1、高电压技术 第一章 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘本章主要内容本章主要内容第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介一一气体放电的概念气体放电的概念n气体放电气体放电气体中流通电流的各种形式。气体中流通电流的各种形式。1.正常状态：优良的绝缘体。正常状态：优良的绝缘体。l在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。带电粒子并不影响气体的绝缘。l空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等线之间、导线与杆塔之间的
2、绝缘；变压器相间的绝缘等。输电线路以气体作为绝缘材料输电线路以气体作为绝缘材料第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介 变压器相间绝缘以气变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料体作为绝缘材料第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介2.高电压状态高电压状态电压升高电压升高达到一定数值达到一定数值气体中的带电粒气体中的带电粒子大量增加子大量增加电流增大电流增大达到一定达到一定数值数值气体失去气体失去绝缘绝缘击穿（或击穿（或闪络）闪络）n击穿击穿纯空气隙之间纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）（架空线相间的空气
3、放电）n闪络闪络气体沿着固体表面击穿。气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝（气体沿着悬挂架空线的绝缘子串放电）缘子串放电）第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介3.气体放电的相关概念气体放电的相关概念n 击穿电压击穿电压Ub或闪络电压或闪络电压Uf发生击穿或闪络的最低临界电压；发生击穿或闪络的最低临界电压；n 击穿场强击穿场强Eb（均匀电场中的击穿电压）（均匀电场中的击穿电压）/间隙距离间隙距离n 平均击穿场强平均击穿场强 （不均匀电场中的击穿电压）（不均匀电场中的击穿电压）/间隙距离间隙距离bE第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u 根据根
4、据气体压力、电源功率、电极形状气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化象的变化二二击穿后气体的放电形式击穿后气体的放电形式第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u 当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象。，管内阴极和阳极间整个空
5、间忽然出现发光现象。u 特点：特点：放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色也不同体不同，发光颜色也不同1.1.辉光放电辉光放电第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u 减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大通道的电导越
6、来越大u 特点：特点：电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路，电路具有短路的特征具有短路的特征2.2.电弧放电电弧放电第一节第一节 气体放电的主要形式简介气体放电的主要形式简介u 当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花两极的断续的明亮细火花。（大气条件下）。（大气条件下）u 特点：特点：具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定3.3.火花放电火花放电返回返回第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失n 带电粒子的
7、产生和消失是气体放电的根本根源，是分带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分析气体击穿的理论基础；析气体击穿的理论基础；n 正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态没有影响；没有影响；n 随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加，带电粒子的运动会产生电流。，带电粒子的运动会产生电流。掌握掌握n 气体放电时，带电粒子如何产生？气体放电时，带电粒子如何产生？n 放电结束后，带电粒子又如何消失？放电结束后，带电粒子又如何消失？第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失一一原子的激
8、励和电离原子的激励和电离 原子的能级原子的能级n 原子的结构可用行星系模型描述。原子的结构可用行星系模型描述。原子核（正电）原子核（正电）电子云（负电）电子云（负电）n 能级能级根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可根据原子核外电子的能量状态，原子具有一系列可取得确定的能量状态。取得确定的能量状态。p 外围电子能量高外围电子能量高 原子能量就高原子能量就高 能级就高；能级就高；p 外围电子能量低外围电子能量低 原子能量就低原子能量就低 能级就低；能级就低；原子能量大小的衡量原子能量大小的衡量 原子的激励原子的激励n 激励激励(激发激发)原子在外界因素（电场、高温等）的作用下原子在外界因素
9、（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。n 激励能（激励能（We）产生激励所需的能量。等于该轨道和常产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。态轨道的能级差。i 注意注意p 激励状态存在的时间很短（激励状态存在的时间很短（10-7 10-8 s），电子将自动返），电子将自动返回到常态轨道上去。回到常态轨道上去。p 原子的激励过程不会产生带电粒子。原子的激励过程不会产生带电粒子。第二节第二节 带电粒
