第2讲荷子汤逊巴申理论ppt课件

1、高电压工程系高电压工程系何正浩何正浩 2869926362025693第2讲 气体电介质的绝缘特性一1.1 气体中带电粒子的产生和消逝1.1.1 气体中带电粒子的产生1.1.2 气体中带电粒子的运动与消逝1.2 均匀电场中气体的击穿1.2.1 气体放电的主要方式 1.2.2 汤逊放电实际 1.2.3 巴申Paschen定律 1.2.4 汤逊放电实际的适用范围21.1 气体中带电粒子的产生和消逝3n在电场作用下，气隙中带电粒子的构成和运动过程在电场作用下，气隙中带电粒子的构成和运动过程n气隙中带电粒子是如何构成的？气隙中带电粒子是如何构成的？n气隙中的导电通道是如何构成的？

2、气隙中的导电通道是如何构成的？n气隙中导电通道构成后是如何维持继续放电的？气隙中导电通道构成后是如何维持继续放电的？ 原子鼓励和电离 原子能级 以电子伏eV为单位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J原子鼓励 原子在外界要素作用下，其电子跃迁到能量较高的形状，所需能量称为鼓励能We 鼓励形状恢复到正常形状时，辐射出相应能量的光子，光子光辐射的频率 4hW 原子电离 原子在外界要素作用下，获得能量，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而构成自在电子和正离子的过程 电离过程所需求的能量电离能Wi10-15 eV，也可用电离电位UiV 51.1.1 气体中带电粒子的产生一气体分子的电离可由

3、以下要素引起：一气体分子的电离可由以下要素引起： 1电子或正离子与气体分子的碰撞电离电子或正离子与气体分子的碰撞电离 2各种光辐射光电离各种光辐射光电离 3高温下气体中的热能热电离高温下气体中的热能热电离二二 金属阴极的外表电离金属阴极的外表电离6一碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起的子碰撞而引起的 n在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离n n碰撞电离的构成与电场强度和平均自在行程的碰撞电离的构成与电场强度

4、和平均自在行程的大小有关大小有关iWmEq22178粒子的平均自在行程粒子的平均自在行程 ：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自在地经过的平均行程自在地经过的平均行程电子在其自在行程内从外电场获得动能电子在其自在行程内从外电场获得动能 ，能量，能量除决议于电场强度外，还和其自在行程有关除决议于电场强度外，还和其自在行程有关 pT9n电子的平均自在行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大，其中粒子的平均自在行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比n自在行程的分布：自在行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的自具有统计性的规律。粒子的自在行

5、程大于在行程大于x的概率为的概率为 n 假设起始有假设起始有n0个粒子或一个粒子的相继个粒子或一个粒子的相继n0次次碰撞，那么其中行过间隔碰撞，那么其中行过间隔x后，尚未被碰撞的粒后，尚未被碰撞的粒子数或次数子数或次数n(x)应为应为 10 xexf)(xenxn0)(二光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离n 它存在于自然界、人为照射、气体放电过程中它存在于自然界、人为照射、气体放电过程中n当气体分子遭到光辐射作用时，如光子能量满足下面条当气体分子遭到光辐射作用时，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件，将引起光电离，分

6、解成电子和正离子n光辐射可以引起光电离的临界波长即最大波长为光辐射可以引起光电离的临界波长即最大波长为n对一切气体来说，在可见光对一切气体来说，在可见光400750nm的作用下，的作用下，普通是不能直接发生光电离的普通是不能直接发生光电离的 11iWhnm 12290iiUqUhc(三热电离 n因气体热形状引起的电离过程因气体热形状引起的电离过程热电离碰撞电离热电离碰撞电离与光电离的综合与光电离的综合 n 气体分子的平均动能和气体温度的关系为气体分子的平均动能和气体温度的关系为 n 在它们相互碰撞时，就能够引起鼓励或电离在它们相互碰撞时，就能够引起鼓励或电离 n在高温下，例如发生电弧放电时，气

