电介质物理课件(2005-4).pdf

1 第四章第四章 介质击穿介质击穿 本章介绍电介质在强电场下本章介绍电介质在强电场下本章介绍电介质在强电场下本章介绍电介质在强电场下 的击穿机理的击穿机理 击穿形式可分为电击穿形式可分为电的击穿机理的击穿机理 击穿形式可分为电击穿形式可分为电 击穿击穿 热击穿和放电击穿热击穿和放电击穿 它与它与击穿击穿 热击穿和放电击穿热击穿和放电击穿 它与它与 物质的聚集状态相关物质的聚集状态相关 物质的聚集状态相关物质的聚集状态相关 4 1 概述概述 4 2 4 2 气体介质的击穿气体介质的击穿 4 2 4 2 液体介质的击穿液体介质的击穿 4 3 4 3 固体介质的击穿固体介质的击穿 4 1 4 1 概述概述 U I O Ub Ub为为击穿电压击穿电压 击穿电场击穿电场Eb Ub d d为介质厚度为介质厚度 介质击穿导体电介质由绝缘体 时 当 常数 在低电压区满足 Ub b dU dI UU dU dI 击穿的分类击穿的分类 本征击穿本征击穿 Intrinsic BreakdownIntrinsic Breakdown 电击穿电击穿 非本征击穿非本征击穿 热击穿热击穿 Thermal BreakdownThermal Breakdown 放电击穿放电击穿 Discharge BreakdownDischarge Breakdown 介质击穿两种情况介质击穿两种情况 发生可恢复性变化发生可恢复性变化 介质在电场的作用下被击穿介质在电场的作用下被击穿 把外电把外电 场撤除后场撤除后 介质又恢复其绝缘性能介质又恢复其绝缘性能 自愈现象自愈现象 SelfSelf HealingHealing 如气体如气体 发生永久性变化发生永久性变化 或叫不可逆变化或叫不可逆变化 如固体介质击穿如固体介质击穿 4 2 4 2 气体介质的击穿气体介质的击穿 2 mAj mVE IIIIII 1 E i E Sj b E 常见的放电形式常见的放电形式 火花放电火花放电瞬时瞬时 间断产生间断产生 常压附近常压附近 辉光放电辉光放电出现均匀的明暗相间的辉光区出现均匀的明暗相间的辉光区 电晕放电电晕放电电极的曲率小电极的曲率小 电场不均匀电场不均匀 在电场尖端出现在电场尖端出现 暗蓝色微光暗蓝色微光 电弧放电电弧放电功率大功率大 连续弧光连续弧光 温度极高温度极高 汤申特汤申特 Townsend Townsend 碰撞游离理论碰撞游离理论 1 1 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的过程电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的过程 2 2 要维持自持放电必须从阴极发射电子要维持自持放电必须从阴极发射电子 表面游离表面游离 电极表面原子中的价电子吸收能量电极表面原子中的价电子吸收能量 脱离原子脱离原子 束缚束缚 逸至电极表面逸至电极表面 体积游离体积游离 气体分子中电子获得足够的能量脱离分子气体分子中电子获得足够的能量脱离分子 形形 成自由电子和正离子成自由电子和正离子 电子也可吸附在其他分子上形成负离电子也可吸附在其他分子上形成负离 子子 标准状态下标准状态下 空气空气 3 3 4 4对电离对电离 cm cm3 3 s s 当外电场作用于气体时当外电场作用于气体时 气体中的一切带电粒子受到电气体中的一切带电粒子受到电 场力的加速作用场力的加速作用 设设q q 粒子的电荷粒子的电荷 m m 粒子的质量粒子的质量 E E 电电 场强度场强度 a a 粒子受电场力获得的加速度粒子受电场力获得的加速度 a a qE mqE m 两次两次碰撞碰撞 粒子在电场方向的速度粒子在电场方向的速度V V为为 两次碰撞间的自由程两次碰撞间的自由程 粒子的自由程时间粒子的自由程时间 带电粒子走过单带电粒子走过单 位距离的碰撞次数位距离的碰撞次数 0 