第二章气体放电的物理过程

第二章气体放电的物理过程

本章节教学内容要求：

气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失

汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。

流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。

必要说明：1）常用高压工程术语

击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。

闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）

电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。

击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。

击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）

一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；

Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。

放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。

辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。

火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。

电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。电晕放电的电流很小

电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。电弧放电电流大，电弧温度高。

电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。

2）常见电场的结构

均匀场：板－板

稍不均匀场：球－球

极不均匀场：（分对称与不对称）

棒－棒对称场

棒－板不对称场

线－线对称场

§２－１气体中带电质点的产生和消失

一．带电粒子的产生（电离过程）

气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。

激励能：一个原子的外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象称为激励，其值为两个能级

之间的差值。

电离能：当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就会变成自由电子，使得一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电的离子，这个过程称为电离，达到电离所需要的最小能量称为电离能。

㈠碰撞电离

定义：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。在放电形成时期主要取决于电子与气体分子的撞击.

条件：

⑴撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能

能量包括动能与位能

无电场时，动能小

有电场作用时，带电粒子在电场方向加速，但离子体积大，易碰撞损失动能，所以电场中造成碰撞电离的主要因素是电子。

⑵一定的相互作用的时间和条件通过复杂的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换

主要影响因素有：

电场强度（外加电压及间隙距离），空气密度，气体分子性质等

㈡光电离

定义：在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。由光电离而产生的自由电子亦称为光电子。光电离在气体放电中很重要。

必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能

光子来源：紫外线、伦琴射线、γ射线、宇宙射线

气体本身反激励，异号粒子复合也产生光子

㈢热电离

定义：气体的热状态造成的电离，实质仍是碰撞电离和光电离（热辐射产生的光子能量大且数目多），能量来自气体分子的热能。 1000K数量级

Ｔ↑→分子动能↑→碰撞电离

Ｔ↑→热辐射光子的能量、数量↑→光电离

热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合

高温时，气体分子分解或化合，电离能将改变

㈣表面电离

气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。游离需要能量，称逸出功，一般小于气体的电离能，表面电离在气体放电过程中有重要的作用。

获得逸出功的途径：

⑴热电子发射：金属电极加热，分子动能

⑵强场发射：电极加上强电场

⑶二次电子发射：高能量粒子撞击金属电极表面（正离子撞击阴极）

⑷光电子发射：短波光照射金属表面

㈤负离子的形成

中性分子或原子与电子相结合。将放出能量称亲和能Ｅ，气体分子的这种俘获电子的性质被称为电负性。

电负性大 , 易形成负离子

负离子现象对气体放电的发展起抑制作用

二．气体中带电粒子的消失

１．中和

受电场力作用流入电极，中和电量

２．扩散（分子热运动）

带电粒子由高浓度区向低浓度区移动，使空间各处的浓度趋于均匀的过程。３．复合

带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，中和而还原为中性粒子的过程。

复合时有能量释放：光热声等。－空间光电离

§２－２气体放电机理

一:概述

外加电压很小时，气隙中的电流是由外界因素所造成的电子和离子所形成的。随电压↑，这些质点中和后，电流饱和，仍有极微小的泄漏电流。

（泄漏电流：当外加电场强度尚不能在气隙中，产生碰撞游离时，气隙中的电流是由外界电离因素，引起的电子和离子所形成的，其数量极小，故电流极小。）

场强高达某一定值后，气体发生连续的碰撞电离，象雪崩似的增长，称电子崩。电流大增。

（电子崩：外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大，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，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多的电子。依次类推，电子数以几何级数不断增多，象雪崩似的发展，这种急剧增大的空间电流被称为电子崩。）

3．Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。

４．Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展，为自持放电。

两者间区别：在于是否依赖外界游离因素。

５．此后的发展随电场情况不同分别表现为：

1、均匀电场各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，气体整个间隙击穿

2、不均匀电场：自持放电形成电晕

（1）、若间距较小即（Ｓ小）：Ｕ↑→火花放电

（2）、若间距较大（Ｓ大）：Ｕ↑→刷形放电，Ｕ↑↑→火花放电（电源功率大时，火花击穿迅速变成电弧）