絕對真空會被高電壓擊穿嗎？

01-06

這個問題有點意思。

要解答這個問題，我們必須先明確什麼叫做真空。

真空，從字面看，就是把容器中的氣體分子抽光，近乎為宇宙深空的空間性質。但我們知道，即使是宇宙深空，也未必能有所謂的理想真空。真空里就算沒有物質粒子，但也存在電磁波，以及所謂暗能量之類的東西。因此有這樣一種說法：真空不空，真空是垃圾箱。笑！

既然理想真空不存在，我們還是現實一點，就從一般的大氣條件開始，直到真空管內的准真空，一起來探討一番。

我們把題主的主題改為：從大氣到真空，氣體介質電氣擊穿的條件是什麼？

我們先來看一條著名的曲線——巴申曲線，如下：

這條曲線的縱坐標就是銅電極的擊穿電壓，橫坐標是真空度p與電極間隙長度l的乘積。曲線中，實線部分為實測值，虛線為理論計算值。我們看到它們十分接近。

我們看到，曲線存在最低點，此點對應的條件就是最容易擊穿之處。

另外，曲線的左側對應於低氣壓或者高真空。在大氣條件下，曲線左側對應的間隙長度l已經到達微米級了，在此條件下會產生高電場發射，使得擊穿電壓極大地降低。

在高海拔地區，大氣壓強低，在同樣的電極間隙距離條件下，pl的值比較小，所以擊穿電壓比海平面要小。

我們來看看具體的表達式：

$U_{jc} =frac{Bpl}{Tlnleft[ frac{Apl}{Tln(1+frac{1}{gamma } )} ight] }$

這裡的T是溫度，A和B是係數。由此式中我們看到，pl是不能分開的整體。

那麼這個表達式和曲線背後的物理意義是什麼？我們來仔細研究一下。

設電路如下：

現在我們把電路放在空氣中並且接通電路，慢慢地調小電阻R，我們會發現電路中有極其微小的電流流過。

知道這是為什麼？這是因為空間中存在宇宙射線。宇宙射線擊中氣體原子（或者氣體分子），使原子中的電子脫離原子核的束縛成為自由電子，中性氣體原子也由此變成正離子。電子和正離子試圖向兩極運動，但由於電場還很低，所以它們很快地又複合了。只有將電阻R調到一定值時，電場已經足夠強，電子終於能夠到達陽極，電路中也就出現了電流。

電子在向陽極運動的過程中，會碰撞大量中性氣體分子，從而製造出大量新的正離子和負離子。這裡的負離子指的不是電子，而是吸附了電子的中性氣體原子或者氣體分子。於是電子、正離子和負離子構成了一種特殊集合，叫做電子崩。

在電子崩中，電子大多集中在指向陽極的崩頭區域，正離子則集中在指向負極的崩尾區域。

注意區別電子崩和等離子體：電子崩中正負離子的分布是不均勻的，而等離子體中正負離子的分布是均勻的。電子崩再加強發展，它的最終形式就是等離子體。

我們繼續調小電阻而加大電場強度，於是電子崩會向陽極運動。由於崩頭和崩尾削弱了電子崩內部的電場強度，於是在電子崩內部出現了複合。而複合會放出光子，這些光子又會使得附近區域的中性氣體被電離，並構建出新的電子崩。如此發展下去，會出現一系列的電子崩。最後的結果是：電極間隙被擊穿。

電極間隙被擊穿後，電子崩已經演變為等離子體，又被稱為流注。由於這部分的討論超出題主問題的範圍，故給予忽略。

現在我們把電路放到真空中，其中當然還殘餘了一些氣體，那麼上述現象是否還會發生？答案是肯定的。但由於電子在奔向陽極的途中能夠碰撞的氣體分子少了，因此電極間隙的擊穿特性當然也不一樣了。

在繼續討論之前，我們先來看看氣體擊穿後的美麗景象，這就是輝光放電。

氣體擊穿後，首先登場的是輝光放電。輝光放電的特點是，放電區域充滿整個空間，並且放出藍色的艷麗光芒。

當然，也要看氣體介質是什麼，例如氖氣放出的光是橙色的。

若弧隙電流不斷加大，則輝光放電就演變為弧光放電。這時放電區域的直徑急劇縮小，變成一根細長的弧柱，溫度也不斷上升。

輝光放電和電弧放電不在題主的討論範圍之內，我們就此終止它們的討論吧。

回到真空擊穿電壓的討論。

我們已經知道，在真空條件下，電極間隙中幾乎沒有氣體分子，因此氣體的電離當然也不可能存在。我們馬上就會想到，討論的重點應當是電極上出現的各種物理現象。

我們來看看有哪些重要物理現象：

熱發射：當金屬的溫度升高時，其表面的自由電子可能獲得足夠的動能，以超越金屬表面晶格電場造成的勢壘而逸出。一個電子逸出金屬表面所需的能量叫做逸出功，單位是電子伏特。例如銀的逸出功是4.74，銅的逸出功是4.4，而鎢的逸出功是7.49,。顯見，逸出功與金屬的熔點有關，熔點越高的金屬，逸出功也越高。

場致發射（高電場發射）：當金屬表面存在較高的電場強度（大於 $10^{6}$ V/m）時，金屬表面勢壘厚度減小，自由電子可能在常溫下穿過勢壘（所謂的隧道效應），逸出金屬。這種現象叫做場致發射，也稱為高電場發射。

光發射：當光線和射線照到金屬表面時，引起電子逸出的現象。光波越短，引起的光發射作用越強，並且從金屬表面逸出的電子速度越快。波長較長的光量子，雖然能量不足以直接引起電子發射，但是，卻能夠被金屬吸收，改變金屬中自由電子的運動速度，使動能超過逸出功的電子逸出金屬。

以上三條中，熱發射與金屬材料有關，光發射與光線照射有關，而場致發射則與金屬材料的表面狀況和結構有關，特別是尖端放電。注意：尖端放電有極性。

需要著重指出，正因為場致發射與電極材料的表面狀況和結構有關，因此加工電極表面時應當拋光，並且在設計時奧盡量避免出現凸凹不平的結構。

有關場致發射和開關觸頭結構的設計，有大量的論文資料可供參考。這是開關電器業界的重點關注內容之一。

對於電極間隙，由於真空中已經不存在氣體，因此普通氣體不在我們的談論範圍之內。有趣的是，這時會出現另外一種氣體，就是金屬蒸汽。

我們知道，銀是最好的導電材料，但它的熔點也低。當電極材料受到電子的衝擊時會發熱，一旦這種發熱使得電極材料熔化和沸騰，電極材料的表面就會出現金屬蒸汽。金屬蒸汽的電離能比一般氣體的小很多。因此在任一溫度下，當氣體中含有金屬蒸氣時，其電離度比純氣體時高，即電導率比較大。

可見，電極材料的選擇極其重要。事實上，電極材料的研究是開關電器行業中的重頭戲。電極材料的研究和接觸電阻的研究結合在一起，是當前國際間研究的重點內容，我國也有對應的專門學會。

回到問題上來：在高真空下，電極間隙中由於熱發射和場致發射的原因會出現電子，電子在高電場的作用下撞擊電極，造成二次發射和光發射。這些效應的疊加結果就是出現了電流。

現在可以回答題主的問題了：

在高真空下，電極間隙的電子發射是由三種發射形式疊加的結果：

1）電子轟擊電極造成電極發熱，而發熱又加劇了熱發射；

2）電子和正離子的複合會放出強光，強光又促成了光發射；