文章篇幅太多了，理论又偏重。为了节省大家时间，提醒一下，有兴趣的朋友可以看全文。如果只想了解大概，看下面这段黑体字就好了。里面的术语在本文的（二）中有解释。
当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使得接触部位剧烈发热导致阴极表面温度急剧升高，产生热电子发射；同时，触头的间隙很小，使得电压强度很高，产生强场发射，从阴极表面逸出的电子在强电场作用下，加速向阳极运动，发生碰撞电离，导致触头间隙中带电质点急剧增加，温度骤然升高，产生热电离并且成为电离的主要因素，此时，在外加电压作用下，间隙被击穿，形成电弧。
一、原子的激励与电离
原子的激励与电离的示意图如下所示：
Ⅰ、激励
当原子获得外部能量（碰撞、电场、高温等），一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励。
要激励一个原子，使其从能级为E1的状态跃迁到能级为Em的状态，就必须给予（Em-E1）的能量；这个能量所相应的电位差设为eVe。电位Ve称为激发电位。
这里特别说下自由电子碰撞原子引起激励。
当自由电子的能量≧激励能量时，碰撞不一定能够引起激励，而是仅有一部分的碰撞能引起激励。引起激励的碰撞数与碰撞总数之比，称为碰撞几率。
受激励后的原子停留在激励状态的时间很短暂（约为10-6秒），便从能量为Em的状态恢复为能量为E1的正常状态，并辐射出能量为hv（h为普朗克常数；v为辐射频率）的光量子。气体放电时伴随有发光现象，主要就是由于这个原因。
在某些情况下，受激原子不能以辐射光量子的形式自发回到正常状态，这时便称为处于亚稳状态，处于亚稳状态的原子称为亚稳原子。亚稳原子可以借助两种过程回复到正常状态：一是由自由电子再次碰撞或吸收相应的光量子，升到更高的能级，然后从这个能级辐射出光量子而回到常态。另一是通过与自由电子碰撞将能量转化为自由电子的动能，它本身回到常态。亚稳原子的寿命约为10-4～10-2秒；由于它寿命较长，在放电中常常起重要的作用。
当受激原子尚未回到基态时，如受到自由电子的再次碰撞就可能转入高能级。这种由多次碰撞，而往高能级激励的现象称为分级激励。
Ⅱ、电离
原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚，而形成自由电子和正离子
这里特别说下自由电子碰撞原子引起电离及金属表面电离。
首先是自由电子碰撞原子引起电离，与激励的情况类似，自由电子的动能必须达到或大于某一数值eVi，碰撞才可能导致电离。Vi称为电离电位，其大小视气体种类而定。
同样，即使能量高于电离能，碰撞也仅有一部分能引起电离。引起电离的碰撞次数与总碰撞次数之比，称为电离几率。如果受激原子由于自由电子再次碰撞而电离、则称为分级游离。
然后是金属表面电离，电子从金属电极（阴极）逸出来的过程称为表面电离。使阴极释放电子需要的能量是逸出功，它与金属的表面状态有关，与金属温度无关。金属表面逸出功比气体电离能小很多，在气体放电中，电极表面电离很重要。
二、极板间带电粒子的来源
Ⅰ、空间电离
①光电离
中性粒子受光照射，其电子被光子激发，则可能被电离。光子的来源一般由外界高能射线提供或气体放电本身产生。
光的频率越高（即波长越短），电离作用越强。所以X射线和宇宙射线、紫外线都有较强的电离作用，而可见光几乎不引起气体电离。
②热电离
气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子。
常温下，气体分子发生热电离的概率极小，当温度大于10000K，才需要考虑热电离。当温度大于20000K时，几乎全部的分子都处于热电离状态。
而电弧表面温度可达4000K，弧柱区中心可达到10000K以上，因此在电弧稳定燃烧的情况下，热电离成为主要因素。
③碰撞电离
设有一个质量为m，电荷量为q的带电粒子，在电场E作用下被加速，沿电场方向运动，经x距离后，获得能量qEx，具有一定速度v，获得了相应的动能。
当带电粒子的动能积累到一定数值后，在与气体分子发生碰撞时，可能使得后者产生电离。
Ⅱ、表面电离
①正离子碰撞电极（二次发射）
正离子通过碰撞将能量传递给阴极，当其能量大于金属表面逸出功时，可造成电离。
②光电效应
金属表面受到光照时，光子能量大于金属表面逸出功时，可造成电离。
③强场发射
在阴极附近施加强电场，可使阴极释放电子。
④热电子发射
加热阴极，使得电子获得足够的动能，克服金属表面逸出功，可造成电离。
Ⅲ、附着
当自由电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。
负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。
电负性气体具有明显捕捉自由电子而形成负离子并阻止形成放电能力的气体，例如氧、氟、氯、六氟化硫等。
三、带电粒子的消失
带电粒子的消失有以下几种情况：
①带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；
②带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；
