04气体放电的物理基础1

第三章电弧的基本特性,1、电弧在大气中开断电路时，如果,则在弧隙中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体。2、电弧具有两重性(1)给电路中磁能的泄放提供场所，从而降低电路开断时产生的过电压；(2)延迟电路的开断、烧损触头，在严重的情况下甚至可能引起开关电器的着火和爆炸。3、研究电弧的目的采取措施使电弧存在的时间尽量缩短，以减轻其危害，尽快地熄灭电弧。4、气体放电弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态、使电流得以通过的现象。电弧是气体放电的一种形式。,1,3.1气体放电的物理基础,一、电离和激励的概念1、原子结构物质的原子是由原子核和若干个绕原子核旋转的电子构成的，这些电子沿着一定的轨道围绕原子核运动。,2、电离(1)定义：如果外界加到原子上的能量足够大，使其电子得以跳出原子核吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子（中性粒子）变成一带有正电荷的离子正离子。(2)电离能：电离出一个自由电子所需的能量，叫做电离能Wi，为一个电子的电量与一电位差的乘积，即,e电子的电量,e1.610-19C；Vi电离电位。,2,3.1气体放电的物理基础,一些气体和金属蒸汽的电离能和激励能,3,3.1气体放电的物理基础,3、激励(1)定义：如果加到中性粒子上的能量不够大，只能使其电子由正常运行的轨道跳到较外层的轨道。(2)激励能：激励中性粒子过程所需的能量。(3)激励的一些特点:1)分级电离:已被激励的中性粒子比较容易电离，这种经过激励状态再电离的现象叫做分级电离。2)是一种不稳定的状态:大多数被激励的中性粒子能以光量子的形式释放掉能量而自动地返回到正常状态。中性粒子处于激励状态的时间一般低于10-910-8s。,4,3.1气体放电的物理基础,3)介稳状态（亚稳状态）:在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道上去，然后才能跳回正常轨道；或在第二次外界能量的作用下发生电离。中性粒子处于介稳状态的时间可达10-410-2s甚至更长，因而它在中性粒子电离的过程中起很大作用。,5,3.1气体放电的物理基础,二、气体电离方式,电离度越高，气体的电导率越大。气体电离的方式：表面发射和空间电离。,电离气体:气体通常是不导电的，但如果气体中含有带电粒子，它就能够导电。电离度：,带电粒子:,电子、正离子和负离子。,含有带电粒子的气体。,6,3.1气体放电的物理基础,1、表面发射金属电极表面在某些情况下能够发射电子进入极间气体。(1)热发射金属的温度升高时，其表面的自由e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。逸出功Wyc：,一些金属元素的逸出功,一个电子逸出金属表面所需的能量。,7,3.1气体放电的物理基础,(2)场致发射金属表面存在较高的E（106V/cm）时，其表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒（即所谓隧道效应）逸出金属。在较高温度时，场致发射的电流密度Jcf（单位为A/cm2）可用下式计算：,式中：E金属表面的电场强度单位为V/cm；A2常数。对于铁A20.01。,根据量子力学理论，对一个清洁而均匀的表面，其饱和的热发射电流密度Jrf（单位为A/cm2）可用下式计算：,A1常数，A160.2120。对纯金属可取A1100；Wyc逸出功，单位为eV；T金属表面温度，单位为K。,8,3.1气体放电的物理基础,(3)光发射：光和射线照射到金属表面时引起电子逸出的现象。光的波长越短，其所引起光发射的作用就越强，并且从金属表面逸出的电子速度就越高。较长的光量子，虽然其能量不足以直接引起电子发射，但却能为金属吸收，改变金属中电子的运动速度，使动能超过逸出功的电子逸出金属。,(4)二次发射：正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子以很高的速度撞击阳极时，都可能引起金属电极表面发射电子。在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近比阳极表面附近的电场强度高，所以阴极表面二次发射较强并在气体放过程中起着重要的作用。,9,3.1气体放电的物理基础,2、空间电离电极间气体自身由绝缘状态变成导体状态(不是由外界送入带电粒子)的现象。(1)光电离中性粒子在受到频率为的光照射时，如果满足条件,h普朗克常数，h6.62410-34Js；Wyl中性粒子的电离能。,则可能被电离。这一现象叫做光电离。光的频率越高（即光的波长越短），其电离作用越强。所以x射线、宇宙射线和紫外线都有较强的电离作用，而可见光几乎不能引起气体电离。,10,3.1气体放电的物理基础,(2)电场电离设有一个质量为m的带电粒子，在电场作用下被加速到速度v，其动能为mv2/2，如果mv2/2Wyl，则当它在前进过程中撞到另一中性粒子时，就可能使之电离。电子的体积小，自由行程长，容易积累足够的动能，故在产生电场电离方面电子比其他带电粒子起着更重要的作用。通常碰撞发生电离或激励的概率是很低的。例如，在电场强度E(12)104V/m时，碰撞电离的概率为0.20.4，激励的概率为1或更小。,11,3.1气体放电的物理基础,(3)热电离气体粒子由于高速的热运动、互相碰撞而产生的电离，叫做热电离。气体的热电离度：,式中：p气体压力，单位为Pa；T气体温度，单位为K；Wyl中性粒子的电离能，单位为J。,12,3.1气体放电的物理基础,铜、汞蒸汽和几种气体的电离度与温度的关系,13,3.1气体放电的物理基础,在一个大气压时，空气的热电离电流密度Jry：,14,3.1气体放电的物理基础,三、气体消电离方式消电离：电离气体中带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。气体消电离的方式分为两类：,1、复合两个带有异号电荷的粒子相遇后相互作用而使其电荷消失的现象。复合的方式：,复合与扩散。,表面复合与空间复合。,15,3.1气体放电的物理基础,(1)表面复合：发生在金属或其它材料表面的复合。电子进入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得电子，自身变为中性粒子；负离子接近阳极后将电子移给阳极，自身变为中性粒子；,16,3.1气体放电的物理基础,(2)空间复合：发生在电极之间的复合。直接空间复合：正离子和自由电子在空间相遇后形成一中性粒子。间接空间复合：一个自由电子先和中性粒子粘合形成负离子，然后再和正离子复合形成两个中性粒子。,17,3.1气体放电的物理基础,异号带电粒子复合成中性粒子也是由其电磁场相互作用的结果，因而也需要一定的作用时间。由于电子的速度速度比负离子大得多，所以直接空间复合的概率比间接空间复合的概率小得多。,电子和中性粒子形成负离子的可能性与气体的性质和纯度有关。例如，惰性气体以及纯净的氮气、氢气都不能和电子粘合形成负离子，而氟原子及其化合物的分子对电子的亲合作用特别强。,负电性气体,氟原子及其化合物,18,3.1气体放电的物理基础,复合的过程总是伴随着能量的释放。表面复合下，释放出的能量多用以加热电极、金属或绝