7、体温度可达数千在高温下，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度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射光子也能呵斥气体的电离高温下高能热辐射光子也能呵斥气体的电离 12KTWm23四金属阴极的外表电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 n 逸出功逸出功15eV ：与金属的微观构造：与金属的微观构造 、金属外、金属外表形状有关表形状有关 n金属外表电离的多种方式金属外表电离的多种方式n 1正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极n 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属传送的能正离子碰撞阴极时使电子逸出金属传送的能量要大于逸出功。逸出的电子有一

8、个和正离子结合量要大于逸出功。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其他的成为自在电子。因此正离子必需碰成为原子，其他的成为自在电子。因此正离子必需碰撞出一个以上电子时才干出现自在电子撞出一个以上电子时才干出现自在电子13外表电离的方式 2光电效应光电效应 金属外表遭到光的照射，当光子的能量大于逸出功金属外表遭到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属外表放射出电子时，金属外表放射出电子 3强场放射冷放射强场放射冷放射 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子子 4热电子放射热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得宏大当阴极被加热到

9、很高温度时，其中的电子获得宏大动能，逸出金属动能，逸出金属141.1.2 气体中带电粒子的运动与消逝一电场作用下气体中带电粒子的运动一电场作用下气体中带电粒子的运动 定定向运动，消逝向运动，消逝二带电粒子的分散二带电粒子的分散三带电粒子的复合三带电粒子的复合 中和，空间或器壁中和，空间或器壁四附着效应四附着效应15一一 电场作用下气体中带电粒子的运动电场作用下气体中带电粒子的运动n带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，构带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，构成电流成电流 n在气体放电空间在气体放电空间 ，带电粒子在一定的电场强度下运动到，带电粒子在一定的电场强度下运动到达某种

10、稳定形状达某种稳定形状 ，坚持平均速度，即上述的带电粒子的，坚持平均速度，即上述的带电粒子的驱引速度驱引速度n b 迁移率迁移率 n电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变电子迁移率也随场强而变 dqnvj 16bEvd二带电粒子的分散二带电粒子的分散 n带电粒子的分散和气体分子的分散一样，都是由于热运动带电粒子的分散和气体分子的分散一样，都是由于热运动呵斥，带电粒子的分散规律和气体的分散规律也是类似的呵斥，带电粒子的分散规律和气体的分散规律也是类似的 n气体中带电粒子的分散和气体形状有关，气体压力越高或气体中带

11、电粒子的分散和气体形状有关，气体压力越高或者温度越低，分散过程也就越弱者温度越低，分散过程也就越弱n电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中遭到的碰撞也较少，因此，电子的分散过程比在热运动中遭到的碰撞也较少，因此，电子的分散过程比离子的要强得多离子的要强得多.17三带电粒子的复合三带电粒子的复合 n正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传送而相互中和、正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传送而相互中和、复原为分子的过程复原为分子的过程n在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光

12、辐射在一定条件下又能够成为导致电离的要素定条件下又能够成为导致电离的要素 n正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决议于其浓度一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决议于其浓度 18n有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，构成了负离子而是碰撞电子附着分子，构成了负离子 n有些气体构成负离子时可释放出能量。这类气体容易有些气体构成负离子时可

13、释放出能量。这类气体容易构成负离子，称为电负性气体如氧、氟、氯，构成负离子，称为电负性气体如氧、氟、氯，SF6等等n质量大、速度小质量大、速度小妨碍放电，绝缘强度较高妨碍放电，绝缘强度较高19四附着效应四附着效应负离子的构成负离子的构成1.2 均匀电场中气体的击穿 1.2.1 气体放电的主要方式气体放电的主要方式 根据气体压力、电源功率、电极外形等要素的根据气体压力、电源功率、电极外形等要素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同方式。不同，击穿后气体放电可具有多种不同方式。利用放电管可以察看放电景象的变化利用放电管可以察看放电景象的变化 20n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电

14、n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电21 非自持放电外施电压小于外施电压小于Ub时，间隙内时，间隙内虽有电流，但其数值甚小虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因，通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚此气体本身的绝缘性能尚未被破坏，即间隙还未被未被破坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依击穿。而且这时电流要依托外电离要素来维持。假托外电离要素来维持。假设取消外电离因家，那么设取消外电离因家，那么电流也将消逝电流也将消逝b后出现后出现碰撞电离碰撞电离22自持放电n当电压到达当电压到达Uc后，气体后，气体中发生了剧烈的电离，中发生了剧烈

