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气体的电离和导电过程

  空气在正常状态下几乎是不能导电的绝缘体,气体中不存在自发的离子,因此实际上没有电流通过。它必须依靠外力才能电离,当气体分子获得能量时就可能使气体分子中的电子脱离而成为自由电子,这些电子成为输送电流的媒介,此时气体就具有导电的能力。使气体具有导电能力的过程称之为气体的电离。
  1、原子结构
  物质是由分子组成的,分子是保持物质化学性质的一种颗粒。分子是由原子构成,而原子又是由带负电荷的电子、带正电荷的质子以及中性的中子三类亚原子粒子组成的。在各种元素的原子里,质子和中子总是组成原子核。核的净电荷是正,在原子核的外面一定有电子,电子的数目等于原子核子的数目。如果原子没有受到干扰,便没有电子从原子核的周围空间移出,则整个原子呈电中性,也就是原子核的正电荷与电子的负电荷相加为零。如果移去一个或多个电子,剩下来带正电荷的结构就称为正离子,获得一个或多个额外电子的原子称为负离子,失去或得到电子的过程称为电离。当原子(或分子)从外界吸收的能量足够大时,则电子可以脱离原子(或分子),于是原子(或分子)就被电离成自由电子和正离子两部分,如图所示。由于气体电离所形成的电子和正离子在电场作用下,朝相反的方向运动,于是形成电流,此时的气体就导电了,从而失去了气体通常状态下的绝缘性能。使原子或气体电离,可以是原子和电子之间的碰撞,以及光和X射线辐射时对原子的作用等。
  2、气体电离
  通过电子和气体原子之间碰撞实现气体原子或分子激励和电离,电子碰撞原子并使之电离,则电子应具有一个最小能量。这个最小能量称为该气体的激励能。使电子在有一定电位差的电场中加速,电子可获得最大的能量,能使气体电离,此时的能量称为电离能。
  当具有一定速度的电子与一个气体原子碰撞时,电子的动能有一部分就传给了原子。如果这种碰撞不引起原子内部的变化。即激励或电离,这种碰撞称为弹性碰撞。由于原子的质量比电子的大得多,所以电子传给原子的能量很少,原子不动,电子则改变了运动的方向。如果电子的能量足够大,它的功能可使原子激励或电离,这种碰撞称为非弹性碰撞。电子和原子碰撞时,可以使原子被激励,使原子与原子碰撞并也能使原子电离。
  除了靠电场加速电子碰撞气体原子使之电离外,还有所谓光电离和热电离现象,光电离是靠光的辐射能量使气体电离,热电离是靠粒子的热运动速度达到一定程度,碰撞气体原子而使之电离。但两种电离静电除尘中很少发生。在电场中除了进行气体的电离外,电离产生的电子、负离子和正离子。还可以重新结合成为基态的原子或分子,这一过程称为离子复合。当电场中电离不再继续进行时,则复合过程将导致离子和绝大部分电子从电场中消失,这种现象称为消电离。当电除尘器供电中断时,电场中发生的过程是消电离过程。
  气体的电离可分为两类,即自发性电离和非自发性电离。气体的非自发性电离是在外界能量作用下产生的。气体中的电子和阴、阳离子发生的运动,形成了电晕电流。
  气体非自发性电离和自发性电离,与通过气体的电流并不一定与电位差成正比。当电流增大到一定的程度时,即使再增加电位差,电流也不再增大而形成一种饱和电流,在饱和状态下的电流称为饱和电流。
  非自发性电离的特点是:气体中的电子或离子数目不会连续增多,这是因为在产生电子和离子的同时,由于不同电性的离子受到库仑力的作用又重新结合成中性分子。此过程称为离子复合。另外,非自发性电离,一旦外界能量停止,气体中的电荷也随之消失。气体自发性电离是在高压电场作用下产生,不需特殊的外加能量,静电除尘理论就是建立在气体自发性电离的基础上。气体导电现象分低电压导电和高压导电两种。低电压气体导电是借放电极所产生的电子或离子部分传递电流,静电除尘器就属于这一类。
  3、导电过程
  气体导电过程可用图中的曲线来描述。
