气体放电的基本物理过程 (2)精选文档.ppt

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1、气体放气体放电电的基本物理的基本物理过过程程本讲稿第一页，共四十八页Company Logo 气体、液体、固体介质的放电理论气体、液体、固体介质的放电理论 影响电介质放电的因素影响电介质放电的因素 提高电介质电气强度的方法提高电介质电气强度的方法 电介质的击穿特性电介质的击穿特性本讲稿第二页，共四十八页电介质分为：绝缘物质电介质分为：绝缘物质 气体气体 液体液体 固体固体 混合混合绝缘体绝缘体导体导体电场小于电气强度电场小于电气强度极化、电导、介质损耗极化、电导、介质损耗电场大于电场大于电气强度电气强度放电、击放电、击穿等穿等本讲稿第三页，共四十八页Company Logo 张张张张 宁宁宁宁

2、 福州大学电力系福州大学电力系 13400558745第一章第一章 气体放电的基本物理过程气体放电的基本物理过程本讲稿第四页，共四十八页Company Logo 气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失 均匀电场中的击穿过程均匀电场中的击穿过程 不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的一般描述本讲稿第五页，共四十八页气体放电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在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程l气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中带电粒子是如何形成的？l气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？l气隙中导电

3、通道形成后是如何维持持续放电的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？本讲稿第六页，共四十八页Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.1 1.1 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失本讲稿第七页，共四十八页主要内容主要内容l 自由行程长度自由行程长度l 迁移率和扩散迁移率和扩散l 带电粒子的产生（以碰撞电离为主）带电粒子的产生（以碰撞电离为主）l 负离子的产生负离子的产生l 带电粒子的消失带电粒子的消失本讲稿第八页，共四十八页一一 质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一一个个质质点点在在与与气气体体分分子子相相邻邻两两次

4、次碰碰撞撞之之间间自自由由地地通通过过的的平平均行程均行程本讲稿第九页，共四十八页n自自由由行行程程的的分分布布：具具有有统统计计性性的的规规律律。质质点点的的自自由由行行程程大大于于x的概率为的概率为 令x=，可可见见实实际际自自由由行行程程长长度度大大于于或或等等于于平平均均自自由由行行程长度的概率为程长度的概率为36.8%本讲稿第十页，共四十八页n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气气体体分分子子密密度度越越大大，其其中中质质点点的的平平均均自自由由行行程程越越小小。对对于于同同一一种种气气体体，其其分分子子密密度度和和该该气气体体的的密密

5、度成正比度成正比本讲稿第十一页，共四十八页二二 带电粒子的迁移率和迁移率带电粒子的迁移率和迁移率n在在气气体体放放电电空空间间，带带电电质质点点单单位位场场强强下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态，保保持持平平均均速速度度，即即上上述述的的带带电电质质点点的的驱驱引引速度速度k=v/E 电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大得得多多，即即使使在在很很弱弱的的电电场场中，电子迁移率也随场强而变中，电子迁移率也随场强而变 本讲稿第十二页，共四十八页带电质点的扩散带电质点的扩散 n热热运运动动中中，粒粒子子从从浓浓度度较较大大的的区区域域运运动动到到浓浓度度较较小小的的区区域域，从

6、从而而使使粒粒子浓度均匀化，这种过程叫做扩散。子浓度均匀化，这种过程叫做扩散。n气气体体中中带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高高或或者者温温度越低，扩散过程也就越弱度越低，扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少，因因此此，电电子子的的扩扩散散过过程程比比离离子子的的要要强得多强得多 本讲稿第十三页，共四十八页 原子电离原子电离：原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，使使其其一一个个或或几几个个电电子子脱脱离离原原子子核

7、核的的束束缚缚而而形形成成自自由由电电子子和和正正离离子子的的过过程程称称为为原原子子的的电电离离，它它是是气气体体放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。激励：激励：当当原原子子获获得得外外加加能能量量时时，一一个个或或多多个个电电子子有有可可能能转转移移到到离离核核较远的外部轨道上，这个过程成为激励。较远的外部轨道上，这个过程成为激励。三三 带电粒子的产生（电离过程）带电粒子的产生（电离过程）本讲稿第十四页，共四十八页 气体中带电粒子的产生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：（一）气体分子的电离可由下列因素引起：（1 1）

