為什麼尖端放電會有方向，從正極到負極？

01-14

物理，實驗，科技

尖端放電的確具有方向性。不過，這種方向性與放電電場的不均勻性有關。

（1）關於氣體介質在不均勻電場中的擊穿特性

根據流注理論，在均勻電場中一旦形成流注，氣體放電便達到自持階段，即氣體被擊穿，通常不會出現電暈放電現象。

在不均勻電場中，根據電場的不均勻程度以及外施電壓大小，氣體間隙可能出現電暈和刷狀放電。間隙中一旦形成流注則氣體間隙被擊穿。

如果電場分布極不均勻，當外施電壓還遠低於相同間隙距離的均勻電場氣體擊穿電壓時，在緊貼電極且電場強度最強區域會發生電暈放電現象，此電壓被稱為電暈起始電壓。電場的不均勻程度越高，氣體間隙的擊穿電壓和電暈起始電壓之差別越大。此時氣體間隙還保持絕緣性能。

電暈放電的伏安特性隨著外施電壓增高而增高，電暈層也逐漸擴大。當外施電壓越過某值後，會形成貫通兩電極的放電通道並擊穿。

（2）氣體擊穿伏安特性曲線各區域的描述

我們來看下圖：

圖中左側氣體管中的電極是兩塊板，由這兩塊板構成的電場就是均勻電場。當電壓從零開始往上調節時，電極間氣體的放電規律如上圖的右圖所示。

（3）構建極不均勻電場

如果我們把某端的電極改為一根棒，見下圖：

這種結構的電極被稱為棒板電極對，它產生的電場屬於極不均勻的電場。現在，系統的放電規律又是怎樣的？且聽我來分析。

（4）極不均勻電場中氣體電暈起始電壓及擊穿電壓的極性效應

典型的極不均勻電場是棒一板電極間隙間的電場，其中棒狀電極端部的電場強度最高，附近區域的電離過程最激烈。當棒極分別為正極和負極時，同樣電極間隙下氣體的電暈起始電壓以及擊穿電壓不盡相同。

（1）電暈起始電壓的極性效應

假設電暈放電現象發生之前，棒極附近已經產生相當強烈的電離過程。

1）當棒極為正極時，氣體間隙中出現的電子在電場的作用下向棒極運動，進入強電場區，從而引起電離並形成電子崩。

什麼叫做電子崩呢？我們知道，當極間的氣體被擊穿後，氣體分解為正離子和負離子。這裡的負離子其實就是電子，而正離子則是失去部分電子的原子，顯然，正離子的質量遠遠超過電子。

氣體介質中會形成離子團。離子團中面向陰極的一面中正離子比較多，而面向陽極的一面中電子比較多。這種由不同空間電荷密度構成的氣體集合被稱為電子崩。

隨著外施電壓的逐漸增高，電子崩的數目也不斷增多。當電子崩到達棒極後，其中的電子便進入棒極，於是在棒極附近便積聚起正空間電荷。

下圖是《低壓電器手冊》中的圖：

注意其中的電場分布。

2）當棒極為負極時，陰極表面所形成的電子在電場的作用下向板狀電極運動，立即進入強電場區，引起劇烈的氣體電離並形成電子崩。當電子崩中的電子離開該強電場區域後，便進入電場強度相對較弱區域。如果外施電壓不高且電場強度低，不能引起足夠的電場電離。這些電子除了一部分最終進入到陽極外，其餘的可被氣體中性粒子所吸附，形成所謂的負離子，由此形成負空間電荷區域。與此同時，電子崩中的正離子也將向陰極（棒極）運動，但由於運動相對緩慢，故在棒極附近將會形成比較集中的正空間電荷區域，其結果造成棒極附近的強電離區域電離程度被削弱，不利於流注的形成，因而電暈起始電壓有所提高。注意，這裡所指的電暈起始電壓等效於氣體擊穿電壓。因此棒極為負極時，流注通道的發展相對較困難，其擊穿電壓也比棒極為正極時高。

以下為《低壓電器手冊》中的圖：

注意其中的電場分布，並與正棒-負板氣體間隙流注的發展過程做比較。

結論：

由此可見，當棒極也即尖端放電的尖端側，其電壓為正時，氣體擊穿更容易。這就是題主所說的尖端放電的極性。

無論棒極為陽極還是陰極，流注向前發展到一定距離後，其頭部的電場可能逐漸減弱，但也可能進一步被加強；如果電場被逐漸減弱，則流注的發展就停止不前了，從而形成電暈放電或刷狀放電；反之，流注會不斷被加強和向前發展，最終貫穿整個間隙，導致間隙的擊穿。

[百度百科]

電暈放電

電暈放電的形成機制因尖端電極的極性不同而有區別，這主要是由於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後，電子被驅往遠離尖端電極的空間，並形成負離子，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，此時出現一脈衝電暈電流，負離子則擴散到間隙空間。此後又重複開始下一個電離及帶電粒子運動過程。如此循環，以致出現許多脈衝形式的電暈電流。電暈電流這一現象是G.W.特里切爾於1938年發現的，稱為特里切爾脈衝。若電壓繼續升高，電暈電流的脈衝頻率增加、幅值增大，轉變為負輝光放電。電壓再升高，出現負流注放電，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，同樣形成重複脈衝式電暈電流。電壓繼續升高時，出現流注放電，並可導致間隙擊穿。

電暈放電

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係表示電暈特性，稱為電暈的伏庫特性。[1]

尖端放電是尖端附近的強電場使空氣分子電離，失去電子的空氣分子成為帶正電的離子，它們在電場作用下從正極向負極運動，就形成了從正極吹向負極的「風」。