扩散，热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使分布均匀化。气压越低，温度越高，扩散越快。
③带电粒子的复合
当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。
在弧光放电中，弧柱中电子运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。
四、汤逊放电理论与流注放电理论
汤生放电区伏安特性曲线如下图所示：
Ⅰ、汤生放电区详图分析
那么什么是汤生放电区呢？即电子、离子受电场作用而引起的定向运动比其本身的不规则热运动占优势的放电区域。我们先分段来看看汤生放电区。
①oa段
此段电压很低，但气隙中的空气在日光中所含射线的激励下，有很少的气体被电离。电离后的气体成为正离子和电子，正离子向阴极运动，而电子向阳极运动。但由于电离度（电离分子与空气总量的比值）过小，离子还没运动到电极处，绝大部分就被复合掉了，因此电流很小。
但随着电压的升高，到达电极的带电粒子数量与速度也随之增大，电流也随之增大。
②ab段
电流不再随电压增大而增大，由日光中所含射线的激励产生的带电粒子数量少，在这一阶段它们全部落入电极，饱和电流密度小，气体间隙仍处于良好的绝缘状态。
③bS段
电流又随电压的增大而增大，说明出现了新的带电粒子来源——碰撞电离。
④S点
当电压升至S点时，阴极上的二次发射已经能够产生足够的电子，即使除去外加电离因素也能维持间隙的放电。S点之前为非自持放电（外电场和外界游离共同作用），S点之后为自持放电（仅需外电场作用）。
此点所对应的电压U0称为起始电压。
如果电场比较均匀，则间隙将被击穿（着火），此后根据气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电。此时起始电压U0就是间隙的击穿（着火）电压。
如果电场极不均匀，则会在小曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电。这时的起始电压U0就是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多。
Ⅱ、汤逊放电理论
①α过程
α过程就是电子崩的发展过程。外界电离因素在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动过程中就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。如此循环，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩一样发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。其示意图如下所示：
电子碰撞电离系数是一个电子沿着电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。其公式如下图所示：
式中A、B是气体种类有关的常数，P是气体压强，E是极间电场强度。
根据上述内容我们小结下，第一，所有气体放电都有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段。第二，电子崩会产生急剧增大的空间电子流。第三，在高气压和高真空下，气隙不易发生放电现象。
注：仅靠α过程无法形成自持放电，因为α过程是需要初始电子的，当去除外界电离因素时，放电就会停止。
②β过程
正离子从电场获得动能，引起的碰撞电离过程。因为正离子的平均自由行程小，获取的动能少；离子质量大，速度慢，弹性碰撞时易损失动能。因此，由正离子产生的电极间碰撞电离作用小，可以忽略不计。
注：平均自由行程长度是单位行程中的碰撞次数的倒数。
离子质量大，速度慢，弹性碰撞时易损失动能这个根据动量守恒就可以得到。
③γ过程
一个正离子在电场的作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的过程。正离子表面电离系数γ是上述过程中所产生的电子数目。
当γ过程在阴极上重新产生一个(或更多)电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。
汤逊放电理论的整个放电过程示意图如下所示：
根据上述内容我们小结下汤逊放电理论。第一，电子碰撞电离时气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件；阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。
Ⅲ、流注放电理论
汤逊放电理论是在低气压、短气隙情况下气体的放电过程，但在高气压、长气隙的放电过程中出现了用汤逊放电理论无法解释的现象。
1、击穿过程所需时间，实测值比理论值小10~100倍；
2、按汤逊理论，击穿过程与阴极材料有关，然而在大气压力下的气隙击穿电压与阴极材料无关。
