1-气体放电的物理过程-1

2.带电粒子的运动
电子平均自由行程 各种粒子在气体中运动时不 断地相互碰撞，任一粒子在 1cm 的行程中所遭遇的碰撞次 数与气体分子的半径和密度有 关。单位行程中的碰撞次数的 倒数 λ 即为该粒子的平均自 由行程长度。
电子平均自由行程
由气体动力学可知，电子平均自由行程长度：
P( x) = e
−
x
气体放电基本物理过程
李华伟 北京交通大学电气工程学院 电气楼307室 hwli@
参考华中科大李黎老师以及华北电力大学高压课件，特此致谢！
研究气体放电的目的： 了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电 介质演变成导体的物理过程
掌握气体介质的电气强度及其提高方法 学会如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气
体间隙的击穿电压
了解气体击穿电压与电场分布、电压种类、气
体状态的关系 电气设备中常用气体作为绝缘介质：空气、 SF6 及其混合气体
一、带电粒子的产生、运动与消失
气体放电过程： 在电场作用下，气隙中带电粒子 的形成和运动过程。 问题的提出： 1、气隙中带电粒子是如何形成的？ 2、气隙中的导电通道是如何形成的？ 3、气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
扩散

带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的 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 电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高 ，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩 散过程比离子的要强得多
一、带电粒子的产生、运动与消失
1.带电粒子的产生——电离
原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子 核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态 的轨道，这个过程称为激励。 如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆 脱原子核的约束而成为自由电子。这一现象称为 电离。 原子被分解成两种带电粒子—电子和正离子。 使电子电离出来所需的最小能量称为电离能， Wi 。
自持放电的汤姆逊理论
电子崩 α过程） （ + 阴极发射 （ γ 过程）
Thomson理论的实质：电子碰撞电离是气体放电的主要 原因，二次电子来源于正离子撞击阴极表面，使阴极表 面溢出电子，溢出电子是维持气体放电的必要条件。
小结：放电的发展过程
均匀电场：任意位置的自持放电将迅速引起气
体间隙击穿，放电的起始电压U0为击穿电压；
出现流注条件：起始电子崩头部电荷数量足以 畸变电场造成足够的空间光电离
eα d = const.
工程上一般认为：
αd = 20
e
αd
≈ 10
8
流注理论可以解释：高气压、长间隙下，放电并不 充满整个电极空间的现象，而是细窄的树枝通道； 放电时间很小；击穿电压与阴极材料无关。 流注理论的局限：当Pd较小时。此时，不产生流注， 只能使用汤姆逊理论自持放电。
λ
r ：气体分子半径
P ：大气压力
T ：气温
kT λ = 2 πr P
k ：波尔兹曼常数
迁移率

带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形 成电流 在气体放电空间 ，带电粒子在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 ，保持平均速度，即上述的带电粒子的 驱引速度 vd = bE

b ——迁移率 • 电子迁移率比离子迁移率大得多
x = d处 n =
exp = ∫ α dx e
0
d
αd
若初始为n0个电子，则产生电子数为
n = n0 e
αd
∆n 新增电子数为=
n0 (eα d − 1) 则电流为 I = I 0 eα d I 0 = n0 qe
从阴极电离出的电子数
γ (eαd − 1)
为什么高气压和高真空（低气压）下，不易发 生气体放电现象？
流注：由大量正负离子混合形成的等离子体通道，导电 性能良好。 放电外形：衍生电子崩的发展具有不同的方位，所以流 注的推进不可能均匀，随机性使其曲折分支； 放电时间：光子以光速传播，衍生崩跳跃式发展，因此 放电发展时间很短； 阴极材料的影响：维持放电的是光电离而不是表面电离， 因而与阴极材料无关。
六、不均匀电场中的放电过程
1 2 m = qe Ex ≥ Wi e ve 2
Wi——气体分子的电离能。
或
Ui xi ≥ E
me——电子的质量；ve——电子的速度；
提高气体场强，可以加速电离。 碰撞电离是气体产生带电粒子的主要方式。
电离形式四：金属(阴极)的表面电离 ——阴极发射
金属表面发射臂气体电离更易发生，在气体放电中起 重要作用。页6表1-2


3.带电粒子的附着——产生负离子

有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反 而是碰撞电子附着分子，形成了负离子 有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易 形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6 等） 产生负离子后，减少了自由电子数量，所以，抑制了 气体放电，提高了气体绝缘强度。
γ
巴申（Paschen）定律
U 0 / kV
50 30 20 10 5 3 2 1 氢 氦 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 5 10 20 30 50 100 300 1000 空气
SF6
pd /( Pa ⋅ cm)
0.5
pd / 133. 3 P a ⋅ cm
气体放电的主要形式

