高电压-气体放电的基本物理过程
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带电质点的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热 运动造成，带电质点的扩散规律和气体的扩散规律也 是相似的
原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核 的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离
电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电离 电位Ui（v） Ui =Wi/e
几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
N2
6.1
15.6
O2
7.9
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
1
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
高压电气设备绝缘的介质 -----气体、液体、固 体及其复合介质
气体绝缘介质的优点 :
1. 不存在老化问题 2. 击穿后具有完全的绝缘自恢复特性 3. 气体放电理论比液体与固体介质的击穿理
论要完整得多
2
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的两种理论 两种理论自持放电的条件 不均匀电场中气体放电的特点
高电压工程基础
3
高电压工程基础
气体放电
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程 气隙中带电粒子是如何形成的？ 气隙中的导电通道是如何形成的？ 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
12
电极（阴极）表面电子逸出
（1）正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸 出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因 此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子
（2）光电子发射
金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射 出电子（紫外光照射电极 ）
（3）强场发射（冷发射）
阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子（＞106V/cm ）
（4）热电子发射
当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属
（1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射
（3）强场发射
（4）热电子发射
13
Biblioteka Baidu 气体中负离子的形成
高电压工程基础
电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着 过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子 亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则 越易形成负离子。
12.5
H2
11.2
15.4
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
CO2
10.0
13.7
H2O
7.6
12.8
SF6
6.8
15.6
6
一、气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）高温下气体中的热能（热电离） （2）各种光辐射（光电离） （3）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （二）金属（阴极）的表面电离 （三）负离子的形成
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，
一般是不能直接发生光电离的;紫外线也只能使少数低
电离电位的金属蒸气发生光电离;只有波长更短的X射线
、γ射线才能使气体发生光电离
9
碰撞电离
气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的
在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将 引起碰掩电离
气体中带电质点的消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
15
电场作用下气体中带电质点的运动
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，消 失于电极
形成外回路电流
j envd
16
带电质点的扩散
带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动 ，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散
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， 此时所需能量为Wi-We
通常分级电离的概率很小，因为激励态是不稳定的
表2-1几种气体的电离能和激励能（eV）
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2O
潘宁电离——电光源
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 12.7
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
7
热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
气体分子的平均动能和气体温度的关系为
波尔茨曼常数
W 3 kT 2
1.38×10-23J/K 热力学温度
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离
室温下,气体分子平均动能十分小,热电离概率低
在高温下(大于10000K时)，例如发生电弧放电时，气 体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明 显的碰撞电离
4
2.1 带电质点的产生与消失
原子激励和电离
原子能级 以电子伏为单位
1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
原子激励
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态， 所需能量称为激励能We
激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光
子（光辐射）的频率
We h
5
原子电离：
1 2
meve
2
Wi
me——电子的质量；
ve ——电子的速度；
Wi——气体分子的电离能。
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关
eEx Wi x Ui /E
碰撞电离主要以电子为主
10
分级电离
高电压工程基础
原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨 道，称之为激励，所需的能量称为激励能
11
电极（阴极）表面电子逸出
阴极发射电子的过程
逸出功 ：使电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸 出功 (与金属的微观结构 、金属表面状态有关)
金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以 逸出金属所需的能量
表2-2 一些金属的逸出功（eV）
一些金属的逸出功
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
铜
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 3.45 3.61 3.36 3.06
