高电压技术-第02章-气体放电的物理过程
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第2章 气体放电的物理过程
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 气隙的沿面放电
2.1 气体中带电质点的产生和消失
1、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后
才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 ① 基本概念： 玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，
域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电
子扩散速度比离子快。 ③ 复合：
带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称 为复合。
复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由 电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负 离子再复合。
1、概述： ① 电子崩：
系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电 子数。
② n 0 为1，位置为阴极附近。
S
n0 n
x
dx
过程： dnndx dn dx lnnx nexes
n
S 路程上撞击电离出 e s 1 个正离子。 过程：可以忽略不计。
过程： e s 1 个正离子撞击阴极，电离出 es 1个电子。
2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、
复合。 ① 中和：
带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运 动。带电质点受电场力作用而流入电极，中和电量。
由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰 撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。
② 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区
⑤ 表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式： ➢ 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 ➢ 光电子发射：用短波光照射金属表面。 ➢ 热电子发射：加热金属电极。 ➢ 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。
⑥ 负离子： 形成：电子与中性气体分子（原子）碰撞，不但没电离
④ 临界场强 E c r ： 自持放电与非自持放电的区别在于外加电场强度的
大小，二者场强的分界点称为临界场强
E
c
。相应的电压
r
称为临界电压 U
。它称为自持放电的条件。
cr
⑤ 放电形式： ➢ 均匀电场： 一处自持放电，整个气隙击穿。击穿电
压等于临界电压。 ➢ 不均匀电场：
场强较小时，局部强场处产生电晕放电。 提高场强 气隙间隙小：产生火花击穿。
③ 光电离： 概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生
的电离。 条件：光子能量不小于气体的电离能。 光电子：由光电离产生的自由电子。 光的来源： ➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射
线等高能射线） ➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光 电离（先激励、再电离）的方式也可实现电离。
撞击能量： 动能 1 m v 2
2
中性质点为零； 势能 正离子为正；
负离子为负。
平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。其与 密度呈反比。
撞击过程不是简单的机械过程： ➢ 速度↑→动能↑→ 电离概率↑ ➢ 速度↑→撞击作用时间↓ → 电离概率↓
不存在电场时，温度足够高，才能发生撞击电离。 存在电场时，电子是撞击电离的主要因素。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
气隙间隙大：产生刷形放电。 继续提高场强，放电抵达对面电极，产生电弧击穿。
2、汤森德气体放电理论： 该理论对均匀电场和气隙 S （ 为气隙密度、S 为
极间距离）较小的情况比较适用。
① 三个因素（系数）：
系数 ：1 个自由电子在走到阳极的1cm路程中撞击电离 产生的平均自由电子。
系数 ：1 个正离子在走到阴极的1cm路程中撞击电离产 生的平均自由电子。
出新电子，电子反而被分子吸附形成了负离子。 亲和能：一个中性分子（原子）与一个电子结合生成一
价负离子所放出的能量。 作用：由于离子的电离能力比电子小很多，所以负离子
的形成，对气体放电的发展起阻抑作用。
⑦ 带电质点的产生： 电离形式：撞击电离、光电离、热电离、表面电离。 带电质点产生形式：四种电离形式、负离子。
光（有能量的光子）的过程称为反激励。
电离电位和激励电位：一般用电离电位 U i 和激励电位 U e 来表示电离能和激励能。
② 撞击电离：
概念：通过撞击，给予气体质点以足够的能量，使气体 质点发生的电离。
能量要求：
➢ 中性质点：第一电离能。
➢ 已被激励的质点：小于第一电离能。 ➢ 负离子：大于第一电离能。
④ 热电离： 概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。 气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能
的度量。 特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞
击电离和光电离，只是其电离能量来源于气体分 子本身的热能。
电离机理： ➢ 温度↑→分子平均动能↑→ 撞击电离↑ ➢ 温度↑→热辐射出的光子数量↑ → 光电离↑
自持放电的条件：es 11