10、子的产生和消失带电粒子的产生和消失 原子的电离原子的电离n 电离电离在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核在外界因素作用下，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。的束缚而形成自由电子和正离子的过程。n 电离能（电离能（Wi）使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏子电离出来所需要的最小能量。（电子伏 eV）1eV1V1.610-19C1.610-19J（焦耳）（焦耳）1V电压电压qe：电子的电荷（库伦）：电子的电荷（库伦）i 注意注意 原子的电离过程产生带电粒子。原子的电离过程产生带电粒子。第二节
11、第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)气体气体激励能激励能We(eV)电离能电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.6 表表 1-1 某些气体的激励能和电离能某些气体的激励能和电离能第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失4.原子的激励与电离的关系原子的激励与电离的关系 原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子发生电离产生带电粒子的两种情况：原子吸收了一定的能量原子吸收了一定的能量，但能量不太高，但能量不太高发生激励，跳到
12、发生激励，跳到更远的轨道更远的轨道再次吸收能量再次吸收能量发生电离，产生带电粒子发生电离，产生带电粒子原子吸收直接吸收了足够的能量原子吸收直接吸收了足够的能量发生电离，产生带电粒子发生电离，产生带电粒子n 原子的激励过程不产生带电粒子；原子的激励过程不产生带电粒子；n 原子的电离过程产生带电粒子；原子的电离过程产生带电粒子；n 激励过程可能是电离过程的基础。激励过程可能是电离过程的基础。激励激励+电离电离 直接电离直接电离 第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失二二气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生 电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同电离所获能量形式不同，带电粒
13、子产生的形式不同 光电离光电离u 光电离光电离光辐射引起的气体分子的电离过程。光辐射引起的气体分子的电离过程。u 发生光电离的条件发生光电离的条件式中：式中：h普郎克常数；普郎克常数；光子的频率；光子的频率；Wi气体的电离能，气体的电离能，eV；c光速光速=3108m/s；光的波长，光的波长，m。iihchWW或 光子能量光子能量Whi注意注意 可见光都不可能使气体可见光都不可能使气体直接发生光电离，只有波直接发生光电离，只有波长短的高能辐射线长短的高能辐射线 （例例如如X 射线、射线、射线等）才能射线等）才能使气体发生光电离。使气体发生光电离。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生
14、和消失 碰撞电离碰撞电离u 碰撞电离碰撞电离由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电子碰撞电离）子碰撞电离）u 电子在电场强度为电子在电场强度为 E 的电场中移过的电场中移过x 距离时所获得的动距离时所获得的动能为：能为：式中式中:m电子的质量；电子的质量；qe电子的电荷量电子的电荷量212eWmvq Ex若若W等于或大于等于或大于气体分子的电离气体分子的电离能能Wi，该电子，该电子就有足够的能量就有足够的能量去完成碰撞电离去完成碰撞电离u发生碰撞电离的条件发生碰撞电离的条件eiq ExW第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失u 电子为造
15、成碰撞电离而必须飞越的最小距离：电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离：式中：式中：Ui为气体的电离电位，在数值上与以为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的为单位的Wi相等。相等。u xi 的大小取决与场强的大小取决与场强 E，增大气体中的场强将使，增大气体中的场强将使 xi 值减小，值减小，可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。iiieWUxg EE i 注意注意n 碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。n 主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电主要的碰撞电离均有电子完成
16、，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 热电离热电离u 热电离热电离因气体热状态引起的电离过程。因气体热状态引起的电离过程。u 发生热电离的条件发生热电离的条件式中：式中：k波尔茨曼波尔茨曼常数；常数；（k=1.3810-23J/K）Wi气体的电离能，气体的电离能，eV；T绝对温度，绝对温度，K；mi32WkTWi 注意注意p 分子分子热运动热运动所固有的动能不足所固有的动能不足以产
17、生以产生碰撞电离碰撞电离，20oC时，气时，气体分子平均动能约体分子平均动能约0.038eV。热。热电离起始温度为电离起始温度为103K（727oC）p 在一定热状态下物质会发出辐在一定热状态下物质会发出辐射，射，热辐射光子热辐射光子能量大，会引能量大，会引起起光电离光电离i绝对温度和摄氏温度的关系：绝对温度和摄氏温度的关系：T绝对绝对=273+T摄氏摄氏第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失u 热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合p 例如：发生例如：发生电弧放电电弧放电时，气体温度可达数千度，时，气体温度可达数千度，气体分子