15、的电离，电流剧增。同时气体中电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不用已可自行维持，而不再继续需求外电离要素再继续需求外电离要素了。因此了。因此Uc以后的放电以后的放电方式也称为自持放电方式也称为自持放电 23n由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压Ucn如电场比较均匀，那么间隙将被击穿，以后根据气如电场比较均匀，那么间隙将被击穿，以后根据气压、外回路阻抗等条件构成辉光放电、火花放电或压、外回路阻抗等条件构成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压电弧放电，而起始电压Uc也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压U

16、B。n如电场极不均匀，那么当放电由非自持转入自持时，如电场极不均匀，那么当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极外表电场集中的区域发生电晕放电，在大曲率电极外表电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压能够比起始电压高很多能够比起始电压高很多24 1.2.2 汤逊放电实际 n汤逊放电实际汤逊放电实际n流注放电实际流注放电实际n 这两种实际相互补充，可以阐明宽广的这两种实际相互补充，可以阐明宽广的pd压压n力和极间间隔的乘积范围内气体放电的景象力和极间间隔的乘积范围内气体放电的景象 25n汤逊实际以为，当均匀电场、低气压、短

17、间隙汤逊实际以为，当均匀电场、低气压、短间隙pd较小条件下，电子的碰撞电离和正离子较小条件下，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极呵斥的外表电离起主要作用，气隙的撞击阴极呵斥的外表电离起主要作用，气隙的击穿电压大体上是击穿电压大体上是pd的函数的函数261电子崩的构成 过程 27 UUb后，一个起始电后，一个起始电子自电场获得一定动能子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存代电子，这时空间已存在四个自在电子；这样在四个自在电子；这样一代一代不

18、断添加的过一代一代不断添加的过程程构成电子崩构成电子崩 系数系数一个电子沿着电场方向行经单位长度后，一个电子沿着电场方向行经单位长度后，平均发生的碰撞电离次数构成电子崩平均发生的碰撞电离次数构成电子崩 如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子，如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子， 即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数数或正离子数 系数系数一个正离子沿着电场方向行经单位长度一个正离子沿着电场方向行经单位长度后平均发生的碰撞电离次数后平均发生的碰撞电离次数 离子崩离子崩可以可以忽略忽略系数系数碰撞阴极外表的正离子，使阴极金属外碰

19、撞阴极外表的正离子，使阴极金属外表平均释放出的自在电子数表平均释放出的自在电子数 阴极发射电子阴极发射电子28 系数系数处dx 29设：从阴极发出一个电子，经多次设：从阴极发出一个电子，经多次碰撞电离，在经过间隔阴极碰撞电离，在经过间隔阴极x后，产后，产生生n个电子个电子 这这n个电子行过个电子行过dx之后，又会产生之后，又会产生dn个新的电子个新的电子 dxndnddxn0exp对于均匀电场，对于均匀电场， 不随空间位置而变不随空间位置而变 新产生的电子数和正离子数为新产生的电子数和正离子数为 30den1de2系数到达阴极的正离子数到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数从阴极电离出的电子数

20、311den) 1(de3自持放电条件放电由非自持转入自持的条件为放电由非自持转入自持的条件为 3211 de物理意义 n引起碰撞电离的必要条件引起碰撞电离的必要条件 n只需那些自在行程超越只需那些自在行程超越xiUiE的电子，才干与分的电子，才干与分子发生碰撞电离子发生碰撞电离 n假设电子的平均自在行程为假设电子的平均自在行程为 ，自在行程大于，自在行程大于xi的概的概率为率为 33iiUExWEqx 或/ ixe在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为 1 其中其中是电离碰撞次数，是电离碰撞次数，气体温度不变时，气体温度不变时，1 Ap34/1ixeAPqEWqEWxiiiAPeee111qAWBPEfAeAeAePiEBPqE