《电介质物理》课件 电介质的击穿-1

e A A 2e
碰撞电离是气体放电中载流子产生的极重要因素。

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气体介质的击穿
为什么碰撞电离主要由电子和气体分子的碰撞而引起的？ 解答： ⑴电子尺寸小，比气体分子小的多，因此电子的自
由行程长，获得的动能多。
1 r2N 4 2 e / 1 4 2 r 2 N
⑵电子的质量小，在和分子发生弹性碰撞的时候 几乎不损失动能，可以继续积累动能，离子则不 然。
概述
辽沈大停电 绝缘子的沿面闪络 雷电放电 2001年2月22日停电事故，
沈阳市区停电面积超过70%。事 故是从高压输电线路的燃弧放电 开始的。辽沈为我国重工业区， 含盐的空气污染物附着在绝缘瓷 瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力 降低，电流沿着瓷瓶表面爬升， 出现闪烙放电现象。辽沈停电事 故中，几乎所有的高压输电线路 都“火冒三丈”，停电事故最厉 害的就是工业集中、污染严重的 铁西区，该区全部停止了电力供 10 应，损失巨大。
1.0 0.75 0.50 0.25 0
随着电场强度的增大 （即电子能量增大） 电子附着效应减弱； 随着气压的增大，由 于能量减小，电子附
50 100
150
200
250
300
E/ρ(V/cm·133Pa)
、p及E实验规律图
着效应增大。
说明低能电子容易附着，高能电子不易附着。
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气体介质的击穿
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气体介质的击穿
一.强电场下气体中载流子的产生 原子的激励和电离 强电场下气体载流子产生
碰撞电离 光电离 热电离
负离子的形成
正离子撞击阴极 阴极的表面电离 光电发射 热电子发射和场致发射 38
气体介质的击穿
阴极的表面电离
定义 由于气体放电中电流是连续的，必然存在阴极发射电子的 过程，称为阴极的表面电离。条件：电子能量大于金属的逸出功。
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气体介质的击穿
2.光电离
光辐射引起气体分子电离的过程称为光电离。
产生光电离的必要条件 光子的能量大于气体分子的电离能： ≥Wi h 光电离过程
+ h + e
c /
光辐射的来源
光辐射能够引起光电离的最大波长为 hc 1234 c (nm) ei i 紫外线、宇宙射线、X射线 气体放电过程中
电子附着的作用
设 x 处有 n 个电子，走过距离 dx 后，由于电离作用， 增加的电子数为： dne n dx 由于附着效应而减少的电子数为： dne ndx