18、动能就足以导致发生明显的碰撞电离，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离，高温下高温下高能热辐射光子高能热辐射光子也能造成气体的电离也能造成气体的电离第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 电极表面电离（阴极表面电离）电极表面电离（阴极表面电离）u 电极表面电离电极表面电离电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。u 逸出功逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。电子从金属表面逸出所需的能量。金属金属逸出功逸出功(eV)金属金属逸出功逸出功(eV)金属金属逸出功逸出功(eV)铝铝(Al)银银(Ag)1.83.1铁铁(Fe)铜铜(Cu)3.93.9
19、氧化铜氧化铜(CuO)铯铯(Cs)5.30.7n 逸出功逸出功n 与表与表1-11-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。n 阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失u 电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式p 正离子碰撞阴极时把能量（主要是势能）传递给金属极板中的电正离子碰撞阴极时把能
20、量（主要是势能）传递给金属极板中的电子，使其逸出金属子，使其逸出金属p 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子p 逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。p 高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能高能辐射先照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。量应大于金属的逸出功。p 同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多 正离子撞击阴极表面正离子撞击阴极表面 光电子
21、发射（光电效应）光电子发射（光电效应）第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失p 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面出金属表面p 在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。p 当阴极表面附近空间存在很强的电场时（当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），数量级），能使阴极发射电子。能使阴极发射电子。p 常态下作用气隙击穿完全不受影响；常态下作用气隙击穿完全不受影响；p 在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作在高气压、压缩的
22、高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。用；真空中更起着决定性作用。热电子发射热电子发射 强场发射（冷发射）强场发射（冷发射）第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 负离子的形成负离子的形成u自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子发生电离发生电离产生自由电子产生自由电子l情况一情况一电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞能量不足，撞击后反弹回来击后反弹回来未产生自由电子未产生自由电子l情况二情况二电子碰撞中性的分子或原子电子碰撞中性的
23、分子或原子没发生电离没发生电离，也没被反，也没被反弹回来弹回来被中性的分子捕捉被中性的分子捕捉，成为自己的束缚，成为自己的束缚电子电子l情况三情况三形成了负离子形成了负离子第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失u 附着附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。相结合而形成负离子的过程。p 形成负离子时可释放出能量形成负离子时可释放出能量p 有些气体容易形成负离子，称为有些气体容易形成负离子，称为电负性气体电负性气体（如氧、氟、氯（如氧、氟、氯等），等），SF6（绝缘性是空气的（绝缘性是空气的3倍，灭弧性
24、是空气的倍，灭弧性是空气的100倍）倍）p 负离子的形成起着阻碍放电的作用负离子的形成起着阻碍放电的作用u 负离子形成过程的特点负离子形成过程的特点第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失三三带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体中的运动 自由行程长度自由行程长度 带电粒子的运动轨迹带电粒子的运动轨迹u 当气体中存在电场时，带电粒子将具当气体中存在电场时，带电粒子将具有复杂的运动轨迹有复杂的运动轨迹 “混乱热运动沿着电场作定向漂移混乱热运动沿着电场作定向漂移”Eu 自由行程长度自由行程长度带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。
25、二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再发生任何碰撞）（两次碰撞中未再发生任何碰撞）第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 平均自由行程长度平均自由行程长度u 平均自由行程长度平均自由行程长度带电粒子单位行程中的碰撞次数带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的的倒数。倒数。u 实际的自由行程长度是实际的自由行程长度是随机量随机量，有很大的分散性，任意带电，有很大的分散性，任意带电粒子在粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度有关有关u 粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为的概率为
26、 xP xe i 注意：注意：由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失u 又由又由式中：式中：p气压，气压，Pa；T气温，气温，K；k波尔茨曼常数，波尔茨曼常数，（k =1.3810-23J/K）。）。u 由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度式中：式中：r气体分子半径；气体分子半径；N气体分子密度。气体分子密度。e21r N 2eepkTTNkTr
