高电压之电介质的电气强度讲解

电子崩与汤逊理论
外界电离因子在阴极附近产生一个
初始电子，该电子在向阳极运动时就会 引起碰撞电离，产生出一个新电子，初 始电子与新电子继续向阳极运动引起新
的碰撞电离，依次类推，电子数将按几
何级数增多，这种急剧增大的空间电子
流被称为电子崩。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
• 碰撞电离和电子崩引起的电流
为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入电子碰撞电离系
1.1.3
电子崩与汤逊理论
根据碰撞电离系数α的定义，可得： dn=αndx
1.1.3
电子崩与汤逊理论
对于均匀电场来说，气隙中各点
的电场强度相同，α值不随x而变化， 所以上式可写成：
抵达阳极的电子数应为：
式中d为极间距离。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
途中新增加的电子数或正离子数应为：
将式
等号两侧乘以电子的
数α。
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。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
图1-5为平板电极气隙，设外界
电离因子每秒钟使阴极表面发射出 来的初始电子数为n0。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
由于碰撞电离和电子崩的结果，
在它们达到x处时，电子数已增加为n， 这n个电子在dx的距离中又会产生出 dn个新电子。
为电离能Wi，单位是eV。
1.1.1
带电质点的产生
• 正离子产生：电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子； • 负离子产生：电子与分子（原子）碰撞时，附着在分子上而形成。
1.1.1
带电质点的产生
带电粒子产生的几种形式：
光电离 热电离 碰撞电离 分级电离 电极表面的电离
负离子的形成
1.1.2
带电质点的消失
带电粒子间相对速度越大，相互作用时间越短，复合可能性就越小。
因此，正、负离子间的复合要比电子、正离子复合容易得多。 上述两种复合都会以光子的形式放出多余能量，这种光辐射可能导 致其它气体分子电离。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
• 电子崩的形成过程 • 碰撞电离和电子崩引起的电流 • 碰撞电离系数
去完成碰撞电离。电子引起碰撞电离的条件应为：
e E x ≥ Wi
电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离：
（1-4）
Ui x E
Ui为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等。
1.1.1
带电质点的产生
x的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使x值减小，可见提
高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。
1.1.1
带电质点的产生
电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功。金属的逸出
电极表面的电离
功要比气体分子的电离能小得多，这表明金属表面电离比气体空间电
离更易发生。 正离子撞击阴极表面；
光电子发射；
热电子发射；
强场发射（冷发射）。
1.1.1
带电质点的产生
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正
体的物理过程； （2）掌握气体介质的电气强度及其提高的方法。
1.1
气体放电的基本物理过程 1.1.1带电质点的产生 1.1.2带电质点的消失 1.1.3电子崩与汤逊理论 1.1.4巴申定律及其适用范围 1.1.5不均匀电场中的气体放电
1.1.1
带电质点的产生
自由行程长度 粒子在1cm的行程中碰撞次数Z的倒数λ 即为该粒子的平均自由行程长度。（两次碰 撞间粒子经过的距离）
1.1.1
由于
带电质点的产生
，代入上式即得
P ：气压，Pa； T ：气温，K； K ：波尔茨曼常数，k=1.38*10-23。
在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10-5cm。
1.1.1
带电质点的产生
带电粒子的迁移率
带电粒子在电场力驱动下，其速度υ与场强E之比，称为迁移率： k= υ/ E 它表示该粒子在单位场强下沿电场方向的漂移速度。
第一篇 电介质的电气强度
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第一篇 电介质的电气强度
电介质在电气设备中是作为绝缘材料使用，按其物质形态可分为：
• 气体介质 • 液体介质 • 固体介质
第一篇 电介质的电气强度
电气设备中
外绝缘
通常由气体介质（空气）和固体介质（绝缘子）联合组成。 内绝缘 通常由固体介质和液体介质联合组成。
根据碰撞电离系数α的定义，即可写出：

