气体放电过程分析..

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. 一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态
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
1.1.3 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. 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.
Wi
3 KT Wi 2
：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
( 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 强场放射: 在阴极附近施加强电场可使阴极释放 电子.
适用条件: 均匀电场,低气压,短间隙 实验装置
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.
Wi
1 2 m Wi 2
：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.
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 其中, K:波茨曼常数, T:绝对温度 产生热游离的条件：
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 2
2
m qEx
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：
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. 产生光游离的条件：
hf Wi
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
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

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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
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.