从而，电子的净增加数应为： dn dne dne n( )dx
由此可见,附着效应的存在，相当于电离系数减小了， 因此，附着效应是抑制电子数倍增的因素。
假设 电子与气体分子碰撞时，只要电子动能大于气体分
子的电离能，则必然使分子电离； 每次碰撞后，电子失去全部动能。 在行经了x后发生碰撞，电子能引起碰撞电离的条件为
eEx Wi xi Wi / eE
电离能
Ex i
电离电位
xi i / E
根据波尔兹曼分布规律，设有n0个电子，且平均自由程为 e ， 经x距离 后，发生碰撞的电子数为
碰撞电离 光电离 热电离
负离子的形成
正离子撞击阴极 阴极的表面电离 光电发射 热电子发射和场致发射 20
气体介质的击穿
原子的激励和电离
激励
在外界因素作用下，原子中的电子获 得能量，可以跃迁到能量较高的能级 轨道上去，这个过程称为原子的激励。
激发态（可有很多个）
we
+
激励能 基态
基态
激励能
A We A
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气体介质的击穿
一.强电场下气体中载流子的产生 原子的激励和电离 强电场下气体载流子产生
碰撞电离 光电离 热电离
负离子的形成
正离子撞击阴极 阴极的表面电离 光电发射 热电子发射和场致发射 24
气体介质的击穿
强电场下气体载流子产生
1.碰撞电离 当电场足够强使电子和离子的动能积累到一定 数值后，在和气体分子发生碰撞时，可以使气 体分子电离（或激励），这就是碰撞电离。
击穿过程中，有电流倍增效应，以及光、热、机械力的作
用，在工程应用技术中，有广阔的应用前景。如超薄电视 机就是气体放电——引起荧光物质发光。
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气体介质的击穿
2.气体介质的击穿
特点：电流剧增、发光、发声 表现形式： 辉光放电：气压低、功率小 火花放电 气压不太低 电弧放电 电晕放电：电场极不均匀
概述
1.概述
现象：当施加于电介质的电场 强度增大到一定程度时，电介 质由绝缘状态突变为导电状态， 此跃变现象称为电介质的击穿。
U U UB
表征：介质发生击穿时，通过 介质的电流剧烈地增加， 其特征为：
0
I
dU dI
0
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概述
介质击穿：电极间的短路现象；是电介质的基本性能之一； 决定了电介质在强场下保持绝缘性能的极限能力；成为决定 电工、电子设备最终寿命的重要因素。 介电强度：绝缘介质所能承受的不产生介质击穿的最大场强。 Breakdown is a cross-over in the current from stability to instability at some field, with consequent material modification. 绝缘技术向高场强方向发展：
电击穿
是介质在强电场作用下产生的本征物理过程
度量介质耐受电场作用的能力——耐电强度
具有可逆与不可逆的击穿形式
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概述
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概述
电击穿
气体介质击穿理论
固体介质击穿的理论模型
汤逊理论
流注理论 本 征 电 击 穿 模 型 碰 撞 电 离 雪 崩 击 穿 隧 道 效 应 击 穿 击 穿 理 论 研 究 进 展
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气体介质的击穿
4.负离子的形成
一些电子亲和力较大的元素（如O、Cl、F等）， 不仅在生成化合物时易于形成负离子，而且当它
们以分子状态存在时，如果遇到电子，容易吸附
电子而形成负离子。
e - + h
自由电子附着于电子亲和力较大的元素或这些元 素的化合物形成负离子的过程称为电子的附着。 电子附着过程种伴随着光辐射。这类容易形成负 离子的气体，称为负电性气体。
nx n0e
－
x

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气体介质的击穿 单位距离中，一个电子的平均碰撞次数 Z 1/
Ze－x / 其中xi大于自由行程而导致碰撞电离的次数为

e
1

e
－
xi


1

e
－
i E
1 r2N
p NkT
kT e 2 r p
1/ e
r2
kT
p Ap
A p i i Bp / E Ee E
1 2 1 mv kT 2 2
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气体介质的击穿
1 2 1 mv kT 2 2
总能量大于分子电离能
kT ≥Wi
两个分子相互碰撞时的总能量
13.6 1.602 1019 T Wi / k 1.57 105 K 1.38 1023
温度在上万度以上！
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气体介质的击穿
电子附着系数
定义
一个电子在电场方向单位长度行程内可能附着于中性 分子的次数。
影响 的因素 气体成分有关 还与 p 及 E 有关 表示方法

E f p p
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气体介质的击穿

η/p(1/cm·133Pa)
E f p p
* A A h
引起别的分子的光电离或分级电离，促进气体放电的进一步发展。 31
气体介质的击穿
3.热电离
与气体热状态有关的电离过程称为热电离。 热电离产生条件 在室温时，分子平均动能很小，不会发生电离；
但是T↑，平均动能增大。
A A 2 A+ 2e
按气体分子平均动能按自由度均分原则，在气体 温度为T时，气体分子每个自由度的平均动能为
气 阴极 材料 体
Ar
H2
空气
N2
He
Al Cu Fe
0.12 0.06 0.06
0.1 0.05 0.06
j
0
Ⅰ Ⅱ E1
js E2
Ⅲ Eb E
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气体介质的击穿
2.气体介质的击穿
基本理论：
（1）载流子的产生过程
（2）载流子的消失
（3）碰撞电离理论模型
（4）极不均匀电场中气体的击穿
330kV输电线路杆塔
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气体介质的击穿
一.强电场下气体中载流子的产生 原子的激励和电离 强电场下气体载流子产生
/ p Ae