8、碰撞电离）碰撞电离 （2 2）各种光辐射（光电离）各种光辐射（光电离）（3 3）高温下气体中的热能（热电离）高温下气体中的热能（热电离）（二）（二）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离本讲稿第十五页，共四十八页1.1.碰撞电离碰撞电离 n气气体体放放电电中中，碰碰撞撞电电离离主主要要是是自自由由电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞而而引起的引起的 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满满足如下条件时，将引起碰掩电离足如下条件时，将引起碰掩电离 n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行

9、程的大小有关n注意：发生碰撞电离基本都是注意：发生碰撞电离基本都是自由电子自由电子引起的引起的本讲稿第十六页，共四十八页2.2.光电离光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为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、气体放电过程自然界、人为照射、气体放电过程n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满满足足下下面面条条件件，将将引引起起光电离，分解成电子和正离子光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对对所所有有气气体体来来说说，在在可可见见光光的的作

10、作用用下下，一一般般是是不不能能直直接接发发生光电离的生光电离的 本讲稿第十七页，共四十八页3.3.热电离热电离 n因气体热状态引起的电离过程称为热电离因气体热状态引起的电离过程称为热电离n在高温下，例如发生电弧放电时，气体温度可在高温下，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达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离的碰撞电离 n高温下高能热辐射也能造成气体的电离高温下高能热辐射也能造成气体的电离 本讲稿第十八页，共四十八页4.4.金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功逸出功：金属的微观结构：金属的

11、微观结构、金属表面状态、金属表面状态（小于电离能小于电离能）n金属表面电离有多种方式金属表面电离有多种方式n正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极 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由电子本讲稿第十九页，共四十八页 2）光电效应）光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当光光子子的的能能量量

12、大大于于选选出出功功时时，金金属属表表面放射出电子面放射出电子 3）强场放射（冷放射）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）热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时，其其中中的的电电子子获获得得巨巨大大动动能能，逸逸出出电电子子本讲稿第二十页，共四十八页四四 负离子的形成负离子的形成 n附附着着过过程程：有有时时电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞非非但但没没有有电电离离出出新新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 n有有些些气气体体形形

13、成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形形成负离子，称为电负性气体（如成负离子，称为电负性气体（如SF6）n负离子的形成起着阻碍放电的作用（减少了自由电子数）负离子的形成起着阻碍放电的作用（减少了自由电子数）本讲稿第二十一页，共四十八页五五 气体中带电粒子的消失气体中带电粒子的消失n电场作用下气体中带电粒子的定向运动电场作用下气体中带电粒子的定向运动 n带电粒子的扩散带电粒子的扩散n带电粒子的复合带电粒子的复合 本讲稿第二十二页，共四十八页带电质点的复合带电质点的复合 n正正离离子子和和负负离离子子或或电电子子相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中

14、中和和、还原为分子的过程还原为分子的过程n在在带带电电质质点点的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射射在在一一定条件下又可能成为导致电离的因素定条件下又可能成为导致电离的因素 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n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 本讲稿第二十三页，共四十八页复习复习l平均自由行程长度影响因素：半径、温度、气压l迁移率和扩散l电离（需满足

15、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l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l正离子碰撞阴极表面（动能大于2倍逸出功）l负离子的形成l带电粒子的消失复合本讲稿第二十四页，共四十八页Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州大学电力系福州大学电力系 134005587451.2-1.3 1.2-1.3 电子崩和自持放电电子崩和自持放电本讲稿第二十五页，共四十八页一一 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电本讲稿第二十六页，共四十八页nO O点点：由由于于光光辐辐射射的的作作用用，在在气气隙中存在一定量的自由电子隙中存在一定量的自由电子lA A

