气体放电的基本物理过程一ppt课件

1、第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度 气体、液体、固体介质的放电实际气体、液体、固体介质的放电实际 影响电介质放电的要素影响电介质放电的要素 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、放电、击穿等击穿等1pptCompany Logo第一章第一章 气体放电的根本物理过程气体放电的根本物理过程1pptCompany Logo 气体中带电质点

2、的产生和消逝气体中带电质点的产生和消逝 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 气体放电的普通描画气体放电的普通描画气体放电气体放电在电场作用下，气隙中带电粒子的构成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的构成和运动过程n气隙中带电粒子是如何构成的？气隙中带电粒子是如何构成的？n气隙中的导电通道是如何构成的？气隙中的导电通道是如何构成的？n气隙中导电通道构成后是如何维持继续放电的？气隙中导电通道构成后是如何维持继续放电的？ 1pptCompany Logo1.1 带电粒子的产生和消逝带电粒子的产生和消逝主要内容主要内容l 自在行程长度自在行程长度

3、l 迁移率和分散迁移率和分散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 带电粒子的消逝带电粒子的消逝一一 质点的平均自在行程质点的平均自在行程 ：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自在地经过的平均行程自在地经过的平均行程n自在行程的分布：自在行程的分布： 具有统计性的规律。质点的自在行程具有统计性的规律。质点的自在行程大于大于x的概率为的概率为 n 令令x= l l，可见实践自在行程长度大于或等于平均自在，可见实践自在行程长度大于或等于平均自在行程长度的概率为行程长度的概率为36.8%xexf)(prkTe

4、2n电子的平均自在行程要比分子和离子的大得多电子的平均自在行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大，其中质点的平均自在行程越气体分子密度越大，其中质点的平均自在行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比度成正比pT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在气体放电空间，带电质点单位场强下运动到达某种在气体放电空间，带电质点单位场强下运动到达某种稳定形状，坚持平均速度，即上述的带电质点的驱引稳定形状，坚持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度速度nk=v/En n电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场电子迁移率比离

5、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中，电子迁移率也随场强而变 带电质点的分散带电质点的分散 n热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域热运动中，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，这种过程叫做分散。，从而使粒子浓度均匀化，这种过程叫做分散。 n气体中带电质点的分散和气体形状有关，气体压力越高或气体中带电质点的分散和气体形状有关，气体压力越高或者温度越低，分散过程也就越弱者温度越低，分散过程也就越弱n电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中遭到的碰撞也较少，因此，电

6、子的分散过程比在热运动中遭到的碰撞也较少，因此，电子的分散过程比离子的要强得多离子的要强得多 原子电离：原子电离： 原子在外界要素作用下，使其一个或几个电子原子在外界要素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而构成自在电子和正离子的过脱离原子核的束缚而构成自在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。程称为原子的电离，它是气体放电的首要前提。其所需求的能量成为电离能。其所需求的能量成为电离能。鼓励：鼓励： 当原子获得外加能量时，一个或多个电子有能当原子获得外加能量时，一个或多个电子有能够转移到离核较远的外部轨道上，这个过程成为够转移到离核较远的外部轨道上，这个过程成为鼓励。

7、鼓励。 三三 带电粒子的产生电离过程带电粒子的产生电离过程 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以下要素引起：一气体分子的电离可由以下要素引起： 1 1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 金属阴极的外表电离金属阴极的外表电离1.1.碰撞电离碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是自在电子和气体分子碰撞气体放电中，碰撞电离主要是自在电子和气体分子碰撞而引起的而引起的 n在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能在电场作用下，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

8、电离满足如下条件时，将引起碰掩电离n n碰撞电离的构成与电场强度和平均自在行程的大小有关碰撞电离的构成与电场强度和平均自在行程的大小有关n留意：发生碰撞电离根本都是自在电子引起的留意：发生碰撞电离根本都是自在电子引起的ieeeWxEqvm2212.2.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n 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当气体分子遭到光辐射作用时，如光子能量满足下面条当气体分子遭到光辐射作用时，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件，将引起光电离，分解成电子和正离子n光辐射可以引起光