3、按汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续低发展，但大气中击穿会出现有分支的明亮细通道。
于是经过科学家的研究，流注放电理论诞生了。它考虑了空间电荷对原有电场的影响及空间光电离的作用，很好解释高气压，长气隙情况下的气体放电过程。
①空间电荷对电场的畸变
在汤逊放电理论中我们介绍了电子崩，但没有详细说明。现在我们来看看他们的示意图。
电子崩的形状如上图所示，崩头大，崩尾小。电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在崩头。正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。由于电子的扩散作用，电子崩横向半径逐渐扩大，形成半球头的椎体。
总体上来说，电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。这就导致原有均匀场强在电子崩的前方和尾部都增强了。
电子崩的形成过程中，电子数目呈指数增加。电子崩的电离过程集中在头部，空间电荷分布极不均匀。当电子崩发展到一定程度，其形成的空间电荷电场大大增强，与原有电场合成。合成后的电场发生明显畸变，电子崩内部区域电场削弱。
电子崩头部电荷密度大，电场较强，有利于分子离子发生激励现象，当其从激励状态恢复正常状态时，放射出光子。
电子崩内部正负电荷区域间电场削弱，有利于发生复合过程，同样发射出光子。
当外电场较弱时，上述过程不强烈，没有产生新的现象；当外电场达到击穿场强时，上述过程十分强烈，电子崩头部形成流注。
②正流注的形成
（a）外电场因素从阴极释放电子向阳极运动，形成电子崩。
（b）电子崩的过程中头部电离愈加强烈，当电子崩走完整个间隙后，头部空间电荷密度非常大，以致大大加强了尾部的电场。崩头尾的电场场强的增加有利于激励，因而发射大量光子。
（c）光子引起光电离，由此产生的光电子被初始电子崩的崩头正离子吸引，在因畸变而加强的电场中，狠狠地轰击中性分子，引起新的强烈的电子崩（二次电子崩）。
（d）二次电子崩头部电子进入初始电子崩头部正电荷区（初始电子崩的电子已大部分进入阳极），这里电场强度较小，电子大多被分子捕获形成了负离子，便与正离子群构成了等离子体（正流注）。
（e）流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流柱头部前方出现了很强的电场。同时，由于很多二次电子崩汇集的结果，流柱头部电离过程蓬勃发展，向周围发射大量光子，继续引起空间光电离。于是在流柱前方出现了新的二次电子崩。它们被吸引向流柱头部，从而延长了流柱通道。
（f）流注不断向阴极推进，直至达到阴极。整个间隙被流注贯通，间隙击穿完成。
正流注的形成过程如下图所示，大家对比下文字描述看图会有更好的理解：
正流注形成条件外施电压较低（等于击穿电压）时，这时候需要电子崩经过整个间隙后形成流柱。
③负流注的形成
负流注的形成条件是外施电压高于击穿电压，电子崩不需经过整个间隙才能形成流注。负流注形成的示意图如下所示：
此时，初始电子崩头部电离过程大，向周围发射光子，引起光电离，形成二次电子崩。初始电子崩与二次电子崩汇集形成流注（负流注），由阴极向阳极发展，贯彻整个间隙后，击穿完成。
在负流注发展中，电子运动受到正电荷牵制，发展速度比正流注慢。但正负流注的发展速度都要比电子崩的发展速度快很多。
根据上文，我们再小结一下。第一，放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达到108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注。第二，流注一旦形成，放电转入自持。第三，工程中往往面对高气压、长气隙的情况，此时应当用流注理论解释。
Ⅳ、汤逊放电理论与流注放电理论对比
针对阴极材料这方面来说，流注理论维持自持放电是空间光电离，不是阴极表面的电离，所以击穿电压与阴极材料基本无关。而汤逊理论，自持放电与阴极表面电离有关，击穿电压与阴极材料有关。
针对放电时间，流注理论光子以光速传播，流注发展速度较快，放电时间特别短。
针对放电外形，流注中电荷密度大，电场强度小，随着流注的发展，周围空间电场被减弱，前方电场被加强，抑制了其他流注形成发展，所以流注放电具有细通道。光辐射指向各个方向，光电子产生地点随机，所以流注放电曲折。综合以上两点，流注放电有分枝。综上其放电外形细通道、曲折、有分枝。
而电子崩电荷密度小，电场强度大，不影响周围空间电场，不影响其他电子崩的产生，汤逊放电呈连续一片。
针对适用范围，汤逊理论适用于pd值较小的范围，流注理论适用于pd值较大的范围。两者过渡值为26.66kPacm。在标准大气压下，过渡间距值为0.263cm。
注：pd值属于巴申定律的内容，我们会在《电弧的控制》中介绍。
五、气体放电的伏安特性曲线
Ⅰ、气体放电伏安特性分析
测量气体放电伏安特性曲线的实验装置，如下图所示：
气体放电管中两电极的间距为50cm，电极极板面积为10cm2的两平行平面圆形铜极板。充以133Pa氖气，电源为电压可调的直流电源Ea。通过测量放电管上的电压V1和可变电阻器R上的电压V2及对应R的阻值，就可得到放电电流I=V2/R。