16、点：点：由于光电离而产生的自由电子全部消失在外回路中由于光电离而产生的自由电子全部消失在外回路中lO O点点AA点点：自自由由电电子子在在外外电电场场作作用用下下的的运运动动速速度度增增加加，同同时时发发生生复复合合的可能性减少的可能性减少本讲稿第二十七页，共四十八页nA A点点BB点点：随随着着外外电电压压的的增增加加，自自由电子数基本不变，电流值不变由电子数基本不变，电流值不变lB B点点CC点点：随随着着外外电电场场的的增增强强，自自由由电电子子的的数数量量和和运运动动速速度度同时快速增加同时快速增加lB B点点：此此时时外外电电场场达达到到一一定定程程度度，能能够产生额外的自由电子够产

17、生额外的自由电子本讲稿第二十八页，共四十八页非自持放电非自持放电n外外施施电电压压小小于于U U0 0时时，间间隙隙内内虽虽有有电电流流，但但其其数数值值甚甚小小，通通常常远远小小于于微微安安级级，因因此此气气体体本本身身的绝缘性能尚未被波的绝缘性能尚未被波破破坏坏，即即间间隙隙还还未未被被击击穿穿。而而且且这这时时电电流流要要依依靠靠外外电电离离因因素素来来维维持持。如如果果取取消消外外电电离离因因家家，那那么么电电流流也将消失也将消失 本讲稿第二十九页，共四十八页自持放电自持放电n当当电电压压达达到到U U0 0后后，气气体体中中发发生生了了强强烈烈的的电电离离，电电流流剧剧增增。同同时时

18、气气体体中中电电离离过过程程只只靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此U U0 0以以后后的的放放电电形形式式也也称称为为自自持持放电放电 本讲稿第三十页，共四十八页n由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压n如如电电场场比比较较均均匀匀，则则间间隙隙将将被被击击穿穿，而而起起始始电电压压U U0 0也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压U Ub bn如如电电场场极极不不均均匀匀，则则当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集中

19、中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕晕起起始始电电压压，而击穿电压可能比起始电压高很多而击穿电压可能比起始电压高很多本讲稿第三十一页，共四十八页均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 n汤逊放电理论汤逊放电理论n流注放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pdpd（压（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 本讲稿第三十二页，共四十八页汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论n汤汤逊逊理理论论认认为为，当当pd较较小小时时，电电子子的的碰碰撞

20、撞电电离离和和正正离离子子撞撞击击阴阴极极造造成成的的表表面面电电离离起起这这主主要要作作用用，气气隙隙的的击击穿穿电电压压大大体体上上是是pd的的函数函数本讲稿第三十三页，共四十八页二二 电子崩的形成电子崩的形成 （过程过程 ）一一个个起起始始电电子子自自电电场场获获得得一一定定动动能能后后，会会碰碰撞撞电电离离出出一一个个第第二二代代电电子子；这这两两个个电电子子作作为为新新的的第第一一代代电电子子，又又将将电电离离出出新新的的第第二二代代电电子子，这这时时空空间间已已存存在在四四个个自自由由电电子子；这这样样一一代代一一代代不不断断增增加加的的过过程程，会会使使电电子子数数目目迅迅速速增

21、增加加，如同冰山上发生雪崩一样如同冰山上发生雪崩一样 本讲稿第三十四页，共四十八页电子崩过程中产生的电流电子崩过程中产生的电流n 电离系数电离系数 一一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经1cm长长度度，平平均均发发生生的的碰碰撞撞电电离离次数次数 设设电电子子在在均均匀匀电电场场中中行行经经距距离离x而而未未发发生生碰碰撞撞，则则此此时时电电子子从从电电场场获获得得的的能能量量为为eEx，电电子子如如要要能能够够引引起起碰碰撞撞电电离离，必必须须满满足足条条件件 只只有有那那些些自自由由行行程程超超过过xiUiE的的电电子子，才才能能与与分分子子发发生生碰碰撞撞电离电离 若电子的平均

22、自由行程为若电子的平均自由行程为，自由行程大于自由行程大于xi的概率为的概率为 本讲稿第三十五页，共四十八页在在lcm长度内，一个电子的平均碰撞次数为长度内，一个电子的平均碰撞次数为l 其中其中是电子自由行程超过是电子自由行程超过xi 而发生的碰撞而发生的碰撞，即电离碰撞次数，即电离碰撞次数 气体温度不变时，气体温度不变时，1 Ap，并令，并令AUiB，可得，可得 结论：场强较大时，电子碰撞电离系数较大结论：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在气压较大或较小时，电子碰撞电离系数较小 本讲稿第三十六页，共四十八页设设：在在外外电电离离因因素素光光辐辐射射的