Bp E
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气体介质的击穿
/ p Ae
Bp E
α/p
① E ↑，↑
p ② E ＝constant，↑，↓
0 E/p
α/p和E/p的关系
A、B 的经验数据
气体 空气 空气 N2 CO2 E/p(V/cm· 133Pa) 20～150 150～600 150～600 500～1000 A(1/cm· 133Pa) 8.5 14.6 12.4 20.0 B(V/cm· 133Pa) 250 365 342 466
阴 极 发 射 初 始 电 子
二 次 电 子 自 持 放 电
阳 极 流 注 的 形 成
阴 极 流 注 的 形 成
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概述
研究击穿的意义和作用
电介质的基本电性能参数之一，代表了电介质在电场作用
下保持绝缘状态的极限能力。
绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要因素，约 占70%。 高场强的应用越来越多，如电子器件，电压不高场强高， 高场强问题多。
金属逸出功
d
金属
1、正离子撞击阴极
正离子向阴极移动，撞击阴极时将动能和位能传递给电子，使其 逸出金属，引起表面电离。
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气体介质的击穿
——表面电离系数
一个正离子撞击阴极平均释放的自由电子数。必须从阴极 释放一个以上的自由电子才能造出表面电离。由于过程
从阴极发射的电子称为二次电子。
与电极的逸出功有关，因而与电极材料及其表面状态有关。 表面电离系数一般为10-2数量级，下表给出了几种气体 的表面电离系数。
《工程电介质物理学》
电介质的击穿 Breakdown of Dielectrics
李建英
2012年4月~5月
1
主要内容：
1. 概述
2. 气体电介质的击穿
3. 液体电介质的击穿
4. 固体电介质的击穿
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概述
绝缘子的沿面闪络 雷电放电
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概述
绝缘子的沿面闪络
4
概述
绝缘子的沿面闪络 大气压下均匀放电 雷电放电
激励态
A 不稳定，寿命为10-7—10-8 s，然后又返回到基态。
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气体介质的击穿
激励能 We eV
激励过程所需要的能量 有时，用激励电位来反映激励能
激励电位
We e e
电子电荷
A A h h h 表示普朗克常数， 6.62 10
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J· s。
h 表示光子能量。
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气体介质的击穿
电离
在外界电离因素作用下，原子中一个或几个 电子获得能量足够大时，可以脱离原子核的 束缚而形成自由电子和正离子的过程。 基态 正离子
电离过程可表示为
A Wi A e
电离能 电子
一次电离
A We A
A Wi A e
分级电离
显然 Wi Wi
高压输电；高能粒子加速器；半导体器件；集成电路
介质击穿的应用：气隙开关、放电管，局部放电 等离子体对细胞膜的作用
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概述
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概述
介质击穿主要分为热击穿和电击穿两大类 热击穿
由于介质内热的不稳定过程所造成（非本征性质）
介质电流 介质加热 电导增加 电流增大 介质破坏
与材料性能、绝缘结构、电压种类、环境温度有关
5
概述
绝缘子的沿面闪络 固 大气压下均匀放电 雷电放电 体 绝 缘 材 料 中 的 放 电
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概述
绝缘子的沿面闪络 大气压下均匀放电 电缆击穿事故 雷电放电
7
概述
绝缘子的沿面闪络 变压器电缆终端击穿事故 雷电放电
8
概述
绝缘子的沿面闪络 大气压下均匀放电 雷电放电 加州大停电
• 美国加州 2002年1月以及 3月连续两次发生全州停电 事故。为防止整个系统瘫 痪，加州实行了二战后的 首次灯火管制，以避免对 电力设备造成损害，引发 更大面积的不能控制的断 电事故。 • 主要原因设备严重老化。 9
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气体介质的击穿
电子碰撞电离系数
定义

一个电子沿着电场方向行经单位距离平均发生的碰撞 电离次数。单位1/m 。
e A A e e(新电离电子）
因此 也是一个电子在单位长度行程内新电离的电子 数或正离子数。
f (E, e )
由电场强度和自由行程决定
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气体介质的击穿