改变Ea和R的大小，分别测量出V1和V2，就可得到放电管的伏安特性曲线。由上述装置所得到的伏安特性曲线如下图所示：
从伏安特性曲线看可以分为八个区域
①非自持放电区AB段
AB的过程在描述汤逊放电理论时有详细介绍，这就笼统的说下。
此段也可以被称为被激导电区，特点是放电管电压Ua从0逐渐增高，而放电电流极小（10-18A，微小电流来源于气体中带有密度很小的带电粒子），几乎没有形成放电。当用紫外线照射放电气体和阴极时，放电电流可以上升到10-16~10-12A量级（紫外线照射气体会引起放电气体的电离，增大气体中的带电粒子浓度；紫外线照射阴极会引起阴极的光电效应，发射光电子，宏观效应即是增大放电电流）；
②自持暗放电区BC段
当放电管电压达到Ub（击穿电压）后，放电就进入自持暗放电区，此时放电管有微弱的发光。若限流电阻R阻值不大，在此电压情况下，放电极易向E点过渡，转为辉光放电。此段放电电流˂μA，B点称为着火点，Ub称为着火电压。
③过渡区CD段及④准辉光区DE段
在限流电阻R不太大的情况下，放电将迅速由C点过渡到E点，即放电管的放电电流急剧增大，电压Ua也迅速下降，该段的特点是I↑↑，Ua↓↓；显示为负的伏安特性。
⑤正常辉光放电区EF
特点是放电区发出很强的辉光（放电气体不同，发光颜色也不同，例如空气或氮气-紫色；氖气-红色），放电电流为mA~几百mA。改变Ea或R，放电管的电压不变，只是放电电流变化（小电流，高电压放电）。
⑥反常辉光放电区FG及⑦过渡区GH
在反常辉光放电区,管压降升高，放电电流I也增大，放电所发的光仍为辉光，但不同于正常辉光放电；继续升高管电压至G点，此点非常不稳定，I↑，U↓，放电系统马上会过渡到弧光放电区。
⑧弧光放电区
特点是发出明亮刺眼的白光，放电属于低电压，大电流放电（A量级）。
Ⅱ、决定气体放电形式的条件
决定气体放电形式的条件基本上是放电管内部条件（气体成分、压强、阴极材料、电极形状等）和电器条件（电源电压、限流电阻）。放电管确定后，放电形式完全由电器条件决定。
先作出伏安特性曲线，显然放电管的极间电压U=Ea-IR。I为放电电流，R为限流电阻阻值。我们作出这条直线，这条直线与y轴交点为Ea，斜率为-R，这条直线与伏安特性曲线的交点，即可确定放电电流。这样放电形式也就确定了。
不同限流电阻可以划出不同的直线，我们将这条直线称作负载线。其负载线图如下所示：
上图有三条负载线，我们对它们的放电形式做下简单的分析。
当R=R1（限流电阻很大），与伏安特性曲线交于A点，在该条件下放电属于非自持放电。对应tanθ1
当R=R2，与伏安特性曲线交于B、C、E三点，因为B、C点不稳定，此情况放电最终稳定在正常辉光放电区的E点。
当R=R3（限流电阻很小），与伏安特性曲线交于F点和弧光放电区的某点，在该放电条件下，放电最终为弧光放电。
上面所描述的，均是实验室中的情况。那么，在实际情况中非自持放电过渡到自持放电的形式又是由什么确认的呢？
由电场分布和放电电路中的负载阻值所决定。
非均匀电场容易形成电晕放电（大负载）和火花放电（小电阻）。
均匀电场容易形成辉光放电（大负载）和弧光放电（小负载）。
上述理论反映到实际呢？其实就是不同的击穿方式罢了，随便举些例子。
如慢慢增加位于稀薄气体中两个电极间的电压，便首先得到辉光放电，然后过渡到电弧放电（实验室中的放电管）；两电极先接触再慢慢分离，可直接得到电弧放电（断路器动静触点的分离）；极间电压很高而电源功率很小，则形成火花放电（脱毛衣）；若电极表面曲率半径很小，则形成电晕放电（高压导线上周围蓝紫色的荧光）。
Ⅲ、实际中的各种放电形式及其用途
①辉光放电
气压较低，电源功率很小时，放电充满整个间隙。辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）、正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）及反常辉光放电的阴极溅射现象（如溅射镀膜）。辉光放电的示意图如下所示：
②火花放电
大气压力下，电源功率较小时，间隙间歇性击穿，放电通道细而明亮。 雷电就是大自然中大规模的火花放电。
火花放电能够应用于加工金属。在电解质溶液中用火花放电腐蚀金属工件，以形成同工具电极形状相对应的表面。这种加工方法能在很硬的金属上穿孔、雕刻和制成各种型面、型腔。此外汽车中的火花塞也应用了火光放电。火光放电的示意图如下所示：
③弧光放电
大气压力下，电源功率较大，放电具有明亮、持续的细致通道。弧光放电应用广泛，可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源；在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割；在医学上用作紫外线源（汞弧灯）。弧光放电示意图如下所示：
④电晕放电
极不均匀电场，高电场强度电极附近出现发光薄层，同时会有伴有“嘶嘶”的响声，甚至能闻到臭氧的味道。电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、空气净化、材料表面改性等。电晕放电示意图如下所示：
