气体放电过程分析

1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论
在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象 a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍
b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大 气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.
c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地 发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道
电弧放电 1.1.2 带电质点的产生
•电极空间带电质点的产生 •电极表面带电质点的产生 1.1.3 带电质点的消失 •带电质点受电场力的作用流入电极 •带电质点的扩散 •带电质点的复合
1.1 带电质点与气体放电
1.1.1 气体放电的主要形式 1.空气在强电场下放电特性
* 气体放电: 气体中流通电流的各种形式统称气体放电. * 气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体 积内仅含几千个带电粒子, * 但在高电压下,气体从少量电荷会突然产生大量的电荷, 从而失去绝缘能力而发生放电现象. * 空气间隙由绝缘状态突变为导体状态的变化,称为击穿.
( P11 表1-3 金属及金属微观结构氧化物的逸出功). 金属表面逸出功比气体电离能小很多, 在气体放电中,电 极表面电离很重要.
金属表面电离
正离子碰撞阴极: 正离子能量传递给阴极, ≥2 金属表面逸出功时发生电离
光电效应: 金属表面受到光照时,光子能量>金属 表面逸出功时,可造成电离
热电子放射: 加热阴极,使电子获取足够动能,克 服金属表面逸出功
c图:当电子崩发展到一定程度, 其形成的空间电荷的电场大大 增强.
d图:崩头和崩尾的电场增强, 电子崩内正负电荷区域间电场 削弱,合成电场发生明显的畸 变.
结论:
(1)电子崩头部电荷密度大,电离过程强烈,且电 场分布畸变,导致崩头放射大量光子;
(2)崩头前后电场增强,有利于分子离子发生激励 现象,其从激励状态恢复正常状态时,放射出光 子;
(2).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能自行维持
下去
(3).电子崩 在电场作用下,电子从阴极向阳极推进而形成的
一群电子.将因碰撞电离使自由电子不断增加的现象 称为电子崩(下图).
电子崩的发展过程称为α过程. α称为碰 撞电离系数,定义为一个电子沿电场方向行 经1cm长度,平均发生的碰撞电离次数.若每 次碰撞电离仅产生一个新电子,则α表示在 单位行程内新电离出的电子数.
光游离
由光辐射引起气体原子（或分子）的电离,称为光电离. 光波的能量W决定于其频率f: W = hf = hc/λ 其中,h为普朗克常数,f c λ分别为光波频率,光速,波长.
hf W 产生光游离的条件： i
即当气体分子受到光辐射时,若光子能量大于气体 分子电离能,则可能引起气体分子的光电离.
书P10 表1-2 气体的电离电位及光电离临界波长
(3)电子崩内部正负电荷区域间电场削弱,有利于 发生复合过程,同样发射出光子.
当外电场较弱时,上述过程不强烈,没有发 生新的现象;当外电场达到击穿场强时,上述过 程十分强烈,电子崩头部形成流注.
1.3.2 流注的形成
1. 正流注的形成
a图:外电场因素从阴极释放电子向阳极运动,形成电子崩. b图:电子崩的过程中头部电离愈加强烈,走完整个间隙后,
因为大气层的阻挡,阳光到达地面的波长λ ≥290nm, 因 此,普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离.
热游离
气体在热状态下引起的电离过程称为热电离
热电离本质:高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离, 只不过能量不是来自电场而是气体分子本身的热能.
气体分子平均动能W与分子温度T的关系: W = 3KT/2
二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出 电子，逸出电子是维持气体放电的必要条 件。
所逸出的电子能否接替起始电子的作用是 自持放电的判据。
1.2.2 巴申定律
1889年,巴申从大量实验中总结了击穿电压Ub与pd的 关系,称为巴申定律.
表达式: Ub f ( pd )
其中 p:气体压力 d:极间距离
头部空间电荷密度非常大,崩头尾电场大,放射大量光子.