27、 pP p 平均自由行程长度与温度成正比平均自由行程长度与温度成正比，温度越高气体发散，粒子间距，温度越高气体发散，粒子间距离较远，离较远，e越大越大p 平均自由行程长度与气压成反比平均自由行程长度与气压成反比，气压越高，气体分子被得越紧，气压越高，气体分子被得越紧，粒子间距离较近，粒子间距离较近，e越小。越小。第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率u 带电粒子的迁移率带电粒子的迁移率k带电粒子在单位场强带电粒子在单位场强（1V/m）下沿下沿电场方向的漂移速度。电场方向的漂移速度。式中：式中：v带电粒子的速度；带电粒子的速度；E电场强度电场强度
28、。vkE i注意注意 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。一比离子小得多。更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。一般电子迁移率比离子迁移率大两个数量级般电子迁移率比离子迁移率大两个数量级第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 扩散扩散u 扩散扩散在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到在热运动的过程中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化的物理过程。过程。p 气压越低，
29、温度越高，扩散进行的越快。气压越低，温度越高，扩散进行的越快。p 电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比离子快得多。离子快得多。u 扩散的特点扩散的特点第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失四四带电粒子消失带电粒子消失 带电粒子产生和消失的关系带电粒子产生和消失的关系u 带电粒子产生和消失是同时发生的过程；带电粒子产生和消失是同时发生的过程；u 若产生的带电粒子若产生的带电粒子大于大于消失的带电粒子，则会消失的带电粒子，则会促进促进气体放气体放电过程；电过程；u 若产生的带电粒子若产生的带电粒子等于等于消失的带电
30、粒子，则会促进气体就消失的带电粒子，则会促进气体就处于处于稳定状态稳定状态；u 若产生的带电粒子若产生的带电粒子小于小于消失的带电粒子，则会消失的带电粒子，则会阻碍阻碍气体放气体放电过程；电过程；第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 带电粒子消失的形式带电粒子消失的形式 带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流。于电极上而形成外电路中的电流。带电粒子因带电粒子因扩散现象扩散现象而逸出气体放电空间。而逸出气体放电空间。u 扩散的实质扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散某一
31、局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少减少。p 带电粒子的扩散是由于带电粒子的扩散是由于热运动热运动造成，带电粒子的扩散规律和造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似气体的扩散规律相似p 气体中带电粒子的扩散和气体中带电粒子的扩散和气体状态有关气体状态有关，气体压力越高或者，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱温度越低，扩散过程也就越弱p 电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到的碰撞也少，因此，动中受到的碰撞也少，因此，电子
32、的扩散过程比离子的要强电子的扩散过程比离子的要强第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失 带电粒子的带电粒子的复合复合u 复合复合气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与传递与中和，中和，还原为分子还原为分子的过程的过程。（是与电离相反的一种过程）。（是与电离相反的一种过程）u 电子复合电子复合电子和正离子发生复合，产生电子和正离子发生复合，产生一个中性分子一个中性分子 离子复合离子复合正离子和负离子发生复合，产生正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子两个中性分子p 带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定带电粒子的复合过程中
33、会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素条件下又成为导致电离的因素p 参与复合的粒子的相对速度参与复合的粒子的相对速度越大越大，复合概率，复合概率越小越小。通常放。通常放电过程中电过程中离子间的复合更为重要离子间的复合更为重要p 带电粒子浓度越大，复合速度越大，带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强强烈的电离区也是强烈的复合区烈的复合区第二节第二节 带电粒子的产生和消失带电粒子的产生和消失返回返回第三节第三节 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掌握掌握n 非自持放电过程和自持放电过程的概念；非自持放电过程和自持放电过程的概念；n 汤逊气体放电理
34、论的要点和适用范围；汤逊气体放电理论的要点和适用范围；n 流注气体放电理论的要点和适用范围；流注气体放电理论的要点和适用范围；u 气体的击穿过程与气体的击穿过程与电场分布电场分布有很大关系，均匀电场和不均匀有很大关系，均匀电场和不均匀电场下气体的击穿过程有很大的不同；电场下气体的击穿过程有很大的不同；p 均匀电场均匀电场电场中任一点的电场强度均相同；电场中任一点的电场强度均相同；p 不均匀电场不均匀电场电场中任一点的电场强度均不相同；电场中任一点的电场强度均不相同；第三节第三节 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一一非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电u 非自持放电非