23、的作作用用下下，单单位位时间内阴极单位面积产生时间内阴极单位面积产生n0 个电子个电子 在在距距离离阴阴极极为为x的的横横截截面面上上，单单位位时时间内单位面积有间内单位面积有n个电子飞过个电子飞过 这这n个个电电子子行行过过dx之之后后，又又会会产产生生dn个新的电子个新的电子 将此式积分，可得电子的增长规律为将此式积分，可得电子的增长规律为 本讲稿第三十七页，共四十八页对于均匀电场，对于均匀电场，不随空间位置而变不随空间位置而变 相应的电子电流增长规律为相应的电子电流增长规律为 令令xd，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流 本讲稿第三十八页，

24、共四十八页三三 过程过程n 电离系数电离系数 正正离离子子在在间间隙隙中中造造成成的的空空间间电电离离过过程程不不可可能能具具有有显显著著的作用的作用 正正离离子子向向阴阴极极移移动动，依依靠靠它它所所具具有有的的动动能能及及位位能能，在在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来 表表示示折折算算到到每每个个碰碰撞撞阴阴极极表表面面的的正正离离子子，阴阴极极金金属属平平均释放出的自由电子数均释放出的自由电子数 条件：条件：1.时间足够长时间足够长 2.电场强度足够强电场强度足够强本讲稿第三十九页，共四十八页从阴极飞出从阴极飞出n0个电子，

25、到达阳极后，电子数将增加为个电子，到达阳极后，电子数将增加为 正离子数正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数本讲稿第四十页，共四十八页 阴极表面阴极表面 气体间隙中气体间隙中 阳极表面阳极表面第一次第一次 1个电子个电子 产生产生 个正离子个正离子 个电子进入个电子进入第二次第二次 个电子个电子 产生产生 个正离子个正离子 个电子进入个电子进入 第三次第三次 个电子个电子 产生产生 个正离子个正离子 个电子进入个电子进入 本讲稿第四十一页，共四十八页四四 自持放电条件自持放电条件 设设 n01 放电有非自持转入自持的条件为放电有非自持转入自持的条件为

26、在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有在均匀电场中，这也就是间隙击穿的条件，上式具有清楚的物理意义清楚的物理意义 本讲稿第四十二页，共四十八页 当当自自持持放放电电条条件件得得到到满满足足时时，就就会会形形成成图图解解中中闭闭环环部部分分所所示示的的循循环不息的状态，放电就能自己维持下去环不息的状态，放电就能自己维持下去 适用范围：低气压、短气隙 Pd26.66kPacm(200mmHgcm)本讲稿第四十三页，共四十八页复习复习l电子崩及其过程中带电粒子分布的特点l电子碰撞电离系数l自持放电条件l汤逊放电理论本讲稿第四十四页，共四十八页Company Logo 张张张张 宁宁宁宁 福州

27、大学电力系福州大学电力系 134005587451.4 1.4 起始电压与气压的关系起始电压与气压的关系本讲稿第四十五页，共四十八页 起始电压起始电压 温温度度不不变变时时，均均匀匀电电场场中中气气体体的的起起始始电电压压是是气气体体压压力力和和电电极极间间距距离的乘积离的乘积pd的函数的函数 本讲稿第四十六页，共四十八页n巴申（巴申（Paschen）定律）定律 击击穿穿电电压压与与pd的的规规律律在在碰碰撞撞电电离离学学说说提提出出之之前前，就就已从实验中总结出来了已从实验中总结出来了 本讲稿第四十七页，共四十八页实际上的系数实际上的系数A及及B和温度有关。系数和温度有关。系数A和绝对温度成反比和绝对温度成反比 比值比值pT和气体密度成正比和气体密度成正比 式中式中p以兆帕计，以兆帕计，T以绝对温度表示以绝对温度表示巴申定律更普遍的形式巴申定律更普遍的形式本讲稿第四十八页，共四十八页