qE va dt m 1 1 电子碰撞游离电子碰撞游离 2 粒子从电场中获得的动能粒子从电场中获得的动能 T mv T mv2 2 2 q 2 q2 2E E2 2 2 2 2m 2m 从公式中看出从公式中看出 在电场作用下在电场作用下 带电粒子的动能正比于电带电粒子的动能正比于电 场强度的平方场强度的平方 反比于粒子的质量反比于粒子的质量 而气体粒子中电子的而气体粒子中电子的 质量最小质量最小 所以所以在一定的电场下在一定的电场下 自由电子所获得的动能自由电子所获得的动能 最大最大 因此因此 在气体所有粒子的相互碰撞中在气体所有粒子的相互碰撞中 与自由电子与自由电子 的碰撞最容易引起碰撞电离的碰撞最容易引起碰撞电离 发生碰撞电离的条件是发生碰撞电离的条件是 q q E E WiWi 原子原子 分子电离能分子电离能 2 2 电子崩的形成电子崩的形成 x C0C x C enn nnx Cen Cxn dxndn dxdx nx n 0 0 0 ln 时 当 所产生的游离次数一个电子经过则 系数或游离系数 电离碰撞游离的次数为一个电子单位距离产生 处的电子数为穿过距阴极 数为积上由阴极逸出的电子设 单位时间 单位面 随着随着x的增加的增加 电子数按指数增加电子数按指数增加 阴极表面初始电流密度 电流密度为 到达阳极的电子数为 单位时间 单位面积上 0 00 0 c d c d ca d ca j ejenqnqj enn 21 21 21 2 1 001 0 lnln ln 3 2 1 21 dd jj dd j j ejj ejj njj d c2 d c cc0 实验法 的方法求 可确定一定 游离剂一定 电极间距 游离剂 光 热等引起 对上式的讨论 3 3 自持放电条件自持放电条件 自持放电自持放电 气体介质在阴极电子逸出气体介质在阴极电子逸出 游离游离 剂剂 的作用下产生放电的作用下产生放电 当游离剂去除当游离剂去除 后后 气体介质的放电仍能够维持下去气体介质的放电仍能够维持下去 这种现象叫做这种现象叫做 自持放电自持放电 堆积区的厚度堆积区的厚度 10 10 10 10m m 电压电压 10 10 2 2V V 堆积区的电场可达堆积区的电场可达 E 10E 10 2 2V 10V 10 10 10m 10 m 108 8V mV m 阴极上出现正离子堆积区阴极上出现正离子堆积区 率很小 但 这种游离碰撞的几 第二游离系数 游离碰撞系数为 游离 设会与中性分子碰撞产生正离子沿电场方向运动 0 3 d ca cc enn nnn n 到达阳极的电子数为 为 从阴极拉出的总电子数 则上拉出的电子数为设单位时间 单位面积 阴极拉出电子 行从使阴极产生电子 即强这样强的电场 足以迫 0 产生的正离子数 产生的电子数为 从阴极到阳极的间距中 1 d cca ennn 游离系数 表面游离系数 第三 表面拉出的电子数为设 一个正离子从阴极 1 1 0 d ccc d c ennn enn d d c a d c c e e n n e n n 11 11 0 0 1 1 0 d d c a e ej nqj 自持放电 当 非自持放电 时 当 讨论 je jje d c d 011 2 0111 1 0 1 1 0 d d c a e ej nqj 自持放电的条件和物理意义自持放电的条件和物理意义 1 1 1 1 1 1 d d d d d e e e e e 自持放电条件自持放电条件 一个电子从阴极出发后运动一个电子从阴极出发后运动一个电子从阴极出发后运动一个电子从阴极出发后运动d d d d距离所产生的电子数距离所产生的电子数距离所产生的电子数距离所产生的电子数 这个电子运动距离这个电子运动距离这个电子运动距离这个电子运动距离d d d d后所产生的正离子后所产生的正离子后所产生的正离子后所产生的正离子数数数数 从从从从阴极拉出的电子数阴极拉出的电子数阴极拉出的电子数阴极拉出的电子数 