第二章气体放电的物理过程文档格式.docx

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一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；

Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。

放电：

（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。

辉光放电：

当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。

火花放电：

在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。

主要表现为：

从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。

火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。

电晕放电：

在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。

如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。

电晕放电的电流很小

电弧放电：

在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。

电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。

电弧放电电流大，电弧温度高。

电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。

2）常见电场的结构

均匀场：

板－板　

稍不均匀场：

球－球

　极不均匀场：

（分对称与不对称）

棒－棒对称场

棒－板　　不对称场

线－线对称场

§

２－１气体中带电质点的产生和消失

一．带电粒子的产生（电离过程）

气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：

一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。

激励能：

一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级之间的差值。

电离能：

当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。

㈠　碰撞电离

　定义：

气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。

在放电形成时期主要取决于电子与气体分子的撞击.

条件：

⑴　撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能

能量包括动能与位能

无电场时，动能小

有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场中造成碰撞电离的主要因素是电子。

⑵　一定的相互作用的时间和条件通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换

主要影响因素有：

电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等

㈡光电离

定义：

在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。

由光电离而产生的自由电子亦称为光电子。

光电离在气体放电中很重要。

　　必要条件：

光子的能量大于气体粒子的电离能

　　光子来源：

紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线

气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子

㈢热电离

气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量大且数目多），能量来自气体分子的热能。

1000K数量级

　　　　Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离

　　　　Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离

　　　　热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合

　　　　高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变

㈣表面电离

气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。

游离需要能量，称逸出功，一般小于气体的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。

　　获得逸出功的途径：

⑴　热电子发射：

金属电极加热，分子动能

⑵　强场发射：

电极加上强电场

⑶　二次电子发射：

高能量粒子撞击金属电极表面（正离子撞击阴极）

⑷　光电子发射：

短波光照射金属表面

㈤负离子的形成

中性分子或原子与电子相结合。

将放出能量称亲和能Ｅ，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性。

　　　电负性大,易形成负离子

　　　负离子现象对气体放电的发展起抑制作用

二．气体中带电粒子的消失

１．中和

　　受电场力作用流入电极，中和电量

２．扩散（分子热运动）

　　　带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。

３．复合

　　　带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。

　　　复合时有能量释放：

光热声等。

－空间光电离

２－２气体放电机理

一:

概述

外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。

随电压↑，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。

（泄漏电流：

当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。

）

场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增长，称电子崩。

电流大增。

（电子崩：

外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。

依次类推，电子数以几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。

3．Ｅ＜Ｅcr（临界场强：

由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。

４．Ｅ＞Ｅcr时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展，为自持放电。

两者间区别：

在于是否依赖外界游离因素。

５．此后的发展随电场情况不同分别表现为：

1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿

2、不均匀电场：

自持放电形成电晕

（1）、若间距较小即（Ｓ小）：

Ｕ↑→火花放电

（2）、若间距较大（Ｓ大）：

Ｕ↑→刷形放电，Ｕ↑↑→火花放电（电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧）

二、汤森德气体放电理论（均匀电场）

一、下面结合均匀电场气隙的击穿过程的说明介绍两种气体放电理论

要点：

气隙的击穿就是各种形式的游离持续发展的过程，条件不同（影响最大的是δ·

Ｓ值。

δ：

气体的相对密度，Ｓ：

极间距离），各种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有不同。

（１）当δ·

Ｓ值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击阴极造成的表面游离起主要作用，气隙击穿电压大体是δ·

