第2章-气体放电的基本物理过程

第2章气体放电的基本物理过程2.1带电粒子的产生与消失2.2放电的电子崩阶段2.3自持放电条件2.4不均匀电场中放电的极性效应气体放电——气体中流通电流的各种形式。正常状态：优良的绝缘体。在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。空气的利用：架空输电线路各相导线之间、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。气体绝缘的优点：不存在老化问题理论体系较完善完全的绝缘自恢复特性•在电气设备中:外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成内绝缘:一般由固体介质和液体介质联合构成2.1带电粒子的产生与消失气体中电子与正离子的产生电离：电子脱离原子核自由电子、正离子此过程需要能量电离能Wi电离电位Ui=Wi/ee_-一个电子所带电荷1.6*10-19库伦发生电离的条件？根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离可分为热电离、光电离和碰撞电离。此外，电离过程可以一次完成，也可以是先激励再电离的分级电离方式。外界能量（1）热电离32WkT波尔茨曼常数1.38×10-23J/K热力学温度气体分子的平均动能与温度的关系室温下：气体分子的平均动能10-2eV数量级只有在电弧放电产生的高温条件下才会有明显的热电离！•随着温度升高气体分子动能增加引起的碰撞电离•高温下高能热辐射光子引起的光电离产生热游离的条件：iWKT23iW：气体分子的电离能热游离实质上并不是另外一种独立的形式，实质上仍是撞击游离与光游离，只是其能量来源于气体分子本身的热能。（2）光电离Wh普朗克常数6.63×10-34J·s光辐射引起气体分子的电离；光子能量:hv≥Wi或λ≤hc/Wi式中λ——光的波长，m；c——光速Wi——气体的电离能，eV。光电离条件：光电离在气体介质放电过程中很重要！(正负离子的复合产生光子—流注放电）可见光不能使气体直接发生光电离！x,γ射线才能使其发生光电离。光的来源：自然界、人为照射、气体放电过程v——为频率（3）碰撞电离212imveExWiUxE条件：带电粒子在电场中获得动能:一个重要概念：自由行程---两次碰撞间质点行经的距离，一般用λ表示。平均自由行程用表示。需要注意的两点!1)碰撞电离是气体放电过程中产生带电质点的最重要的方式。2)碰撞电离主要是由电子引起的，离子引起的碰撞电离概率要比电子引起的小得多。原因有两个1）电子自由行程大，在电场中获得的能量大。2）电子质量比离子小的多，易产生弹性碰撞,发生非电离碰撞后几乎不损失能量，更容易积累能量。因此，在分析气体放电发展时，只考虑电子引起的碰撞电离。（4）分级电离原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨道，称之为激励，所需的能量称为激励能。更高能级的外层轨道一个概念---激励：原子中的电子外界因素跃迁激励能WeWiW≥We可能发生激励的条件：激励态不稳定：10-8s亚稳激励态：10-4~10-5s气体电离能激励能N215.56.1O212.57.9CO213.710.0SF615.66.8H2O12.77.6若混合气体中甲气体的亚稳激励态能高于乙气体的电离能，则会出现潘宁效应，可使混合气体的击穿强度低于这两种气体各自的击穿强度。对绝缘不利，但可有其他应用！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：原子吸收了一定的能量，但能量不太高发生激励，跳到更远的轨道再次吸收能量发生电离，产生带电粒子原子直接吸收了足够的能量发生电离，产生带电粒子原子的激励过程不产生带电粒子；原子的电离过程产生带电粒子；激励过程可能是电离过程的基础。⑴激励+电离⑵直接电离电极表面电离——电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。逸出功——电子从金属表面逸出所需的能量。金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)金属逸出功(eV)铝(Al)银(Ag)1.83.1铁(Fe)铜(Cu)3.93.9氧化铜(CuO)铯(Cs)5.30.7逸出功与表1-1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。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。电极表面的电子逸出电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式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子，使其逸出金属正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子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。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。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①正离子撞击阴极表面②光电子发射（光电效应）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在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），能使阴极发射电子。常态下作用,气隙击穿完全不受影响；(一般气体的击穿场强远低于106V/cm数量级)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。③热电子发射④强场发射（冷发射）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发生电离产生自由电子情况一电子碰撞中性的分子或原子能量不足，撞击后反弹回来未产生自由电子情况二电子碰撞中性的分子或原子没发生电离，也没被反弹回来被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电子情况三形成了负离子气体中负离子的形成附着——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。负离子形成过程的特点形成负离子时可释放出能量,称为电子亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易形成负离子。有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等），SF6（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空气的100倍）.电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。