[拼音]：qiti fangdian
[外文]：gaseous discharge
电流通过气体的现象，又称气体导电。在通常情况下气体是由不带电的分子或原子组成的，它是良好的绝缘体。但是，当气体中出现电子和离子时，在外电场作用下，电子和离子作定向漂移运动，气体就导电了。通常把气体导电或放电粗分成两种类型：依靠外界作用维持气体导电，且外界作用撤除后放电即停止的叫做非自持放电，或被激放电；不依靠外界作用，在电场作用下能自己维持导电状态的叫做自持放电，或自激放电。
气体的电离
气体的导电性和气体中电子与离子的产生以及它们在电场中的运动情况密切相关。气体中的分子或原子可以失去电子而成为正离子，或得到电子而成为负离子，这叫做电离。用紫外线、X 射线或各种放射性射线照射气体，或者用火焰将气体加热，可以使气体电离。通常把能使气体发生电离的物质（例如紫外线、放射性等）叫做电离剂，电离剂能维持气体的非自持放电。从微观上看，能量足够大的光子、电子、离子等微观粒子撞击气体中的分子或原子时，能使分子或原子分离成电子和正离子，这叫做碰撞电离；而在足够高的温度下，由于热运动，气体分子相互碰撞也可以产生电离，这叫做热电离。
电极的表面也可以释出电子或离子。炽热的阴极可以发射电子（叫做热电子发射），而炽热的阳极也可以发射正离子（叫做热离子发射）。在电场力作�孟禄竦媒洗蠖艿恼胱幼不饕跫保苁挂跫砻娣⑸涞缱樱ń凶龃渭兜缱臃⑸洌辉诠獾恼丈湎禄蛟谇康绯∽饔孟乱部梢砸鸬缂砻娣⑸涞缱樱ǚ直鸾凶龉獾绶⑸溆氤≈路⑸洌�
在电场作用下，气体中的电子和离子分别作定向运动，形成电流，但其运动情况有重要差别。电子质量比离子质量小得多，在气体中电子的平均自由程也比离子的大，所以，在电场作用下电子得到的定向运动速度比离子得到的大得多。由于电子质量很小，可以推知，能量较低的电子与气体分子发生弹性碰撞时，电子动能损失甚小，因而能在电场中积累能量，而能量足够高的电子与气体分子则可以发生非弹性碰撞，把动能传递给气体分子，引起气体分子的电离，产生新的离子和电子，或者使气体分子受激发而发光。另一方面，离子质量大，在电场中得到的定向运动速度小，而当离子与气体分子作弹性碰撞时，离子动能损失较大，因此离子往往不易在电场中积累能量以使气体分子受到激发或电离。
此外，气体中的电子与正离子相遇时，可以重新复合成中性分子并以发光的方式放出电离能，速度较小的电子与某些中性分子（例如氧分子）相遇时，可以附在中性分子上形成负离子。正、负离子相遇，也可以复合。
上述各种基本过程的存在是气体放电现象比较复杂的原因。
气体的非自持放电
由于宇宙射线、少量放射性射线、紫外线等的存在，通常的气体总有微弱的电离，当在阳极和阴极间加电压时，电极间的气体中即出现微弱的电流。如果用电离剂使气体电离，则可由实验得到这种非自持放电的电流－电压特性曲线如图1所示。电压小时(曲线中OA段)，电流I与电压U成正比（即服从欧姆定律），电压继续增大，电流的增加就变慢（曲线中AB段），电压增大到一定程度，电流就达到饱和值Is（曲线中BC段）。
特性曲线的上述特征可简单解释如下，在导电气体中存在着三种过程：
（1）电离过程；
（2）复合过程；
（3）带电粒子迁移到电极上去，失去所携带的电荷的过程。当外电场较弱时，过程①和②是主要的，只有少数带电粒子迁移到电极上，而电离与复合则达到动平衡，正、负带电粒子的数密度（单位体积内粒子数）均保持不变，它们在电场中的漂移速度都和电场强度成正比，因而气体中的电流密度j与电场强度E成正比。欧姆定律j＝σE适用（曲线中OA段），电导率σ与正、负带电粒子的数密度成正比。当外电场增大时，被驱赶到电极上去的带电粒子数目增多，过程③的影响增大，单位体积内的正、负带电粒子数减少，因而电流密度的增加变慢（曲线中AB段）。当外电场足够大时，因电离剂作用产生的全部离子和电子都被迅速地驱赶到电极上去，不再发生复合，于是电流就达到饱和（曲线中BC段），饱和电流Is的大小取决于电离剂的强度。在上述气体导电过程中，如果撤除电离剂，气体中的离子和电子即因复合而迅速消失，放电停止。
