2 带电质点的产生和消失

华北电力大学高电压绝缘技术王胜辉华北电力大学电气与电子工程学院高压教研室2012年2月第二章气体击穿理论和空气间隙绝缘§1气体放电主要形式气体放电：气体中流通电流的各种形式。击穿：当提高气体间隙上的外施电压而大到一定数值后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能，气体由绝缘突变为良导体。沿面闪络：击穿过程发生在气体和液体或气体与固体的交界面上。如何选择合适绝缘距离如何提高气体间隙击穿电压气体绝缘要解决的问题影响气体放电的因素：气休压力、电源功率、电极形状等。气体放电的实验系统辉光放电贯穿于整个通道的发光现象。特点：气压不大，功率小，电流密度小，放电区占据整个空间电弧放电贯穿于两级的细长明亮通道。特点：较高气压下，电导很大，电压降低。火花放电贯通两级的断续明亮的细火花。原因：电流突增，导致外回路阻抗上压降增大，放电间隙电压降低，火花熄灭；外回路电压降低，放电间隙再形成火花电晕放电极不均匀电场中，紧贴电极电场最强出出现的发光层。特点：只在极不均匀电场中出现，且随电压升高发光层扩大。刷状放电电晕放电时，如继续升高电压，从电晕电极伸展出许多明亮放电通道。放电主要形式气体放电的主要形式GrowdischargeArcdischargeCoronadischargeBrushdischarge§2气体中带电质点的产生一.带电质点的产生气体中带电质点的来源有二：一是气体分子本身发生电离(包括撞击电离，光电离、热电离等多种形式)；另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离。激励：在常态下，电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励。原子能级以电子伏为单位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J激励能：原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的态所需能量。激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子。1.原子的激励氢原子的能级原子的电离: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离。电离过程所需要的能量称为电离能Wi（eV），也可用电离电位Ui（V）气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)气体激励能We(eV)电离能Wi(eV)N2O2H26.17.911.215.612.515.4CO2H2OSF610.07.66.813.712.815.62.原子电离：几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位：二、气体中质点的自由行程(一)平均自由行程自由行程：一个质点在相继两次碰撞之间自由地通过的距离。（具有统计性）平均自由程：质点自由行程的平均值。TP电子的平均白由行程要比分子和离子的大得多。(二)自由行程的分布/()xfxe意义：平均自由程大于x的概率。(1)光电离：光辐射引起的气体分子的电离过程。频率为ν的光子能量为W=hν式中h——普郎克常数发生空间光电离的条件为式中λ——光的波长，m；c——光速Wi——气体的电离能，eV。对所有气体来说，在可见光（400—750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的，但存在分级电离可能性。ihW光的来源：自然界、人为照射、气体放电过程3.电离的几种形式(2)撞击电离主要是电子碰撞电子。原因：1.电子体积小，自由程长，可以加速到很大的速度。2.电子的质量小，易产生弹性碰撞，积累动能。产生条件:212eeimvW³碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关。所以提高场强可以使碰撞电离加剧。3.电离的几种形式（3）热电离：因气体热状态引起的电离过程。在常温下，气体分子发生热电离的概率极小，实际上是不存在的。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明显的碰撞电离。高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离。高温下电子一也能由于热运动靠碰撞作用而造成分子的电离。3.电离的几种形式热电离是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合。(四)负离子的形成形成方式：自由电子与分子附着形成。形成了负离子后，电离能力大减，阻碍放电的发展。当电子与气体分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为附着。易于产生负离子的气体称为电负性气体。这个过程有时需要放出能量，有时需吸收能量。负离子的形成不会改变带电质点的数量，但却使自由电子数减少，因此对气体放电的发展起抑制作用。（或有助于提高气体的耐电强度）。如SF6气体对电子有很强的亲和性，因此具有高电气强度。1.正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足。2.光电效应：高能辐射照射阴极时，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。3.热电子发射：金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。4.强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），也能时阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的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。四、金属的表面电离（阴极）1.消失于电极：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；2.带电质点的扩散在热运动的过程中，粒子会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，这种物理过程叫扩散。气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。气压越低或温度越高，则扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。§3带电质点的消失193.带电质点的复合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。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。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。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。