Ｓ值的函数——汤森德机理，δ·

Ｓ＜０.２６ｃｍ

（２）当δ·

Ｓ值较大时，实验表明，数据、现象与汤森德机理有矛盾，提出流注机理

二．δ·

Ｓ值较小时气隙的击穿过程（汤森德机理）【需画图说明，参见备课笔记】

㈠汤森德气体放电机理适用范围：

低气压、短间隙（δ·

Ｓ＜０.２６cm）；

和汤森德气体放电机理其相关的3个参数：

α电子游离系数（电子，气体分子，1cm,自由电子数）、

β正离子游离系数（正离子，气体分子，1cm,自由电子数）、

γ表面游离系数（正离子，阴极表面，自由电子数），

上述个各个数值均为平均值。

㈡放电过程描述：

　⑴电子的撞击游离发展形成电子崩即带电质点的大量产生；

参数α（气体性质、大气压力、电场强度、均匀电场下为常数）β作用小可以忽略。

初始激发电子数为；

到达阳极的电子数为

若，则产生的电子数和正离子数也为0即只有碰撞游离因素，是不能维持放电发展的。

这种需要依靠外界游离因素支撑的放电称为非自持放电。

若，则产生的电子数和正离子数均为

　⑵电子崩产生的正离子撞击到阴极表面时造成金属表面游离（至少一个电子逸出）

当电压继续升高到后，电流急剧增加，气隙转入良好的导电状态。

由于电压的增加，游离将更为剧烈同时产生更多的正离子。

从上所述，一个电子在经过一段距离s后，产生的阳离子个数为个，这些正离子到达阴极以后，又能产生新的电子（γ作用，）

则个正离子撞击阴极产生的电子数为，即表面至少逸出一个电子，则即使外界的游离因素不复存在，气隙中的游离过程也能够进行下去。

这种只需要依靠电场就能够维持下去的放电称为自持放电。

放电进入自持阶段，并最终击穿。

由此，均匀电场中由非自持放电转入为自持放电的条件为：

此时具有清晰的物理含义。

由于偶然的一个因素而产生的一个电子从阴极出发在间隙中引起强烈的电离，游离出的全部正离子达到阴极能由γ过程在阴极表面上至少逸出一个电子，放电转入自持阶段。

即自持放电的条件（不需要外界游离因素的存在可致气隙击穿）

由非自持放电转入自持放电的电压称为起始放电电压。

对于均匀电场，则气隙被击穿，此后可形成辉光放电或火花放电或电弧放电，起始放电电压就是气隙的击穿电压。

对于不均匀电场，则在大曲率电极周围电场集中的区域发生电晕放电，而击穿电压要比起始放电电压要高好多。

以上所描述的均匀电场气隙的击穿放电的理论称为汤森德气体放电理论。

由推倒可得到的关系

（三）帕邢定律

当气体和电极材料一定时，气体的击穿电压是气压δ和间隙距离S乘积的函数。

在汤森德理论提出以前，就已经被帕邢从实验中总结出来了，故称为帕邢定律。

图－－均匀电场的帕邢曲线

帕邢定律：

击穿电压Ｕb＝ｆ（δ·

Ｓ）（与δ·

Ｓ的积有函数关系）

　　1889年由实验结果总结出

解释：

a）设Ｓ不变　δ↑→λｅ短，聚能少，有效碰撞几率小→Ｕｂ↑

　　　δ↓→λｅ长，但气体分子少，碰撞少　→Ｕｂ↑

　实用意义：

将气隙抽真空或加大气隙气压，均能提高气隙的绝缘强度（Ｕｂ↑）

b）设δ不变,Ｓ↑→E↓得一定的Ｅ，必须Ｕｂ↑

Ｓ↓→Ｅ大,但电子在全程中的碰撞次数少，必须Ｕｂ↑

有上述的介绍可以看出：

当δ·

Ｓ出现的乘积为很大和很小时，Ｕｂ都会体现出很大的值，即曲线会呈现出U型的分布，也就是两者之间有Ｕｂｍｉｎ。

㈤汤森德放电机理的局限性

当气隙气压升高至大气压，δＳ过大时，汤森德机理存在不足：

　　1、放电形式：

在大气压下放电不再是辉光放电，而是火花通道（具有分支和不连续）

　　2、放电时间：

放电时间短于正离子在通道中到达阴极的行程时间（电子崩产生使得均压电场中气体整个间隙击穿）

3、与电极材料关系：

阴极材料在放电过程中作用不大，即使没有γ作用，依然能自持放电。

不能解释的原因：

1、没有考虑到电离出来的空间电荷会使电场畸变，从而对放电过程产生影响。

2、没有考虑到光子在放电过程中的作用。

三．流注机理

1939年，雷泽在实验的基础上建立起来了流注理论！

流注形成的条件及自持放电及空间光电离！

δＳ值较大时气隙的击穿过程

流注机理认为电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并强调空间电荷畸变电场的作用！

此理论目前主要只是对放电过程作定性的描述，定量计算尚不成熟。

较均匀电场

1、分析过程

（一）空间电荷对原有电场的影响

电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子。

原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出