35、自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；去掉外电离因素的作用后放电随即停止；u 自持放电自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。过程。非自持放电和自持放电的概念非自持放电和自持放电的概念 非自持放电和自持放电的非自持放电和自持放电的过程过程u 测定气体间隙中电流变化的实验装置测定气体间隙中电流变化的实验装置p 通过调节电阻，测量回路电流随电压通过调节电阻，测量回路电流随电压变化的情况变化的情况u 气体间隙中气体间隙中电流的变化电流的变化反映放电过程反映放电过程u 加电场前，外电离因素（光照射）加电场前，外电离因素（光照射）在极板间产生带
36、电粒子，但带电粒在极板间产生带电粒子，但带电粒子制作杂乱无章的热运动，不产生子制作杂乱无章的热运动，不产生电流；电流；u 加电场后，带电粒子沿电场方向定加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形成电流。随着电压升高向移动，形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加快，使到达，带电粒子运动速度加快，使到达极板的极板的带电粒子数量和速度不断增带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。大，电流也随之增大。oa段段 随着电压升高，电流增大，随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。度也随之增大。均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性均匀电场下气
37、体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析I0UaUbUcUI第三节第三节 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均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性 ab段段 电流趋于饱和，由外电离因素电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电产生的带电粒子已全部进入电极，电流极，电流I0大小取决于外电离因大小取决于外电离因素与电压无关。素与电压无关。u 外电离因素（光照射）的强度外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产一定的情况下，单位时间内产生的带电粒子数量是一定的，生的带电粒子数量是一定的，由此产生的电流也是一定。由此产生的
38、电流也是一定。u I0饱和电流。饱和电流。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析第三节第三节 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均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性 bc段段 电流又再随电压的增大而增大。电流又再随电压的增大而增大。发生电子发生电子碰撞电离碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高电压升高气体间的带电粒气体间的带电粒子运动速度加快子运动速度加快带电粒子能量带电粒子能量（动能）增加（动能）增加当能量大于极板间空当能量大于极板间空气中原子的电离能气中原子的电离能电子碰撞电离，产电子碰撞电离，
39、产生大量带电粒子生大量带电粒子电流急速电流急速增加增加均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析第三节第三节 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均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性 c点点 U=Uc，电流急剧增大。气体间，电流急剧增大。气体间隙隙被击穿被击穿进入导电状态（进入导电状态（自持自持放电放电），不再需要任何外界因），不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。素（光照射、外加电源）。u c点处的临界电压点处的临界电压Uc就是就是击穿电击穿电压压Ub，当电压达到，当电压达到Uc后气体即后气体即被击穿被击穿，由原来的绝
40、缘体变成，由原来的绝缘体变成了了导体导体。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析第三节第三节 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均匀电场中气体的伏安特性均匀电场中气体的伏安特性I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析u 当产生的电流当产生的电流IIc：非自持放电非自持放电区；区；u 当产生的电流当产生的电流IIc：自持放电区自持放电区；u 当施加的电压当施加的电压UUc：气体保持气体保持绝缘；绝缘；u 当施加的电压当施加的电压UUc：气体被击穿气体被击
41、穿。Ic自持放电区自持放电区非自持放电区非自持放电区第三节第三节 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（二）汤逊放电理论（二）汤逊放电理论2020世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论u 理论认为，电子的碰撞电离理论认为，电子的碰撞电离(过程）和正离子撞击过程）和正离子撞击阴极造成的表面电离（阴极造成的表面电离（过程）起主要作用过程）起主要作用u 提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式第三节第三节 均匀电场中
42、气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 过程过程（电子崩过程）（电子崩过程）电子崩的形成过程电子崩的形成过程 由外电离因素产由外电离因素产生一个初始电子生一个初始电子电子数目迅速增加，如同电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形冰山上发生雪崩一样，形成了成了电子崩电子崩产生正离子产生正离子和自由电子和自由电子原来的电子和新产原来的电子和新产生的电子继续移动生的电子继续移动，不断发生电子碰，不断发生电子碰撞电离撞电离电场力作用下，电子电场力作用下，电子沿电场做定向移动沿电场做定向移动与中性粒子发与中性粒子发生电子碰撞生电子碰撞中性粒子发生电离中性粒子发生电离第三节第三节 均匀电场中气