电气强度的定义:击穿电压比上击穿样品的厚度等于样品的电气强度SF6+eSF6-SF6+eSF5-+FSF6-在电子能量为0.05~0.1eV；SF5-在0.1~0.3eV时最易形成。超过1eV很难形成负离子。带电粒子的产生与消失是平衡的！那么会有什么样的逆过程呢？①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带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。扩散的实质——某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少。带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似气体中带电粒子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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，电子的扩散过程比离子的要强带电质点的消失③带电粒子的复合复合——气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。（是与电离相反的一种过程）电子复合—电子和正离子发生复合，产生一个中性分子离子复合—正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素参与复合的粒子的相对速度越大，复合概率越小。通常放电过程中离子间的复合更为重要带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区返回带电粒子产生和消失的关系带电粒子产生和消失是同时发生的过程；若产生的带电粒子大于消失的带电粒子，则会促进气体放电过程；若产生的带电粒子等于消失的带电粒子，则会促进气体就处于稳定状态；若产生的带电粒子小于消失的带电粒子，则会阻碍气体放电过程；非自持放电——去掉外电离因素的作用后放电随即停止；自持放电——不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。⒈非自持放电和自持放电的概念⒉非自持放电和自持放电的过程测定气体间隙中电流变化的实验装置通过调节电阻，测量回路电流随电压变化的情况气体间隙中电流的变化反映放电过程2.2放电的电子崩阶段非自持放电和自持放电的不同特点加电场前，外电离因素（光照射）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，不产生电流；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，带电粒子运动速度加快，使到达极板的带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。①oa段随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。均匀电场中气体的伏安特性均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析I0UaUbUcUI均匀电场中气体的伏安特性②ab段电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极，电流I0大小取决于外电离因素与电压无关。外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产生的带电粒子数量是一定的，由此产生的电流也是一定。I0——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中气体的伏安特性③bc段电流又再随电压的增大而增大。发生电子碰撞电离。I0UaUbUcUI电压升高气体间的带电粒子运动速度加快带电粒子能量（动能）增加当能量大于极板间空气中原子的电离能电子碰撞电离，产生大量带电粒子电流急速增加均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析均匀电场中气体的伏安特性④c点U=Uc，电流急剧增大。气体间隙被击穿进入导电状态（自持放电），不再需要任何外界因素（光照射）。c点处的临界电压Uc就是击穿电压，当电压达到Uc后气体即被击穿，由原来的绝缘体变成了导体。I0UaUbUcUI均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析自持放电起始电压非自持放电和自持放电的不同特点电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱（良好的绝缘状态）电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿）外施电压小于Uc时的放电是非自持放电。电压到达Uc后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。自持放电起始电压什么是电子崩？不仅仅是一个概念！由一个电子通过碰撞电离引起的剧增的电子流称为电子崩。电子崩的形成（BC段电流剧增原因）α过程（电子崩过程）⑴电子崩的形成过程由外电离因素产生一个初始电子电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形成了电子崩产生正离子和自由电子原来的电子和新产生的电子继续移动，不断发生电子碰撞电离电场力作用下，电子沿电场做定向移动与中性粒子发生电子碰撞中性粒子发生电离电子崩的形状：“崩头大、崩尾小。”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；正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。电子崩——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。崩头崩尾一个重要的概念！碰撞电离系数一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数，一般用α表示！问题：若平均自由行程为，碰撞电离概率为p,怎么求α？电子碰撞电离系数α——表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。注意：α必须是电子发生碰撞且电离的次数，若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入α中。α的定义假设电子的平均自由行程为λe，运动1cm碰撞次数为1/λe，但并不是每次碰撞都引起电离；碰撞引起电离的概率为，xi为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离。iex-λeddnnx0d0exxnnddnxn0ednn00(e1)dnnnn电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次