1-2讲 1章 气体放电的基本物理过程(一)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Logo,毕业论文答辩,第一篇 电介质的电气强度,张 宁,福州大学电力系,13400558745,Company Logo,气体、液体、固体介质的放电理论,影响电介质放电的因素,提高电介质电气强度的方法,电介质的击穿特性,电介质分为：绝缘物质 气体 液体 固体 混合,绝缘体,导体,电场小于电气强度,极化、电导、介质损耗,电场大于电气强度,放电、击穿等,Company Logo,毕业论文答辩,张 宁,福州大学电力系,13400558745,第一章 气体放电的基本物理过程,Company Logo,气体中带电质点的产生和消失,均匀电场中的击穿过程,不均匀电场中的击穿过程,气体放电的一般描述,气体放电,在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程,气隙中带电粒子是如何形成的？,气隙中的导电通道是如何形成的？,气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？,Company Logo,毕业论文答辩,张 宁,福州大学电力系,13400558745,1.1,带电粒子的产生和消失,主要内容,自由行程长度,迁移率和扩散,带电粒子的产生（以碰撞电离为主）,负离子的产生,带电粒子的消失,一 质点的平均自由行程,：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程,自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的自由行程大于,x,的概率为,令,x=,，可见实际自由行程长度大于或等于平均自由行程长度的概率为,36.8%,电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多,气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比,二 带电粒子的迁移率和迁移率,在气体放电空间，带电质点单位场强下运动达到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度,k=v/E,电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变,带电质点的扩散,热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使粒子浓度均匀化，这种过程叫做扩散。,气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱,电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多,原子电离,：,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的过程称为原子的电离，它是气体放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。,激励：,当原子获得外加能量时，一个或多个电子有可能转移到离核较远的外部轨道上，这个过程成为激励。,三 带电粒子的产生（电离过程）,气体中带电粒子的产生,（一）气体分子的电离可由下列因素引起：,（,1,）碰撞电离,（,2,）各种光辐射（光电离）,（,3,）高温下气体中的热能（热电离）,（二） 金属（阴极）的表面电离,1.,碰撞电离,气体放电中，碰撞电离主要是自由电子和气体分子碰撞而引起的,在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离,碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关,注意：发生碰撞电离基本都是,自由电子,引起的,2.,光电离,光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离,自然界、人为照射、气体放电过程,当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子,光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为,对所有气体来说，在可见光的作用下，一般是不能直接发生光电离的,3.,热电离,因气体热状态引起的电离过程称为热电离,在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离,高温下高能热辐射也能造成气体的电离,4.,金属（阴极）的表面电离,阴极发射电子的过程,逸出功,：金属的微观结构 、金属表面状态 （,小于电离能,）,金属表面电离有多种方式,正离子碰撞阴极,正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于两倍的逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子,2,）光电效应,金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子,3,）强场放射（冷放射）,当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子,4,）热电子放射,当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出电子,四 负离子的形成,附着过程：有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子,有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如,SF,6,）,负离子的形成起着阻碍放电的作用（减少了自由电子数）,五 气体中带电粒子的消失,电场作用下气体中带电粒子的定向运动,带电粒子的扩散,带电粒子的复合,带电质点的复合,正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程,在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素,正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要,一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其浓度,复习,平均自由行程长度,影响因素：半径、温度、气压,迁移率和扩散,电离（需满足外界能量大于电离能）,碰撞电离：受,的影响，进而受,半径、温度、气压影响,自由电子是碰撞电离的主导因素,光电离,热电离,阴极表面电离,正离子碰撞阴极表面（动能大于,2,倍逸出功）,负离子的形成,带电粒子的消失,复合,Company Logo,毕业论文答辩,张 宁,福州大学电力系,13400558745,1.2-1.3,电子崩和自持放电,一 非自持放电和自持放电,O,点：,由于光辐射的作用，在气隙中存在一定量的自由电子,A,点：,由于光电离而产生的自由电子全部消失在外回路中,O,点,A,点：,自由电子在外电场作用下的运动速度增加，同时发生复合的可能性减少,A,点,B,点：,随着外电压的增加，自由电子数基本不变，电流值不变,B,点,C,点：,随着外电场的增强，自由电子的数量和运动速度同时快速增加,B,点：,此时外电场达到一定程度，能够产生额外的自由电子,非自持放电,外施电压小于,U,0,时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被波,破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因家，那么电流也将消失,自持放电,当电压达到,U,0,后，气体中发生了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素了。因此,U,0,以后的放电形式也称为自持放电,由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压,如电场比较均匀，则间隙将被击穿，而起始电压,U,0,也就是间隙的击穿电压,U,b,如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压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,均匀电场中气体击穿的发展过程,汤逊放电理论,流注放电理论,这两种理论互相补充，可以说明广阔的,pd,（压,力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象,汤逊气体放电理论,汤逊理论认为，当,pd,较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起这主要作用，气隙的击穿电压大体上是,pd,的函数,二 电子崩的形成 （,过程 ）,一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样,电子崩过程中产生的电流,电离系数,一个电子沿着电场方向行经,1cm,长度，平均发生的碰撞电离次数,设电子在均匀电场中行经距离,x,而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为,eEx,，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件,只有那些自由行程超过,x,i,U,i,E,的电子，才能与分子发生碰撞电离,若电子的平均自由行程为,，,自由行程大于,x,i,的概率为,在,lcm,长度内，一个电子的平均碰撞次数为,l,其中,是电子自由行程超过,x,i,而发生的碰撞,，,即电离碰撞次数,气体温度不变时，,1,Ap,，并令,AU,i,B,，可得,结论：场强较大时，电子碰撞电离系数较大,在气压较大或较小时，电子碰撞电离系数较小,设：在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生,n,0,个电子,在距离阴极为,x,的横截面上，单位时间内单位面积有,n,个电子飞过,这,n,个电子行过,dx,之后，又会产生,dn,个新的电子,将此式积分，可得电子的增长规律为,对于均匀电场，,不随空间位置而变,相应的电子电流增长规律为,令,x,d,，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流,三 过程,电离系数,正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显著的作用,正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来,表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极金属平均释放出的自由电子数,条件：,1.,时间足够长,2.,电场强度足够强,从阴极飞出,n,0,个电子，到达阳极后，电子数将增加为,正离子数,正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数,阴极表面 气体间隙中 阳极表面,第一次,1,个电子 产生 个正离子 个电子进入,第二次 个电子 产生 个正离子 个电子进入,第三次 个电子 产生 个正离子 个电子进入,四 自持放电条件,设,n,0,1,放电有非自持转入自持的条件为,在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有,清楚的物理意义,当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去,适用范围：低气压、短气隙,P,d26.66kPacm(200mmHgcm),复习,电子崩及其过程中带电粒子分布的特点,电子碰撞电离系数,自持放电条件,汤逊放电理论,Company Logo,毕业论文答辩,张 宁,福州大学电力系,13400558745,1.4,起始电压与气压的关系,起始电压,温度不变时，均匀电场中气体的起始电压是气体压力和电极间距离的乘积,pd,的函数,巴申（,Paschen,）定律,击穿电压与,pd,的,规律在碰撞电离学说提出之前，就已从实验中总结出来了,实际上的系数,A,及,B,和温度有关。系数,A,和绝对温度成反比,比值,p,T,和气体密度成正比,式中,p,以兆帕计，,T,以绝对温度表示,巴申定律更普遍的形式,