9、电离的临界波长即最大波长为光辐射可以引起光电离的临界波长即最大波长为n对一切气体来说，在可见光的作用下，普通是不能直接对一切气体来说，在可见光的作用下，普通是不能直接发生光电离的发生光电离的 n iWhiWhc03.3.热电离热电离 n因气体热形状引起的电离过程称为热电离因气体热形状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明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射也能呵斥气体的电离高温下高能热辐射也能呵斥气体的电离 4.4.金属阴极的外表电离金属阴极的

10、外表电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 n 逸出功逸出功 ：金属的微观构造：金属的微观构造 、金属外表形状、金属外表形状 小小于电离能于电离能n金属外表电离有多种方式金属外表电离有多种方式n正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极n 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属传送的能正离子碰撞阴极时使电子逸出金属传送的能量要大于两倍的逸出功。逸出的电子有一个和正离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，其他的成为自在电子。因此正离子子结合成为原子，其他的成为自在电子。因此正离子必需碰撞出一个以上电子时才干出现自在电子必需碰撞出一个以上电子时才干出现自在电子 2光电效应光电效应 金属外表遭

11、到光的照射，当光子的能量大于选出功时金属外表遭到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属外表放射出电子，金属外表放射出电子 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 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得宏大动当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得宏大动能，逸出电子能，逸出电子四四 负离子的构成负离子的构成 n附着过程：有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出附着过程：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，构成了负离子新电子，反而是碰撞电子附着分子，构成了负

12、离子 n有些气体构成负离子时可释放出能量。这类气体容易有些气体构成负离子时可释放出能量。这类气体容易构成负离子，称为电负性气体如构成负离子，称为电负性气体如SF6n负离子的构成起着妨碍放电的作用减少了自在电子负离子的构成起着妨碍放电的作用减少了自在电子数数 五五 气体中带电粒子的消逝气体中带电粒子的消逝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带电粒子的分散带电粒子的分散n带电粒子的复合带电粒子的复合 带电质点的复合带电质点的复合 n正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传送而相互正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传送而相互中和、复原为分子的过程中和、复原为分子

13、的过程n在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射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能够成为导致电离的要素在一定条件下又能够成为导致电离的要素 n正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概正、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率大得多。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议于其一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决议于其浓度浓度 复习复习l平均自在行程长度l影响要素：半径、温度、气压l迁移率和分散l电离需满足外界能量大于电离能l碰撞电离：受的影响，进而受半径、温度、

14、气压影响l自在电子是碰撞电离的主导要素l光电离l热电离l阴极外表电离l正离子碰撞阴极外表动能大于2倍逸出功l负离子的构成l带电粒子的消逝l复合1pptCompany Logo1.2-1.3 1.2-1.3 电子崩和自持放电电子崩和自持放电一一 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电nO O点：由于光辐射的作用，在气点：由于光辐射的作用，在气隙中存在一定量的自在电子隙中存在一定量的自在电子nA A点：由于光电离而产生的自在电子全部消逝在外回点：由于光电离而产生的自在电子全部消逝在外回路中路中O点点A点：自在电子在外电场作用点：自在电子在外电场作用下的运动速度添加，同时发生复下的运动速度添加，同

15、时发生复合的能够性减少合的能够性减少nA A点点BB点：随着外电压的添加，自点：随着外电压的添加，自在电子数根本不变，电流值不变在电子数根本不变，电流值不变nB B点点CC点：随着外电场的加强，自在电子的数量和点：随着外电场的加强，自在电子的数量和运动速度同时快速添加运动速度同时快速添加B点：此时外电场到达一定程度，可点：此时外电场到达一定程度，可以产生额外的自在电子以产生额外的自在电子非自持放电非自持放电n外施电压小于外施电压小于U0U0时，间隙内时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被波体本身的绝缘性能

16、尚未被波破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依托外电离要素来维持。假设取消外电离因依托外电离要素来维持。假设取消外电离因家，那么电流也将消逝家，那么电流也将消逝 自持放电自持放电n当电压到达当电压到达U0U0后，气体后，气体中发生了剧烈的电离，中发生了剧烈的电离，电流剧增。同时气体中电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不用已可自行维持，而不再继续需求外电离要素再继续需求外电离要素了。因此了。因此U0U0以后的放电以后的放电方式也称为自持放电方式也称为自持放电 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

