绝对真空会被高电压击穿吗？

天狼晓月

作者：Patrick Zhang

要解答这个问题，我们必须先明确什么叫做真空。
真空，从字面看，就是把容器中的气体分子抽光，近乎为宇宙深空的空间性质。但我们知道，即使是宇宙深空，也未必能有所谓的理想真空。真空里就算没有物质粒子，但也存在电磁波，以及所谓暗能量之类的东西。因此有这样一种说法：真空不空，真空是垃圾箱。笑！
既然理想真空不存在，我们还是现实一点，就从一般的大气条件开始，直到真空管内的准真空，一起来探讨一番。
我们把题主的主题改为：从大气到真空，气体介质电气击穿的条件是什么？
我们先来看一条著名的曲线——巴申曲线，如下：

这条曲线的纵坐标就是铜电极的击穿电压，横坐标是真空度p与电极间隙长度l的乘积。曲线中，实线部分为实测值，虚线为理论计算值。我们看到它们十分接近。
我们看到，曲线存在最低点，此点对应的条件就是最容易击穿之处。
另外，曲线的左侧对应于低气压或者高真空。在大气条件下，曲线左侧对应的间隙长度l已经到达微米级了，在此条件下会产生高电场发射，使得击穿电压极大地降低。
在高海拔地区，大气压强低，在同样的电极间隙距离条件下，pl的值比较小，所以击穿电压比海平面要小。
我们来看看具体的表达式：


这里的T是温度，A和B是系数。由此式中我们看到，pl是不能分开的整体。
那么这个表达式和曲线背后的物理意义是什么？我们来仔细研究一下。
设电路如下：

现在我们把电路放在空气中并且接通电路，慢慢地调小电阻R，我们会发现电路中有极其微小的电流流过。
知道这是为什么？这是因为空间中存在宇宙射线。宇宙射线击中气体原子（或者气体分子），使原子中的电子脱离原子核的束缚成为自由电子，中性气体原子也由此变成正离子。电子和正离子试图向两极运动，但由于电场还很低，所以它们很快地又复合了。只有将电阻R调到一定值时，电场已经足够强，电子终于能够到达阳极，电路中也就出现了电流。
电子在向阳极运动的过程中，会碰撞大量中性气体分子，从而制造出大量新的正离子和负离子。这里的负离子指的不是电子，而是吸附了电子的中性气体原子或者气体分子。于是电子、正离子和负离子构成了一种特殊集合，叫做电子崩。
在电子崩中，电子大多集中在指向阳极的崩头区域，正离子则集中在指向负极的崩尾区域。
注意区别电子崩和等离子体：电子崩中正负离子的分布是不均匀的，而等离子体中正负离子的分布是均匀的。电子崩再加强发展，它的最终形式就是等离子体。
我们继续调小电阻而加大电场强度，于是电子崩会向阳极运动。由于崩头和崩尾削弱了电子崩内部的电场强度，于是在电子崩内部出现了复合。而复合会放出光子，这些光子又会使得附近区域的中性气体被电离，并构建出新的电子崩。如此发展下去，会出现一系列的电子崩。最后的结果是：电极间隙被击穿。
电极间隙被击穿后，电子崩已经演变为等离子体，又被称为流注。由于这部分的讨论超出题主问题的范围，故给予忽略。
现在我们把电路放到真空中，其中当然还残余了一些气体，那么上述现象是否还会发生？答案是肯定的。但由于电子在奔向阳极的途中能够碰撞的气体分子少了，因此电极间隙的击穿特性当然也不一样了。
在继续讨论之前，我们先来看看气体击穿后的美丽景象，这就是辉光放电。
气体击穿后，首先登场的是辉光放电。辉光放电的特点是，放电区域充满整个空间，并且放出蓝色的艳丽光芒。
当然，也要看气体介质是什么，例如氖气放出的光是橙色的。

若弧隙电流不断加大，则辉光放电就演变为弧光放电。这时放电区域的直径急剧缩小，变成一根细长的弧柱，温度也不断上升。
辉光放电和电弧放电不在题主的讨论范围之内，我们就此终止它们的讨论吧。
回到真空击穿电压的讨论。
我们已经知道，在真空条件下，电极间隙中几乎没有气体分子，因此气体的电离当然也不可能存在。我们马上就会想到，讨论的重点应当是电极上出现的各种物理现象。
我们来看看有哪些重要物理现象：
热发射：当金属的温度升高时，其表面的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出。一个电子逸出金属表面所需的能量叫做逸出功，单位是电子伏特。例如银的逸出功是4.74，铜的逸出功是4.4，而钨的逸出功是7.49,。显见，逸出功与金属的熔点有关，熔点越高的金属，逸出功也越高。

场致发射（高电场发射）：当金属表面存在较高的电场强度（大于 V/m）时，金属表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒（所谓的隧道效应），逸出金属。这种现象叫做场致发射，也称为高电场发射。
光发射：当光线和射线照到金属表面时，引起电子逸出的现象。光波越短，引起的光发射作用越强，并且从金属表面逸出的电子速度越快。波长较长的光量子，虽然能量不足以直接引起电子发射，但是，却能够被金属吸收，改变金属中自由电子的运动速度，使动能超过逸出功的电子逸出金属。
以上三条中，热发射与金属材料有关，光发射与光线照射有关，而场致发射则与金属材料的表面状况和结构有关，特别是尖端放电。注意：尖端放电有极性。
需要着重指出，正因为场致发射与电极材料的表面状况和结构有关，因此加工电极表面时应当抛光，并且在设计时奥尽量避免出现凸凹不平的结构。
有关场致发射和开关触头结构的设计，有大量的论文资料可供参考。这是开关电器业界的重点关注内容之一。

对于电极间隙，由于真空中已经不存在气体，因此普通气体不在我们的谈论范围之内。有趣的是，这时会出现另外一种气体，就是金属蒸汽。
我们知道，银是最好的导电材料，但它的熔点也低。当电极材料受到电子的冲击时会发热，一旦这种发热使得电极材料熔化和沸腾，电极材料的表面就会出现金属蒸汽。金属蒸汽的电离能比一般气体的小很多。因此在任一温度下，当气体中含有金属蒸气时，其电离度比纯气体时高，即电导率比较大。

可见，电极材料的选择极其重要。事实上，电极材料的研究是开关电器行业中的重头戏。电极材料的研究和接触电阻的研究结合在一起，是当前国际间研究的重点内容，我国也有对应的专门学会。
回到问题上来：在高真空下，电极间隙中由于热发射和场致发射的原因会出现电子，电子在高电场的作用下撞击电极，造成二次发射和光发射。这些效应的叠加结果就是出现了电流。
现在可以回答开篇的问题了：
在高真空下，电极间隙的电子发射是由三种发射形式叠加的结果：
1）电子轰击电极造成电极发热，而发热又加剧了热发射；
2）电子和正离子的复合会放出强光，强光又促成了光发射；
3）电极表面的不平整度加剧了场致发射的强度。