巴申定律与汤逊理论的关系
前者为后者提供实验结果支持;后者为前者提供理论依据.
pd过大和过小时,放电机理发生变化,汤逊理论不 再适用.
1.3 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论
1.3.1 空间电荷对电场的畸变 1.3.2 流注的形成 1.3.3 均匀电场中的自持放电条件 1.3.4 流注理论对放电现象的解释
(4).自持放电条件
a.电子的空间碰撞系数α 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰
撞电离数
b.正离子的表面游离系数γ
一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的 电子数
说明: 假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电 子到达阳极的过程是α过程,导致电子总数增加,且形成多个 正离子;正离子到达阴极表面产生γ过程,又释放出更多的电 子,这些电子又在电极空间产生α过程……如此循环.
利用实验测量不同极间距离d与外回路电流 I关系,可以计算α (P14 公式1-9).
标准参考大气条件下空气的α系数与电场 强度E的关系 (P15 图1-6)
α过程:电极空间的电子引起的碰撞电离
二次过程: β过程:正离子从电场获得动能,引起的碰撞电离过程.因
为离子平均自由行程小,获取的动能少;离子质量大,速度 慢,弹性碰撞时易损失动能.因此,由正离子产生的电极空 间碰撞电离作用小,可以忽略不计.
1 2
m
2
Wi
Wi ：气体原子（或分子）的电离能
即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都 引起电离-----引入”自由行程”概念:
* 自由行程定义:一个质点在每两次碰撞间自由通过的距离. * 平均自由行程λ:众多质点自由行程的平均值
T / p
其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程 大,积累的动能大,易造成气体电离. * 碰撞电离中电子引起的电离占主要地位: 电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不 损失动能. 离子:自由行程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.
适用条件: 均匀电场,低气压,短间隙
实验装置
均匀电场中气体的 伏安特性
分析：
oa段:
随着电压升高，到 达阳极的带电质点数量 和速度也随之增大.
ab段：
电流不再随电压的 增大而增大.由外电离 因素产生的带电质点数 (少),全部落入电极,饱 和电流密度极小.气体 间隙仍处于良好的绝缘 状态.
均匀电场ห้องสมุดไป่ตู้气体的 伏安特性
强场放射: 在阴极附近施加强电场可使阴极释放 电子.
1.1.3 带电质点的消失(去游离)
a.流入电极 带电质点受电场力的作用下,流入电极 迁移率:单位场强下的运动速度 电子迁移率远远大于离子迁移率 同一种气体的正负离子迁移率相差不大
b.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动,从而使 带电质点在空间各处的浓度均匀.
碰撞电离
在电场E作用下,质量为m,电荷量为q的带电质点被加速,
沿电场方向行经x距离后获得能量qEx,具有一定速度v,表现
为动能:
1 m 2 qEx
2
当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原 子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生电离，这种由碰 撞而引起的电离称为碰撞电离.
引起碰撞游离的条件：
bc段：
电流又再随电压的增 大而增大.说明出现的新 的电离因素—电子的碰撞 电离.
外施电压<UC,间隙电 流小,取消外电离因素(光 照射),电流也消失(非自 持放电)
c点:电流急剧突增
电压到达UC后,气体发生强 烈电离,只靠电场作用可自 行维持,不需要外电离因素 (自持放电)
UC:击穿电压.
(1).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止
可见,击穿电压不仅仅由d决定,而是气体压力 和极间距离的函数,而且是个U形曲线,具有极小值, 见下图.
均匀电场中几种气体的击穿电压Ub与pd的关系
不同气体,巴 申曲线上的最低击 穿电压和此时的pd 值各不相同.如空 气的击穿电压极小 值出现在低气压下, 即空气相对密度较 小的情况 下,Ub.min=325V pd=0.55cm.mmHg.
其中, K:波茨曼常数, T:绝对温度
产生热游离的条件：
3 2
KT
Wi
Wi ：气体分子的电离能
常温下(T=300K),不足以引起空气的热电离;当发生电 弧放电时,气体温度达到输千度以上,可以导致碰撞电离.