电流达到饱和后，继续增加电压，当达到某一数值Uo后，电流突然急剧增加（曲线中CD段），这时，即使撤去电离剂，仍能维持导电，于是气体就由非自持放电过渡到自持放电。
在电离室、盖革计数器、正比计数器等粒子探测器中，应用了入射粒子使气体电离而产生非自持放电的原理。
气体的自持放电
气体自持放电的特性取决于气体的种类、压强、电极材料、电极形状、电极温度、两极间距离等多种因素，并且往往有发声、发光等现象伴随发生。因条件不同，自持放电采取不同的形式，分别简述如下：
汤森德放电在两个平面电极之间施加电压，当电压增加到一定数值时，电极间的气体突然出现电流，这是最简单的一种自持放电。这时，气体被击穿，两极间的电压叫做气体的击穿电压或着火电压。当电流密度较小时，极间电场是均匀的，并且气体均匀发光，这叫做汤森德放电。因发光微弱，它也叫做暗放电。
在汤森德放电中，有两个过程起重要作用：
（1）电子碰撞气体分子使之电离；
（2）在电极间电场作用下获得较大动能的正离子撞击阴极，引起二次电子发射。当电子在连续两次碰撞之间积累的能量达到气体分子的电离能时，向着阳极移动的电子每与中性分子碰撞一次，就能产生一对正离子和电子。这就引起链式发展的碰撞电离，使正离子电子对的数目倍增式地急剧增长。若每个电子在电场中移动单位距离时产生的正离子电子对数为α（α叫做汤森德电离系数），则可推知由阴极经过距离 d到达阳极的过程中，每个电子产生的正离子电子对数为ead-1。设正离子撞击阴极时引起二次电子发射的概率为γ（γ叫做二次发射系数），则当达到γ(ead－1)=1时，阴极处就能源源不断地再生电子，以维持导电过程，上式就是发生击穿的临界条件，叫做汤森德击穿条件。
1889年，F.帕邢根据实验研究结果提出，对一定的电极和一定的气体；击穿电压Uo取决于气体压强 P与电极间距离d两者的乘积Pd，US＝f(Pd)，函数f的曲线向上凹，有一极小值，这叫做帕邢定律(图2)。帕邢定律可简单解释如下。因为电子在气体中的平均自由程憳与气体压强P成反比，故在平面电极情况下，乘积Pd与
成正比，它是电子由阴极移到阳极过程中所发生的平均碰撞次数 墫的量度。另一方面，电子在连续两次碰撞之间由电场作功所获得的能量 ΔW 则取决于电场强度US/d与憳的乘积，也取决于US与Pd值之比。ΔW 越大，则发生碰撞电离的概率也越大。在曲线最低点左侧，Pd值过小，平均碰撞次数起主要作用，故墫值过小，必须较高电压才能使绝大部分电子有足够的能量使分子电离。在曲线最低点右侧，Pd值过大，ΔW 起主要作用，必须较高电压才能增大发生碰撞电离的概率以保证足够多的正离子电子对数目。
辉光放电
这是一种低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气的放电，极间电压较高（约1 000伏左右），电流强度较小（约几毫安）。其特征是放电管中出现几个特殊的亮区和暗区（图3），呈现瑰丽的发光现象，辉光的颜色随气体而异。
辉光放电时，在放电管两极的电场作用下，电子向阳极运动，正离子向阴极运动。阴极吸引正离子排斥电子，故阴极附近正离子丛集，形成带正电的空间电荷区；阳极吸引电子排斥正离子，故阳极附近电子丛集，形成带负电的空间电荷区，于是就使极间电场变为非均匀场。因正离子的漂移速度比电子小得多，故正空间电荷区的电荷密度值比负空间电荷区的电荷密度值大得多，因而阴极附近的电位降落比阳极附近的电位降落大得多，前者形成所谓阴极电位降，它是两极间电位降的主要部分，它取决于阴极材料及气体的性质。阴极位降是辉光放电的显著特征。在正常辉光放电时，阴极和阳极间电压不随电流变化。
辉光放电管内出现的亮区和暗区可以简要解释如下。在阴极附近，次级电子发射产生的电子在较短距离内尚未得到足够大的动能以使气体分子电离或激发，所以紧接阴极的区域不发光，叫做阿斯顿暗区。而在阴极辉区中，则电子已获得足够的能量以产生正离子，并激发发光。
