会做简谐运动，产生和传播等离子体波动。其激发、传播和衰减由其本身的性质和所处的物理条件决定。等离子体振荡是等离子体粒子相互作用形成的有组织的运动，其频率是电子响应振荡的最高状态，其密度分布的起伏幅度为德拜长度。等离子体中存在温度场、静电力和磁力，其产生声波、各种模式的静电波、电磁波及混杂波。在固体表面附近，等离子体内的电子附着在固体表面形成负电位，使得固体表面附近的等离子体内的正离子的空间密度增大，由此形成的空间为等离子体气隙膜，其厚度为德拜长度的数倍。等离子体中带电粒子运动状态发生变化而发出电磁波，产生辐射，相应产生新活性物种和能量转移。
气体放电须具备两个条件：带电粒子和一定强度的电场。带电粒子是从气体中电离和外加电场电极发射电子产生。气体电离主要是热电离、场致电离和光电离。热电离是气体粒子受热高速运动而激烈碰撞产生的。其电离程度随温度升高而增大，随气体压力减小而增大。气体带电粒子在电场中被加速，其电能转换为带电粒子的动能，与中性粒子发生非弹性碰撞，称为场致电离。在同一电场中，电子可以获得的动能是离子动能的几倍，最容易引起中性粒子的电离，而且这种电离具有连锁反应的性质。中性粒子受到光辐射而产生的电离称为光电离。然而光辐射不一定都引发光电离。电极内部电子接收外加能量冲破表面束缚而飞到空间的现象称为光电子发射。阴极发射的电子在电场作用下才能导电。而电子飞出电极表面，其必须达到逸出功。电子发射主要有热电子发射、场致电子发射、光电子发射。
气体放电分为自然条件下的放电和真空条件下的放电。自然条件下的放电以云团与云团之间和云团与地之间的闪电放电为常见。闪电往往是云团电荷积聚到一定程度时，不同电荷的云团之间或云团与大地之间的电场强度就可击穿空气（一般为25~30 kV/cm）开始游离放电。云团对大地的先导放电是以云团向地面跳跃（梯级）式逐渐发展的，当它到达地面时，便会产生由地面向云团的逆主放电。在主放电阶段里，由于相反电荷剧烈中和，会出现很大的电流（一般为几十千安至几百千安），随之发生强烈放电闪光；强大的电流把闪电通道内的空气急剧加热到一万摄氏度以上，使空气骤然膨胀而发出巨大响声，产生超声负压效应。真空中的气体分子在高压电场作用下电离，气体分子电离产生新电子、离子。而正离子在电场加速下轰击阴极，造成二次电子发射并维持放电的过程，于是气体具备了导电的性能。随着放电电流的增大，放电逐渐增强，电压升至击穿电压，真空器中充满明亮的发光等离子体，从非自持放电汤森放电过渡到自持放电辉光放电和弧光放电。由帕刑定律计算得出气体击穿电压（放电）的大小。其与气体压强、气体种类、温度、电极间距、阴极材料和表面状态有关。对一定的阴极材料，击穿电压存在一个最小值，也就是气压与极间距的乘积存在最小值。它决定了气体放电分子的自由程、碰撞概率和二次放电，以维持自持放电。然而汤森理论认为放电电流将为无穷大，它不能解释击穿放电后电流突然增大而电压突然下降的现象。罗果夫斯基提出在气体击穿过程中应考虑空间电荷对放电的影响，充实和完善了汤森理论，其考虑了空间电荷引起电场的畸变。电子碰撞中性粒子电离时，正离子和电子在放电空间成对产生。但电子质量小，电场作用下迁移率大，速度大；正离子质量大，同样电场下迁移率小，速度小。所以正离子比电子的空间电荷效应强，表现出正空间电荷效应。忽略空间电荷效应，极间电场分布呈线性变化。在放电过程中，有正电荷空间效应时，极间均匀电场发生畸变。由于空间电荷为正，根据泊松方程，电场分布由直线变为向上凸的曲线。在空间电荷影响下，放电管电极间的电压降大部分集中在阴极附近，阴极表面的电场大大增强。随着放电电流的迅速增长，限流电阻上的电压增加，放电管上的电压降则减小。当放电管电极间所加电压较小、空间电场较弱时，相应的电子增长率小。放电不能持续，不能形成稳定的自持放电。当放电管电极上所加电压达到击穿电压时，由于正电荷效应，出现等效阳极，空间有效极间距离减小，放电趋向空间电荷和电流继续增长的方向。经过一定时间，达到稳定状态。若因任何偶然因素使电场再增强，使放电减弱，有效极间距离远小于平板电极间距，极间电压降绝大部分集中在阴极附近，阴极附近空间电场大大增加。这说明空间电荷的积累对放电的发展影响有限，解决了汤森理论的困境。在帕刑放电定律的基础上，霍姆提出了气体放电的相似定律。