金属表面电离
电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为表面游离 使阴极释放电子需要的能量: 逸出功 逸出功与金属的和表面状态有关, 与金属温度无关
自持放电的物理概念: 一个电子在自己进入
阳极后,可以由α和γ过 程在阴极上产生一个新的 替身,从而无需外电离因 素,放电可继续.
自持放电条件可表达为:
(eS 1) 1
综上所述，将电子崩和阴极上的r过程作为气体自持放 电的决定因素是汤逊理论的基础。
汤逊理论的实质：
气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放 电的主要原因(电子崩)
因此,在大量实验研究的基础上,提出流注放电理论.
1.3.1 空间电荷对电场的畸变
a图:电子崩发展过程中,电子 移动速度快,正离子相对于电 子可看成静止的,崩头集中电 子,后部为正离子;由于电子的 扩散作用,电子崩横向半径逐 渐扩大----形成半球头的锥体.
b图:电子崩过程中,电子数 N 呈指数增加.电子崩的电离过 程集中在头部,空间电荷分布 极不均匀.
第1章 气体放电过程 的分析
第1章 气体放电过程的分析
1.1 带电质点与气体放电 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论
和巴申定律 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论 1.4 高气压下不均匀电场气体击穿的发展过
程
1.1 带电质点与气体放电
1.1.1气体放电的主要形式 辉光放电 、电晕放电 、刷状放电 、火花放电 、
电子质量远小于离子,电子的扩散过程强. c.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子. 质点间相对速度大,复合率就小
电子速度比离子大,正离子与电子复合率小,正负离子复 合率大. d.附着效应 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子. 离子的电离能力差,因此气体放电过程中负离子的形成起着 阻碍放电作用.
γ过程:在阴极表面发生的,克服金属表面逸出功后形成的
电离. (1)正离子碰撞阴极表面而释放电子(主要); (2)正负离子复合产生的光子在阴极表面引起的电离.
γ系数:折算到每个碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的
自由电子数.该系数同样可以通过I与电极间距离d的实验 曲线,计算后获取(书P16 公式1-17)
对上图的分析:
击穿电压极小值的右侧: pd增大:(1)极间距离增加,电压不变时,间隙中场强
下降,电离减弱;(2)气压变大,电子自由行程缩短,电子不 易积累能量,电离减弱.由此,所需击穿电压变大 击穿电压极小值的左侧:
pd下降:主要是p下降引起,电子自由行程大,积累能量 大,但是空气密度低,气体分子数量太少,碰撞次数少,因此 电离减弱. 结论:高气压和高真空都可以提高击穿电压.
1.2 低气压下均匀电场自持放电的 汤逊理论和巴申定律
1.2.1 汤逊理论 1.2.2 巴申定律与均匀电场击穿电压 • 巴申定律 • 均匀电场的击穿电压 1.2.3 汤逊放电理论的适用范围
1.2 低气压下均匀电场自持放电的两个理论:
1.2.1.汤逊放电理论: 1903年,由英国人汤逊根据
试验事实，提出了比较系统的气体放电理论，阐述了气体 放电过程，并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。 汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论.
电晕放电
1.1.2 带电质点的产生
(1) 激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态
(2)电离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离
原子核的束博而形成自由电子和正离子
(3)电离的方式
a.碰撞电离
b.光电离
电极空间带电质点的产生
c.热电离
d.金属表面电离: 电极表面带电质点的产生
一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
输电线路以气 体作为绝缘材料
变压器相间 绝缘以气体作为 绝缘材料
2 不同条件下,气体放电有多种不同外形: 书P8 表1-1 气体放电的主要外形形式
• 辉光放电 • 电晕放电 • 刷状放电 • 火花放电 • 电弧放电
见下图 放电外形示意图
辉光放电