  图中在AB阶段,气体导电仅借助于大气中所存在的少量自由电子。在BC阶段,电压虽升高到C‘但电流并不增加,此时使全部电子获得足够的动能,以便碰撞气体中的中性分子。当电压高于C‘点时,由于气体中的电子已获得的能量足以使与发生碰撞的气体中性分子电离,结果在气体中开始产生新的离子并开始由气体离子传送电流,故C‘点的电压就是气体开始电离的电压,通常称为临界电离电压。电子与气体中性分子碰撞时,将其外围的电子冲击出来使其成为阳离子。而被冲击出来的自由电子又与其他中性分子结合而成为阴离子。由于阴离子的迁移率比阳离子的迁移率大,因此在CD阶段中使气体发生碰撞电离的离子只是阴离子。在CD阶段中,放电现象不产生声响,此阶段的二次电离过程,称为无声自发放电。
  当电压继续升高到D’点时,不仅迁移率较大的阴离子能与中性分子发生碰撞电离,较小的阳离子也因获得足够能量与中性分子碰撞使之电离。因此在电场中连续不断地生成大量的新离子,在此阶段,在放电报周围的电离区内,可以在黑暗中观察到一连串淡蓝色的光点或光环,或延伸成刷毛状,并伴随有可听到的“咝咝”响声。这种光点或光环被称为电晕。
  在DE阶段称为电晕放电阶段,达到产生电晕阶段的碰撞电离过程,称为电晕电离过程。此时通过气体的电流称为电晕电流,开始发生电晕时的电压(即D’点的电压)称为临界电晕电压。静电除尘器也就是利用两极间的电晕放电而工作的。如电极间的电压继续升到E’点,则由于电晕范围扩大,致使电极之间可能产生剧烈的火花,甚至产生电弧。此时,电极间的介质全部产生电击穿现象,E’点的电压称为火花放电电压,或称为弧光放电电压。火花放电的特性是使电压急剧下降,同时在极短的时间内通过大量的电流。从而使电除尘停止工作。
  根据电极的极性不同,电晕有阴电晕和阳电晕之分。当电晕极和高压直流电源的阴极连接时,就产生阴电晕。阴电晕形成只是在具有很大电子亲和力的气体或混合气体中才有可能。对于阴电晕,若产生的大量自由电子不能与中性气体分子结合而形成阴离子,则会直接奔向阳极而出现火花放电,不能形成电晕运转。惰性气体及氮气等不是负电性气体,不能吸附自由电子,所以不适宜于阴电晕运转。SO2是最佳负电性气体,O2、H2及CO2也是负电性气体,故能产生十分稳定的电晕。
  当电晕极和高压直流电源的阳极连接时,就产生阳电晕。在阳电晕情况下,靠近阳极性电晕线的强电场空间内,自由电子和气体中性分子碰撞,形成电子"雪崩”过程。这些电子向着电晕极运动,而气体阳离子则离开电晕线向强度逐渐降低的电场运功,从而成为电晕外区空间内的全都电流。在阳离子向收尘极运动时,因为不能获得足够的能量,所以发生碰撞电离也就比较少,而且也不能轰击收尘极使之释放出电子。阳电晕的外观是在电晕极表面被比较光滑均匀的蓝白色亮光包着,这证明这种电离过程具有扩散性质。
  上述两种不同极性的电晕虽都已应用到除尘技术中。在工业静电除尘器中,几乎都采用电晕。对于空气净化的所谓静电过滤器考虑到阳电晕产生的臭氧较少而采用阳电晕,这是因为在相同的电压条件下,阴电晕比阳电晕产生的电流大。而且火花放电电压也比阳电晕放电要高。静电除尘器为了达到所要求的除尘效率。保持稳定的电晕放电过程是十分重要的。
  图所示为一个静电除尘过程,这个过程发生在静电除尘器中。当一个高压电加到一对电极上时,就建立起一个电场。图表明在一个管式和板式静电除尘器中的电场线。带电微粒,如电子和离子,在一定条件下,沿着电场线运动。带负电荷的微粒向正电极的方向移动,而带正电荷的微粒向相反方向的负电极移动。在工业静电除尘器中,电晕电极是负极,收尘电极是正极。
  图表示了靠近放电电极产生的自由电子沿着电场线移向收尘电极的情况。这些电子可能直接撞击到粉尘微粒上,而使粉尘荷电并使它移向收尘电极。也可能是气体分子吸附电子,而电离成为一个负的气体离子,再撞击粉尘微粒使它移向收尘电极 。

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