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起
抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属 强电负性气体，因而具有很高的电气强度，空气的三倍。
14
气体中带电质点的消失
8
光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条 件，将引起光电离，分解成电子和正离子
h Wi;
普朗克常数 6.63×10-34J·s
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
vc;0ehU ic1U2i 34nm
原子在外界因素作用下，使其一个或几个电子脱离原子核 的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离
电离过程所需要的能量称为电离能Wi（ev），也可用电离 电位Ui（v） Ui =Wi/e
几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
N2
6.1
15.6
O2
7.9
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
1
高电压工程基础
第2章 气体放电的基本物理过程
高压电气设备绝缘的介质 -----气体、液体、固 体及其复合介质
气体绝缘介质的优点 :
1. 不存在老化问题 2. 击穿后具有完全的绝缘自恢复特性 3. 气体放电理论比液体与固体介质的击穿理
论要完整得多
2
主要内容
气体中带电质点的产生和消失 气体放电的两种理论 两种理论自持放电的条件 不均匀电场中气体放电的特点
高电压工程基础
3
高电压工程基础
气体放电
在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程 气隙中带电粒子是如何形成的？ 气隙中的导电通道是如何形成的？ 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？
3.9
铁
3.9
氧化铜
5.3
12
电极（阴极）表面电子逸出
（1）正离子碰撞阴极
正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。逸 出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因 此正离子必须碰撞出两个及以上电子时才能出现自由电子
（2）光电子发射
金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射 出电子（紫外光照射电极 ）
（3）强场发射（冷发射）
阴极附近所加外电场足够强时，使阴极发射出电子（＞106V/cm ）
（4）热电子发射
当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属
（1）正离子撞击阴极 （2）光电子发射
（3）强场发射
（4）热电子发射
13
Biblioteka Baidu 气体中负离子的形成
高电压工程基础
电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着 过程而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子 亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则 越易形成负离子。
12.5
H2
11.2
15.4
气体 激励能We (eV) 电离能Wi (eV)
CO2
10.0
13.7
H2O
7.6
12.8
SF6
6.8
15.6
6
一、气体中带电质点的产生和消失
气体中带电质点的产生 （一）气体分子的电离可由下列因素引起： （1）高温下气体中的热能（热电离） （2）各种光辐射（光电离） （3）电子或正离子与气体分子的碰撞电离 （二）金属（阴极）的表面电离 （三）负离子的形成
对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，
一般是不能直接发生光电离的;紫外线也只能使少数低
电离电位的金属蒸气发生光电离;只有波长更短的X射线
、γ射线才能使气体发生光电离
9
碰撞电离
气体放电中，碰撞电离主要是电子和气体分子碰撞而引起的
在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将 引起碰掩电离
气体中带电质点的消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
15
电场作用下气体中带电质点的运动
带电质点产生以后，在外电场作用下将作定向运动，消 失于电极
形成外回路电流
j envd
16
带电质点的扩散
带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动 ，从而使浓度变得均匀的过程，称为带电质点的扩散
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， 此时所需能量为Wi-We
通常分级电离的概率很小，因为激励态是不稳定的
表2-1几种气体的电离能和激励能（eV）
气体
N2 O2 CO2 SF6 H2O
潘宁电离——电光源
电离能 15.5 12.5 13.7 15.6 12.7
激励能 6.1 7.9 10.0 6.8 7.6
7
热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
气体分子的平均动能和气体温度的关系为
波尔茨曼常数
W 3 kT 2
1.38×10-23J/K 热力学温度
在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离
室温下,气体分子平均动能十分小,热电离概率低
在高温下(大于10000K时)，例如发生电弧放电时，气 体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明 显的碰撞电离
4
2.1 带电质点的产生与消失
原子激励和电离
原子能级 以电子伏为单位
1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J
原子激励
原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态， 所需能量称为激励能We
激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光
子（光辐射）的频率
We h
5
原子电离：
1 2
meve
2
Wi
me——电子的质量；
ve ——电子的速度；
Wi——气体分子的电离能。
碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关
eEx Wi x Ui /E
碰撞电离主要以电子为主
10
分级电离
高电压工程基础
原子中电子在外界因素的作用下可跃迁到能级较高的外层轨 道，称之为激励，所需的能量称为激励能
11
电极（阴极）表面电子逸出
阴极发射电子的过程
逸出功 ：使电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸 出功 (与金属的微观结构 、金属表面状态有关)
金属表面电离有多种方式，即可以有多种方法供给电子以 逸出金属所需的能量
表2-2 一些金属的逸出功（eV）
一些金属的逸出功
金属
逸出功
铝
1.8
银
3.1
铜
元素 F Cl Br I
电子亲合能（eV） 3.45 3.61 3.36 3.06
电负性值 4.0 3.0 2.8 2.5
负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起
抑制作用。SF6气体含F，其分子俘获电子的能力很强，属 强电负性气体，因而具有很高的电气强度，空气的三倍。
14
气体中带电质点的消失
8
光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离
自然界、人为照射、气体放电过程
当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条 件，将引起光电离，分解成电子和正离子
h Wi;
普朗克常数 6.63×10-34J·s
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为
vc;0ehU ic1U2i 34nm