17、入自持放电的电压称为起始电压n如电场比较均匀，那么间隙将被击穿，而起始如电场比较均匀，那么间隙将被击穿，而起始电压电压U0U0也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压UbUbn如电场极不均匀，那么当放电由非自持转入自如电场极不均匀，那么当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极外表电场集中的区域发生持时，在大曲率电极外表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，而击穿电压能够比起始电压高很多压，而击穿电压能够比起始电压高很多均匀电场中气体击穿的开展过程均匀电场中气体击穿的开展过程 n汤逊放电实际汤逊放电实际n流注放电实际流注放电实际n 这

18、两种实际相互补充，可以阐明宽广的这两种实际相互补充，可以阐明宽广的pdpd压压n力和极间间隔的乘积范围内气体放电的景象力和极间间隔的乘积范围内气体放电的景象 汤逊气体放电实际汤逊气体放电实际n汤逊实际以为，当汤逊实际以为，当pd较小时，电子的碰撞较小时，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极呵斥的外表电离起这电离和正离子撞击阴极呵斥的外表电离起这主要作用，气隙的击穿电压大体上是主要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的的函数函数二二 电子崩的构成电子崩的构成 过程过程 一个起始电子自电场一个起始电子自电场获得一定动能后，会碰获得一定动能后，会碰撞电离出一个第二代电撞电离出一个第二代电子；这两个电子作为新子

19、；这两个电子作为新的第一代电子，又将电的第一代电子，又将电离出新的第二代电子，离出新的第二代电子，这时空间已存在四个自这时空间已存在四个自在电子；这样一代一代在电子；这样一代一代不断添加的过程，会使不断添加的过程，会使电子数目迅速添加，好电子数目迅速添加，好像冰山上发生雪崩一样像冰山上发生雪崩一样 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n 一个电子沿着电场方向行经一个电子沿着电场方向行经1cm长度，平均发生的碰长度，平均发生的碰撞电离次数撞电离次数n 设电子在均匀电场中行经间隔设电子在均匀电场中行经间隔x而未发生碰撞，那么此而未发生碰撞，那么此时电子从电场获得的能量为

20、时电子从电场获得的能量为eEx，电子如要可以引起碰撞，电子如要可以引起碰撞电离，必需满足条件电离，必需满足条件 n 只需那些自在行程超越只需那些自在行程超越xiUiE的电子，才干与分子的电子，才干与分子发生碰撞电离发生碰撞电离 n 假设电子的平均自在行程为假设电子的平均自在行程为 ，自在行程大于，自在行程大于xi的概率的概率为为 iiiiUExWEqx 或/ ixe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 其中其中是电子自在行程超越是电子自在行程超越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

21、令，并令AUiB，可得，可得 /1ixeEUxiiee11EBpApe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 设：在外电离要素光辐射的作用下设：在外电离要素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生，单位时间内阴极单位面积产生n0 个电子个电子 在间隔阴极为在间隔阴极为x的横截面上，单的横截面上，单位时间内单位面积有位时间内单位面积有n个电子飞过个电子飞过 这这n个电子行过个电子行过dx之后，又会产生之后，又会产生dn个新的电子个新的电子 dxndn将此式积分，可得电子的增长

22、规律为将此式积分，可得电子的增长规律为 xdxenn00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 xenn0 xeII0deII0三三 过程过程n 电离系数电离系数n 正离子在间隙中呵斥的空间电离过程不正离子在间隙中呵斥的空间电离过程不能够具有显著的作用能够具有显著的作用 n 正离子向阴极挪动，依托它所具有的动正离子向阴极挪动，依托它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起外表电离能及位能，在撞击阴极时能引起外表电离，使阴极释放出自

23、在电子来，使阴极释放出自在电子来 n 表示折算到每个碰撞阴极外表的正离表示折算到每个碰撞阴极外表的正离子，阴极金属平均释放出的自在电子数子，阴极金属平均释放出的自在电子数n 条件：条件：1.时间足够长时间足够长 2.电场强度足电场强度足够强够强从阴极飞出从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，电子数将添加为个电子，到达阳极后，电子数将添加为 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denn0) 1(0denn) 1(0denn 阴极外表阴极外表 气体间隙中气体间隙中 阳极外表阳极外表第一次第一次 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