在阴极暗区即克鲁克斯暗区中，来自阴极的电子已经得到足够的能量使气体分子电离，但因碰撞电离而产生的新的电子尚未得到足够的能量来激发气体分子。因此，这个区域光强很小。但这里新生的电子数目已很多。
在负辉区中，电子已得到足够的能量，以使气体分子受碰撞激发而发光。此外，电子与正离子复合时也发出少量辐射。因此，负辉区是最明亮的区域。电子通过负辉区后，能量大部分消耗，于是在法拉第暗区中，电子能量又不足以使气体分子激发和电离。然后，就是一个较长的正柱区，这里又一次出现气体受激而发光。负辉区和正柱区的长短，取决于带电粒子的平均自由程，即取决于气体的压强。如果压强太低（约在 1毫米汞柱以下），则因正柱区内电子在向阳极运动的过程中交替地由电场得到能量和因非弹性碰撞而失去能量，产生交替的明区或暗区，因此正柱区呈现辉纹。在正柱区中，气体处于高度电离状态，但其中正离子和电子形成的空间电荷密度大体相等，这样的区域叫做等离子区，这里电场是均匀的。由正柱区向阳极运动的电子在阳极电场作用下加速，经过阳极暗区后所获得的能量又足以使阳极邻近的气体激发而发光，形成阳极辉区。
辉区放电的主要应用是利用它的发光效应（如霓虹灯）以及正常辉光放电的稳压特性（如氖稳压管）。氦氖激光器等就是利用辉光放电的正柱区产生激光的。
弧光放电当电源提供较大功率时，在不高的极间电压（约几十伏）下，两极间的气体或金属蒸气中可以持续地通过较强的电流（几安到几十安），并发出强烈的光辉，产生高温（几千到上万度），这种自持放电叫做弧光放电。
弧光放电与辉光放电的主要不同在于弧光放电时阴极上产生热电子发射（叫做热阴极弧光，例如碳弧）或场致发射（叫做冷阴极弧光，例如汞弧）。产生热阴极弧光放电的通常方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热使阴极表面温度大增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，因而两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的重要特性是：当电流增大时，两极间的电压反而下降。
在冷阴极弧光放电中，电极由低熔点的材料(如汞)做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离而在阴极表面附近形成空间正电荷层。阴极附近出现的强电场引起场致发射，从而使极间电流剧增，形成电弧。用人工加热阴极的方法也可以产生弧光放电，但这类弧光放电属于非自持放电。
弧光放电的主要应用有：用作强光光源；光谱分析中用作激发元素光谱的光源；在工业上用于冶炼、熔化、焊接和切割高熔点金属；医学上用作紫外线源(汞弧灯)；用作将交流电变为直流电的整流器（汞整流器）等。但在大电流电路断开时产生有害的弧火，应采取灭弧措施。
火花放电在通常的气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，则在强电场下气体被击穿，伴随有火花和爆裂声，这就是火花放电。放电过程中，碰撞电离是沿着狭窄曲折的发光通道进行的。由于气体击穿后电流强度猛增而电源功率不够，电压随即下降，放电暂时熄灭，电压恢复后又进行放电。因此，火花放电具有间歇性。雷电就是自然界中一种大规模的火花放电。（见彩图）
火花放电可用于进行金属加工，钻细孔。它也是用作高能粒子探测器的火花室所依据的原理。
电晕放电在曲率较大的导体表面或电极表面上(其他导体或电极距离较远)，当电场强度升高到某一临界值以上时，在非均匀强电场作用下，表面附近的气体电离，引起气体导电并发光，这叫做电晕放电。
电晕放电时，导体或电极周围形成电晕层。电晕层外电场很弱，气体不发生碰撞电离。当导体或电极与周围导体间的电压增大时，电晕层逐步扩大到附近其他导体，过渡到火花放电。电晕放电是一种不完全的火花放电。
电晕放电是高压输电线上漏电的主要原因。利用电晕放电，可使导体或电极上的电荷逐渐消失，这就是避雷针泄放电荷的道理。电晕放电可用于静电过滤器中，以消除气体中的尘粒。
- 参考书目