气体放电的基本物理过程(一)

1、Company Logo第一篇第一篇 电介质的电气强度电介质的电气强度 福州大学电力系福州大学电力系 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Company Logo 福州大学电力系福州大学电力系 1

2、3400558745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n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？n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？n气隙中导电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？ Com

3、pany Logo 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一一 质点的平均自由行程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：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过的平均行程n自由行程的分布：自由行程的分布： 具有统计性的规律。质点的自由行程具有统计性的规律。质点的自由行程大于大于x的

4、概率为的概率为 令x= ，可见实际自由行程长度大于或等于平均自由行，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程长度的概率为36.8%xexf)(prkTe2n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气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越气体分子密度越大，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达到某种在气体放电空间，带电质点单位场强下运动达到某种稳定状态，

5、保持平均速度，即上述的带电质点的驱引稳定状态，保持平均速度，即上述的带电质点的驱引速度速度k=v/E l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 带电质点的扩散带电质点的扩散 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，这种过程叫做扩散。从而使粒子浓度均匀化，这种过程叫做扩散。 n气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体压力越高或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，扩散过程也就越弱者

6、温度越低，扩散过程也就越弱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，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比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离子的要强得多 原子电离原子电离： 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离，它是气体放电的首要前提。其所需要的能量成为电离能。能。激励：激励： 当原子获

7、得外加能量时，一个或多个电子有可能转移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。到离核较远的外部轨道上，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） 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）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1.1.碰撞电离碰撞电离 n气体放电中，碰撞

8、电离主要是自由电子和气体分子碰撞气体放电中，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，将引起碰掩电离满足如下条件时，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 自然界、人为照射、气体放电过程

9、自然界、人为照射、气体放电过程n当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条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件，将引起光电离，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对所有气体来说，在可见光的作用下，一般是不能直接对所有气体来说，在可见光的作用下，一般是不能直接发生光电离的发生光电离的 iWhiWhc03.3.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，气体温度在高温下，例如发生电弧放电时，

10、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造成气体的电离高温下高能热辐射也能造成气体的电离 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：金属的微观结构 、金属表面状态、金属表面状态 （小于小于电离能电离能）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大于两

11、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碰撞出一个以上电子时才能出现自由电子 2）光电效应）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金属表面放射出电子 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 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动当阴极被加热到很高温度时，

12、其中的电子获得巨大动能，逸出电子能，逸出电子四四 负离子的形成负离子的形成 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，形成了负离子新电子，反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 n有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易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（如形成负离子，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（减少了自由电子负离子的形成起着阻碍放电的作用（减少了自由电子数）数） 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

13、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 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，发生电荷的传递而互相正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程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可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 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

14、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浓度 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Company Logo 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一一 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电nO

15、O点：点：由于光辐射的作用，在气由于光辐射的作用，在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nA A点：点：由于光电离而产生的自由电子全部消失在外回由于光电离而产生的自由电子全部消失在外回路中路中nO O点点A A点：点：自由电子在外电场作自由电子在外电场作用下的运动速度增加，同时发生用下的运动速度增加，同时发生复合的可能性减少复合的可能性减少nA A点点B B点：点：随着外电压的增加，自随着外电压的增加，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nB B点点C C点：点：随着外电场的增强，自由电子的数量和随着外电场的增强，自由电子的数量和运动速度同时快速增加运动速度

16、同时快速增加nB B点：点：此时外电场达到一定程度，此时外电场达到一定程度，能够产生额外的自由电子能够产生额外的自由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U U0 0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。而且这时电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因依靠外电离因素来维持。如果取消外电离因家，那么电流也将消失家，那么电流也将消失 自持放电自持放电n当电压达到当电压达到U U0 0后，气体后，气

17、体中发生了强烈的电离，中发生了强烈的电离，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，而不再继续需要外电离因素再继续需要外电离因素了。因此了。因此U U0 0以后的放电以后的放电形式也称为自持放电形式也称为自持放电 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入自持放电的电压称为起始电压n如电场比较均匀，则间隙将被击穿，而起始电如电场比较均匀，则间隙将被击穿，而起始电压压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如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持如电场极不均匀，则当放电由非自持转入自

18、持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电时，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，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 汤逊气体放电理论汤逊气体放电理论n汤逊理论认为，当汤逊理论认为，当pd较小时，电子的碰撞较小时，

19、电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起这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 电子崩的形成电子崩的形成 （ 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；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由电子；这样一代一代由电子；这样一代一代不断增加的过程，会使不断增加的过程，会使电子数目迅速增加，如电子数目

20、迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样同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 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，平均发生的碰撞长度，平均发生的碰撞电离次数电离次数 设电子在均匀电场中行经距离设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电而未发生碰撞，则此时电子从电场获得的能量为子从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离，电子如要能够引起碰撞电离，必须满足条件必须满足条件 只有那些自由行程超过只有那些自由行程超过xiUiE的电子，才能与分子发的电子，才能与分子发生碰撞电离生碰撞电离 若电子的平均自由行程为若电子的平

21、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 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 /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：在外电离因素光辐射的作用下设：在外电

22、离因素光辐射的作用下，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 在距离阴极为在距离阴极为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 xen

23、n0 xeII0deII0三三 过程过程n 电离系数电离系数 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，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，使阴极释放出自在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子来由电子来 表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子，阴极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金属平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从阴极飞出从阴极飞出n0个电子，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denn0) 1(0denn) 1(0denn 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