从从从从阴极拉出一个电子阴极拉出一个电子 正好可正好可阴极拉出一个电子阴极拉出一个电子 正好可正好可 替代最初的表面游离剂替代最初的表面游离剂 替代最初的表面游离剂替代最初的表面游离剂 4 4 放电电压放电电压U Ub b的确定的确定 1 1 ln 011 d e d 可得 件 由气体介质自持放电条 每单位距离的碰撞次数 气压 碰撞之间的平均自由程 的碰撞游离次数一个电子经过单位距离 求 AP P P 1 1 E PB E PAUx x i i i ePAePAe ex E U xx ii i 1 数为 故每单位距离的碰撞次 的几率为玻尔兹曼分布而电子行程大于 电子的运动行程 的必要条件是 一个电子产生碰撞游离 4 1 1 ln dePA E PB 有 带入 dEU bb 击穿电压 dPf dPA dPB Ub 1 1ln ln 巴申定律巴申定律巴申定律巴申定律 dPf dPA dPB Ub 1 1ln ln Ub p d Ubmin 理论理论 实测实测 p1 在均匀电场中在均匀电场中 U Ub b f p f p d d p p增加增加n n倍倍 d d下降下降n n倍倍 U Ub b不变不变 1 1 巴申定律的物理意义巴申定律的物理意义 每种气体的放电电压都存在一最小值每种气体的放电电压都存在一最小值U Ubmin bmin 当当d d一定一定 p pp p1 1 有最小放电电压有最小放电电压 电子的运动距离与单位电子的运动距离与单位 距离电子的碰撞次数的共同效应最大距离电子的碰撞次数的共同效应最大 p pppP p1 1 气体密度大气体密度大 碰撞次数增加碰撞次数增加 但电离碰撞次数下降但电离碰撞次数下降 U Ub b 增加增加 3 3 当当p p一定时一定时 d dd d1 1 出现 出现U Ubmin bmin d dd d1 1 由于由于d d增加增加 E E下降下降 故故U Ub b增加增加 d dd d1 1 由于由于d d减小减小 碰撞次数减小碰撞次数减小 故故U Ub b增加增加 特别是当特别是当d d U3 U2 U1 A B C tAtBtC Q2 22 0 2 21 21 21 24 024 0 0 atatat b tt tt bbC eAed aS ed aS U dt dQ dt dQ QQ UttCQUQ bb bb 解得 压 对应的电压为击穿电点 对应温度为相切于与 讨论讨论 U Ub b与与d d成正比成正比 但实验未证实但实验未证实 U Ub b与与t t的关系的关系 与与 1 1 的关系相的关系相 同同 只是指数减半只是指数减半 lnUb ln t 五五 固体介质的电击穿固体介质的电击穿 概念概念 电击穿为固体介质的本征击穿电击穿为固体介质的本征击穿 产生原因产生原因 电子过程电子过程 电子碰撞游离电子碰撞游离 1 20001 2000倍倍20002000倍倍20002000 N N10108 8 10 109 9V mV m固体固体 1 P1 PP P N N密度密度 N N3000KV m3000KV m气体气体 汤申特理汤申特理 论论 1 1 汤姆逊气体放电理论体现自持放电的条件是什么并详细说明其物理意汤姆逊气体放电理论体现自持放电的条件是什么并详细说明其物理意 义义 2 2 叙述巴申定理并推导其表达式叙述巴申定理并推导其表达式 3 3 由巴申定律的数学表达式由巴申定律的数学表达式 已知铜电极已知铜电极 0 0250 025 参数参数A A 10 9510 95 cm cm mmHgmmHg 1 1 B B 2 742 74 10102 2V cm mmHgV cm mmHg时时 求小气体最小放电电压求小气体最小放电电压 并作出放电电压并作出放电电压 U Ub b与 与 P Pb b关系曲线关系曲线 4 4 提高气体放电的电压提高气体放电的电压 可以采取哪几种方法可以采取哪几种方法 5 5 液体介质的