③ 帕邢曲线：
气隙击穿电压与气隙密度×极间距离的关系。
Ub
Ub f S
0
S
S 不变 不变
过大 →平均自由程↓ →U b ↑ 过小 →碰撞次数↓ →U b ↑ S 过大 →欲保证 E 的大小 →U b ↑ S 过小 →碰撞次数↓ →U b ↑
2.2 气体放电机理
当外加电场强度足够大时，带电粒子两次碰撞间积 聚的动能足够发生碰撞电离。电离出来的电子和离子在 场强作用下又加入新的撞击电离，电离过程像雪崩一样 增长起来，称为电子崩。
② 非自持放电：
当场强较小时，电子崩有赖于外界因素，外界因素 消失，电子崩也消失。
③ 自持放电：
当外加场强足够大时，电子崩不依赖外界因素，外 界因素消失后，电子崩仍能够保持。
2.1 气体中带电质点的产生和消失 2.2 气体放电机理 2.3 电晕放电 2.4 不均匀电场气隙的击穿 2.5 雷电放电 2.6 气隙的沿面放电
2.1 气体中带电质点的产生和消失
1、气体中带电质点的产生： 纯净中性气体不导电，只有气体中出现带电质点后
才能导电，并在电场作用下发展成放电现象。 ① 基本概念： 玻尔理论：原子周围的电子按规律跃迁时，轨道越远，
域，从而使带电质点在空间各处浓度趋于平均的过程。 扩散是由杂乱的热运动造成的，与电场力无关，电
子扩散速度比离子快。 ③ 复合：
带有异号电荷质点相遇，还原为中性质点的过程称 为复合。
复合时，电离吸收的能量以光子形式放出。复合由 电场力作用，电子快，所以复合几率小，总是先变成负 离子再复合。
1、概述： ① 电子崩：
系数 ：1 个正离子撞击阴极表面，逸出的平均自由电 子数。
② n 0 为1，位置为阴极附近。
S
n0 n
x
dx
过程： dnndx dn dx lnnx nexes
n
S 路程上撞击电离出 e s 1 个正离子。 过程：可以忽略不计。
过程： e s 1 个正离子撞击阴极，电离出 es 1个电子。
2、气体中带电质点的消失： 气体中带电质点消失的方式有三种：中和、扩散、
复合。 ① 中和：
带电质点在电场力作用下，宏观上沿电场作定向运 动。带电质点受电场力作用而流入电极，中和电量。
由于电子质量和直径比离子小很多，加速情况和碰 撞情况也大不相同，电子迁移率比离子大两个数量级。
② 扩散： 扩散指质点从浓度较大的区域扩散到浓度较小的区
⑤ 表面电离： 概念：由金属表面逸出电子的电离形式。 逸出功：从金属电极表面逸出电子所需要的能量。 电离形式： ➢ 二次发射：用有足够能量的质点撞击金属表面。 ➢ 光电子发射：用短波光照射金属表面。 ➢ 热电子发射：加热金属电极。 ➢ 强场发射：在电极附近加强电场从电极拉出电子。
⑥ 负离子： 形成：电子与中性气体分子（原子）碰撞，不但没电离
④ 临界场强 E c r ： 自持放电与非自持放电的区别在于外加电场强度的
大小，二者场强的分界点称为临界场强
E
c
。相应的电压
r
称为临界电压 U
。它称为自持放电的条件。
cr
⑤ 放电形式： ➢ 均匀电场： 一处自持放电，整个气隙击穿。击穿电
压等于临界电压。 ➢ 不均匀电场：
场强较小时，局部强场处产生电晕放电。 提高场强 气隙间隙小：产生火花击穿。
③ 光电离： 概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生
的电离。 条件：光子能量不小于气体的电离能。 光电子：由光电离产生的自由电子。 光的来源： ➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射
线等高能射线） ➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光 电离（先激励、再电离）的方式也可实现电离。
撞击能量： 动能 1 m v 2
2
中性质点为零； 势能 正离子为正；
负离子为负。
平均自由程：一个质点两次碰撞之间的平均距离。其与 密度呈反比。
撞击过程不是简单的机械过程： ➢ 速度↑→动能↑→ 电离概率↑ ➢ 速度↑→撞击作用时间↓ → 电离概率↓
不存在电场时，温度足够高，才能发生撞击电离。 存在电场时，电子是撞击电离的主要因素。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
气隙间隙大：产生刷形放电。 继续提高场强，放电抵达对面电极，产生电弧击穿。
2、汤森德气体放电理论： 该理论对均匀电场和气隙 S （ 为气隙密度、S 为
极间距离）较小的情况比较适用。
① 三个因素（系数）：
系数 ：1 个自由电子在走到阳极的1cm路程中撞击电离 产生的平均自由电子。
系数 ：1 个正离子在走到阴极的1cm路程中撞击电离产 生的平均自由电子。
出新电子，电子反而被分子吸附形成了负离子。 亲和能：一个中性分子（原子）与一个电子结合生成一
价负离子所放出的能量。 作用：由于离子的电离能力比电子小很多，所以负离子
的形成，对气体放电的发展起阻抑作用。
⑦ 带电质点的产生： 电离形式：撞击电离、光电离、热电离、表面电离。 带电质点产生形式：四种电离形式、负离子。
光（有能量的光子）的过程称为反激励。
电离电位和激励电位：一般用电离电位 U i 和激励电位 U e 来表示电离能和激励能。
② 撞击电离：
概念：通过撞击，给予气体质点以足够的能量，使气体 质点发生的电离。
能量要求：
➢ 中性质点：第一电离能。
➢ 已被激励的质点：小于第一电离能。 ➢ 负离子：大于第一电离能。
④ 热电离： 概念：由气体的热状态造成的电离称为热电离。 气体分子运动理论说明：气体的温度是其分子平均动能
的度量。 特点：热电离不是一种独立的电离形式，而是包含着撞
击电离和光电离，只是其电离能量来源于气体分 子本身的热能。
电离机理： ➢ 温度↑→分子平均动能↑→ 撞击电离↑ ➢ 温度↑→热辐射出的光子数量↑ → 光电离↑
自持放电的条件：es 11
③ 帕邢曲线：
气隙击穿电压与气隙密度×极间距离的关系。
Ub
Ub f S
0
S
S 不变 不变
过大 →平均自由程↓ →U b ↑ 过小 →碰撞次数↓ →U b ↑ S 过大 →欲保证 E 的大小 →U b ↑ S 过小 →碰撞次数↓ →U b ↑
2.2 气体放电机理
当外加电场强度足够大时，带电粒子两次碰撞间积 聚的动能足够发生碰撞电离。电离出来的电子和离子在 场强作用下又加入新的撞击电离，电离过程像雪崩一样 增长起来，称为电子崩。
② 非自持放电：
当场强较小时，电子崩有赖于外界因素，外界因素 消失，电子崩也消失。
③ 自持放电：
当外加场强足够大时，电子崩不依赖外界因素，外 界因素消失后，电子崩仍能够保持。