刷状放电：从电晕放电电极中伸出许多较
明亮的细放电通道；极不均匀场 电弧放电：放电通道和电极的温度都很高， 电流密度大，电路有短路特征；电源功率大
辉光放电
非自持放电
外 施 电 压 小 于 U0 时 ，
间隙内电流数值很小，间 隙还未被击穿，这时电流 要依靠外电离因素来维持， 如果取消外电离因素，电 流将消失。这类放电称为 非自持放电。Biblioteka 电子崩理论－＋
电子崩具显圆锥形， 电子集中在崩头，尾部 为正离子
电子崩理论
为了定量分析气隙中气体放电过程，引入三个系数： α 系数：代表一个电子沿着电场方向行经 1cm
长度，平均发生的碰撞电离次数；（形成电子崩）
β 系数：代表一个正离子沿着电场方向行经1cm长度，
平均发生的碰撞电离次数； （离子崩）——可以忽略
非均匀电场：当电压达到 U0 后，出现电晕， U0
为电晕起始电压，电压继续升高，相继出现刷状 放电、火化放电（或电弧放电）。
四、起始电压与气压关系
均匀场
BP − E α APe = αd 1 γ ( e − 1) = E = U0 / d
BPd U0 = APd ln 1 ln(1 + )
γ 系数：表示折合到每个碰撞阴极表面的正离子，
使阴极金属表面平均释放出的自由电子数。 （阴极发
射电子），阴极发射也叫阴极上的 γ 过程。
光照射
设：从阴极发出一个电子，经多次 碰撞电离，在经过距离阴极x后，产 生n个电子 这 n 个电子行过 dx 之后，又会产 dx ＋ 生dn个新的电子
－
x
d
dn = nαdx
1、极不均匀电场击穿的特点
a 、显著的极性效应：施加电压的极性对放电过 程和击穿电压影响很大 b 、较长的放电时延：需要足够的发展时间（电 压要持续一定时间才可击穿） c、短间隙、长间隙、超长间隙各不相同 d 、可能出现各种放电形式：电晕、刷状、火花、 弧光放电等
电场不均匀系数 f f<2时，稍不均匀电场 f>4时，极不均匀电场
(2)空间光电离的作用
与Thomson理论不同之处
正流注的产生
初崩头部放 出的光子在 崩头前方和 崩尾后方引 起空间光电 离并形成二 次崩，它们 不断汇入初 崩通道的过 程。
从电子崩到流注的转换
电极间所加电压等于自持放电起始电压，初崩跑完这个气 隙，其头部才能积聚到足够的电子数而引起流注 （a） 初崩跑完整个气 隙后引发流注 （b）出现流注的区域 从阳极向阴极方向推移 （c）流注放电所产生 的等离子通道短接了两 个电极，气隙被击穿。 （d） 流注发展速度极 快，是初始电子崩的十 倍以上。
思考：碰撞电离主要是电子与气体分子碰撞还是正 离子与气体分子碰撞？ 离子平均自由行程远小于电子行程 典型原子直径10^(-10)m，蛋白质分子直径43*10^(-8)cm， 较小的氢分子直径23*10^(-8)cm。 思考：能否从电子的平均自由行程长度推导出其半径？
放电由非自持转入自持的条件为 阴极发射的电子数
BP − − U 1 1 i λ E ≥ x e e APe α = = = i E λ λ x − P( x) = e λ λ = kT （1）场强很大，碰撞电离系数 α 很大； π r 2 P （2）压强很大，碰撞电离系数 α 很小； （3）压强很小，碰撞电离系数 α 很小； xi Ui − Eλ
γ ( eα d − 1) = 1
（二次电子数）
自持放电的起始电压U0
均匀场：二者相等 击穿场强（电压） 非均匀场：二者不等
三、自持放电条件 气体放电的主要形式
辉光放电：整个空间发光，电流密度小；低气
压、电源功率小；霓虹灯 火花放电：有收细的发光放电通道、贯穿两 极的断续的明亮火花；大气压下、电源功率小 电晕放电：紧贴尖电极周围有一层晕光；极 不均匀场
三、自持放电条件
光照射
−
+
A V
bc段：红色 I = I 0 e cS段：黑色 阴极发射
αd
由阴极发射产生的电子取代外界的电离作用，放电 可以维持下去，称为自持放电。
为何正离子向阴极运动过程中，更容易引起阴极表面电离， 而不是发射碰撞电离？
气体 氧气 水蒸气 二氧化碳 氢气 氮气、六氟化硫 电离能/eV 12.5 12.8 13.7 15.4 15.6 金属 铯 铝 银 铁、铜 氧化铜 逸出功/eV 0.7 1.8 3.1 3.9 5.3