43、体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程u 电子崩的形状：电子崩的形状：“崩头大、崩尾小崩头大、崩尾小。”p 电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在崩头；崩头；p 正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。u 电子崩电子崩电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。从而形成的急剧增大的空间电子流。崩头崩头崩尾崩尾第三节第三节 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 过程过程引起的电流引起的电流u 电
44、子碰撞电离系数电子碰撞电离系数表示表示一个电子一个电子沿电场方向运动沿电场方向运动1cm 的行程中所完成的的行程中所完成的碰撞电离碰撞电离次数平均值。次数平均值。u 即是即是一个电子一个电子在单位长度行程内新电离出的在单位长度行程内新电离出的电子数电子数或正离子或正离子数。数。i 注意：注意：必须是电子发生必须是电子发生碰撞且电离碰撞且电离的次数，若电子只发生的次数，若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入了碰撞没有导致电离则不能计入中。中。的定义的定义第三节第三节 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nad 电子增长规律电子增长规律（n0个电子行进个电子行进x距离产距离产
45、生的电子数生的电子数n）令令x=d，抵达阳极电子数，抵达阳极电子数na 过程的分析（电子崩的计算）过程的分析（电子崩的计算）设：在外电离因素光辐射的作用下，单位设：在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生时间内阴极单位面积产生n0个电子，个电子，由于由于碰撞电离和电子崩得作用下，在距离阴极碰撞电离和电子崩得作用下，在距离阴极x处，电子数增至处，电子数增至n个。个。在在dx段上产生的新电子段上产生的新电子dndnndxdndxn00 xdxnn e 0均均匀匀场场不不变变 xnn ea0 dnn e第三节第三节 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nadu 令令
46、x=d，进入阳极的电流（外回路电流），进入阳极的电流（外回路电流）p若若I0=0，则，则I=0，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为0，气体放电停止。，气体放电停止。过程的分析（电子崩的计算）过程的分析（电子崩的计算）途中新增的电子数或正离子数途中新增的电子数或正离子数n()a001dnnnn e 电子电流增长规律电子电流增长规律 将式将式 两边乘以电子电荷两边乘以电子电荷qe式中：式中：I0初始电子引起的初始电流初始电子引起的初始电流0 xnn e0 xII e0dx=dII eu 结论：若只有结论：若只有过程，气体放电是不能自持的。过程，气体放电是不能自持
47、的。第三节第三节 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 的分析的分析u 假设电子的平均自由行程为假设电子的平均自由行程为e，运动运动1cm碰撞次数为碰撞次数为1/e，但但并不是每次碰撞都引起电离；并不是每次碰撞都引起电离；u 碰撞引起电离的概率为碰撞引起电离的概率为 ，xi 为电子造成碰撞电离而必须飞为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离。跃的最小距离。iex-eu 根据根据定义有：定义有：式中：式中：A、B与气体种类有关的常数；与气体种类有关的常数；E电场强度；电场强度；P气体压力。气体压力。ee,11 iiiieeixuuTBPxEEPEAP AuBeeeeAPe 1
48、1当当气气温温不不变变时时，BPEAPe 第三节第三节 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u 由式由式 ，可得结论：，可得结论：BPEAPe 电场强度电场强度E增大增大，则则增大；增大；气体压力气体压力P很大（电子的平均自由行程很大（电子的平均自由行程e很小）或者很小）或者气体压力气体压力P很小（电子的平均自由行程很小（电子的平均自由行程e很大）时，很大）时，值都很小。值都很小。既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。放电现象，具有较高的电气强度。第三节第三节 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电
49、场中气体击穿的发展过程 过程过程u 正离子表面电离系数正离子表面电离系数表示表示一个正离子一个正离子沿电场方向由阳极沿电场方向由阳极向阴极运动向阴极运动，撞击阴极撞击阴极表面产生表面电离的表面产生表面电离的电子数电子数。p 正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击正离子向阴极移动，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，使阴极释放出自由电子阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子 的概念的概念第三节第三节 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nadnc 过程过程和和过程过程引起的电流引起的电流u设阴极表面单位时间内发射的电子数为设阴极表面单位时间内
50、发射的电子数为ncnc外电离因素产生的电子数外电离因素产生的电子数n0前一秒钟产生出来的正离子在阴前一秒钟产生出来的正离子在阴极上造成的极上造成的二次电子发射二次电子发射所产生所产生的电子数的电子数nc(ed1)nc个电子到达阳极后个电子到达阳极后，产生总电子数为：，产生总电子数为：nanced 产生的新正离子数产生的新正离子数为：为：ncednc正离子撞击阴极表正离子撞击阴极表面产生的面产生的电子数电子数为为nc(ed1)每产生一个自由电子的同每产生一个自由电子的同时，会产生一个正离子时，会产生一个正离子 产生的新电子数产生的新电子数为：为：ncednc正离子沿电场运动，撞击正离子沿电场运动