1

e

xi


1

e

Ui E
1.1.3
电子崩与汤逊理论
电子的平均自由行程长度λ与气温T成正比、与气压p成反比，即
当气温T不变时，碰撞电离系数α即可改写为：
式中A、B是两个与气体种类有关的常数。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
可以看出： ①电场强度E 增大时，α急剧增大；
和正离子就能维持下去，这就变成自持放电了。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
• 自持放电的条件 设阴极表面在单位时间内发射出来的电子数为nc，在到达阳极 时将增加为： na=nceαd
nc包括两部分电子：一部分是外界电离因子所造成的n0；另一部分是
前一秒钟产生出来的正离子在阴极上造成的二次电子发射。
1.1.3
当电压接近Ua时，电流趋于饱和值
I0，因为这时由外界电离因子所产生的
带电粒子几乎能全部抵达电极，因此电
流值仅取决于电离因子的强弱而与所加 电压的大小无关。可见此时气体仍处于
绝缘状态。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
当电压接近Ub时，电流又开始随电
压的升高而增大，这是由于气隙中开始
出现碰撞电离和电子崩。
1.1.3
扩散进行得越快
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。
1.1.1
带电质点的产生
产生带电粒子的物理过程称为电离，它是气体放电的首要前提。
• 激励 当原子获得外部能量，一个或若干个电子有可能转移到离核较远 的轨道上去，该现象称为激励。
• 电离能
使基态原子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称
Wi：气体的电离能，eV。
外界高能辐射线 光子来源
｝
气体放电本身
1.1.1
热电离
带电质点的产生
• 常温下，气体分子发生热电离的概率极小。
• 气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。
1.1.1
带电质点的产生
• 当T>1000K时，才需要考虑热电离；
• 当T>2000K时，几乎全部空气分子都处于热电离状态。
第一篇 电介质的电气强度
在电场的作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类：
在弱电场下——电场强度比击穿场强小得多 极化、电导、介质损耗等
在强电场下——电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强
放电、闪络、击穿等
第一章 气体的绝缘特性与介质的电气强度
研究气体放电的主要目的：
（1）了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质演变成导
1.1.1
带电质点的产生
电子在电场作用下与气体分子碰撞时，把自己的动能转给后者而
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碰撞电离
引起碰撞电离。
电子在场强为E 的电场中移过x的距离时所获得的动能为：
1 2 W mv eEx 2
m ：电子的质量；
e ：电子的电荷量。
1.1.1
带电质点的产生
如果W等于或大于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量
1.1.3
电子崩与汤逊理论
当气隙上所加电压大于 Uc时，电流
• 自持放电的形成
I随电压U的增大不再遵循I=I0eαd的规律，
而是更快一些，可见这时又出现了促进
放电的新因素，这就是受到正离子的影
响。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
汤逊理论认为：在电场的作用下，正离子向阴极运动，由于它的
平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰
②p很大或很小时，α值都比较小。高气压时，单位长度上碰撞次数很多， 但能引起电离的概率很小；低气压或真空时，电子虽然容易积累能量，
但碰撞次数太少。
可见，高气压高真空都不易发生放电，即具有较高的电气强度。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
• 自持放电的形成 • 自持放电的条件 • 自持放电的物理含义
汤逊理论
• 碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式；
• 主要的碰撞电离均由电子完成；
• 离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多。 因此在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。
1.1.1
带电质点的产生
分级电离 原子或分子在激励态再获得能量而发生电离称为分级电离。因为
激励态是不稳定的，通常分级电离的概率很小。
1.1.1
带电质点的产生
电子与离子的迁移率相比较： • 电子的平均自由行程长度比离子大得多
• 电子的质量比离子小得多
因此，电子更易加速，其迁移率远大于离子。
1.1.1
扩散
带电质点的产生
热运动中，粒子从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而
使分布均匀化，这种过程称为扩散。 气压越低
温度越高
｝
电极上而形成外电路中的电流；
带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间； 带电粒子的复合。
1.1.2
带电质点的消失
当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，
这种现象称为复合。 复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，产生一个中性 分子； 复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，产生两个 中性分子。
• 探讨碰撞电离系数
与气体分子发生1/ λ次碰撞，不过并非每次碰撞都会引起电离。
只有电子积累的动能大于分子电离能Wi时，才能产生电离，此 时分子至少运动的距离为：
Wi U i xi eE E
1.1.3
电子崩与汤逊理论
实际自由行程长度等于或大于xi的概率为 e
xi

，所以它也就是
碰撞时能引起电离的概率。
负离子的形成
离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离
子的情况，这过程称为附着。
负离子的形成并没有使气体中的带电粒子数改变，但却能使自 由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。
1.1.2
带电质点的消失
气体中带电粒子的消失可有下述几种情况： 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
1.1.1
带电质点的产生
光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离。
频率为f 的光子能量为： W=hf 式中：h为普朗克常量，h=6.63×10-34J· s （1-1）
1.1.1
带电质点的产生
光辐射要引起气体电离必须满足以下条件： hf ≥ Wi λ：光的波长，m； c ：光速，3×108m/s； 或 λ≤hc/ Wi （1-2）
1.1.1
带电质点的产生
粒子的自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为： P(x)=
λ：粒子平均自由行程长度
令x = λ，可见粒子实际自由行程长度等于或大于平均自由行 程长度λ的概率为36.8%
1.1.1
带电质点的产生
由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度：
r ：气体分子的半径； N ：气体分子的密度。
电荷e，即成电流关系式：
式中I0=n0e
1.1.3
电子崩与汤逊理论
上式表明：虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大，但 这时放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令I0 = 0），I 即
变为零。
因此，电子崩过程时放电不能自持。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
设电子的平均自由行程长度为λ，则在它运动过1cm的距离内将
撞电离。
但当它们撞击阴极时却有可能引起表面电离而拉出电子，部分电 子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动和引起新的电子崩。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
如果电压（电场强度）足够大，初始电子崩中的正离子撞击阴
极，使阴极释放出新电子数等于或大于n0，那么即使除去外界电离因 子的作用，放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子
电子崩与汤逊理论
当放电达到某种平衡状态时，每秒钟从阴极上逸出的电子数均
为nc，则二次电子数应等于γ nc（eαd-1），因此
nc=n0+ γ nc（eαd-1） γ 表示一个正离子撞击阴极表面时产生出来的二次自由电子数； α 碰撞电离系数。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
在气隙两端电极施加电压时，即可
检测到微小的电流。 图中为实验所得的平板电极间气 体中的电流I与所加电压U的关系曲线。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
在曲线的0a段，I随U的提高而增大，
这是由于电极空间的带电粒子向电极运
动的速度加快而导致复合数的减少所致。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
电子崩
1.1.3
电子崩与汤逊理论
• 电子崩的形成过程 气体的放电与发展与气体种类、气压大小、气隙中的电场型式、 电源容量等因素有关。 无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段， 它在所加电压达到某一数值时开始出现。
1.1.3
电子崩与汤逊理论
各种高能辐射线（外界电离因子）引起： • 阴极表面光电离 • 气体中的空间光电离 因此，空气中存在一定浓度的带电粒子。