04气体放电的物理基础1解析

第4章

气体放电及电弧理论电器产品中的绝缘确保电器产品中不同电位的导体的电位状态假设绝缘被损坏会造成短路故障或其它事故应用最广泛的绝缘介质：气体绝缘争论气体绝缘性能是设计性能优良电器的最重要任务之一。假设电器应用超过其〔气体〕绝缘水平将会导致气体的放电或击穿现象可造成导致气体绝缘性能的丧失1.概述§4.1气体放电的物理根底HOME电子、正离子、负离子抱负状态下的气体抱负绝缘介质无带电粒子什么是气体的放电？气体中流通电流的过程或形式。带电粒子定向运动自然状态下的气体电极间电流微弱具有微量带电粒子受到外界因素的影响设电极间隙的绝缘介质为空气〔气体〕，在电极上施加电压。〔1〕假设电压尚不高，则间隙间产生大量带电粒子电极间电流剧增〔2〕假设电压足够高，则气体由绝缘状态变为良导电状态气体被击穿绝缘丧失优良绝缘介质§4.1气体放电的物理根底第4章

气体放电理论HOME气体的击穿气体放电的一种特殊形式。气体的击穿电压：气体发生击穿时的最低临界电压。2.气体放电的形式〔过程〕依据气体压力、电源功率、电极外形等因素的不同，气体可能消逝不同的放电过程。〔1〕辉光放电产生条件：气体压力不高，放电产生时电源所供给的功率很小。〔2〕弧光放电产生条件：大气体压力下，放电产生时电源所供给的功率足够高。电弧放电电弧〔3〕火花放电产生条件：大气体压力下，放电产生时电源所供给的功率很小。第4章

气体放电理论HOME〔4〕电晕放电产生条件：电极间电场分布及不均匀，电极间尚低于击穿电压。〔5〕刷状放电产生条件：电极间电场分布及不均匀，连续上升电压。气体放电产生条件：施加于电极间的电压足够高，产生了数目众多的带电粒子。§4.1气体放电的物理根底3.电离和鼓舞的概念1〕原子构造物质的原子是由原子核和假设干个绕原子核旋转的电子构成的，这些电子沿着确定的轨道围绕原子核运动。2〕电离假设外界加到原子上的能量足够大，使其电子得以跳出原子核吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子〔中性粒子〕变成一带有正电荷的离子——正离子。e

—

电子的电量,e＝1.6×10-19C；Vi

—

电离电位。

HOME这一过程被称为中性粒子的电离。电离出一个自由电子所需的能量。电离能Wi：§4.1气体放电的物理根底一些气体和金属蒸汽的电离能和鼓舞能元素电离能/eV激励能/eV碳

C11.3(24.4,48,65)-氧

H13.5(35,55,77)7.9氢

O13.5410.2(12.1)氮

N14.55(29.5,47,73)6.3氟

F17.4(35,63,87,114)-铝

Al5.98-银

Ag7.57-铜

Cu7.72-铁

Fe7.9-钨

W7.98-HOME§4.1气体放电的物理根底3〕鼓舞假设加到中性粒子上的能量不够大，只能使其电子由正常运行的轨道跳到较外层的轨道。鼓舞能：鼓舞中性粒子过程所需的能量。鼓舞的一些特点:〔1〕处于鼓舞状态的中性粒子简洁产生分级电离:已被鼓舞的中性粒子比较简洁电离，这种经过鼓舞状态再电离的现象叫做分级电离。〔2〕鼓舞状态是一种不稳定的状态:大多数被鼓舞的中性粒子能以光量子的形式释放掉能量而自动地返回到正常状态。中性粒子处于鼓舞状态的时间一般低于10-9～10-8s。HOME该过程被称为中性粒子的鼓舞。§4.1气体放电的物理根底〔3〕介稳状态〔亚稳状态〕鼓舞:在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必需再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道上去，然后才能跳回正常轨道；或在其次次外界能量的作用下发生电离。中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4～10-2s甚至更长，因而它在中性粒子电离的过程中起很大作用。HOME§4.1气体放电的物理根底4.气体电离方式电离度越高，气体的电导率越大。气体电离的方式：外表放射和空间电离。电离气体:

电离度：含有带电粒子的气体。HOME§4.1气体放电的物理根底1〕外表放射金属电极外表在某些状况下能够放射电子进入极间气体。(1)热放射金属的温度上升时，其外表的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属外表晶格电场造成的势垒而逸出。逸出功Wyc：元素铬Cd铝

Al碳C铜Cu铁Fe银

Ag钨W逸出功/eV4.14.254.44.44.634.747.49局部金属元素的逸出功一个电子逸出金属外表所需的能量。HOME§4.1气体放电的物理根底(2)场致放射:金属外表存在较高的E〔>106V/cm〕时，其外表势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒〔即所谓隧道效应〕逸出金属。在较高温度时，场致放射的电流密度Jcf〔单位为A/cm2〕可用下式计算：式中： E—金属外表的电场强度单位为V/cm； A2—常数。对于铁A2＝0.01。依据量子力学理论，对一个清洁而均匀的外表，其饱和的热放射电流密度Jrf〔单位为A/cm2〕可用下式计算：A1—常数，A1＝60.2～120。对纯金属可取A1＝100；Wyc—逸出功，单位为eV；T—金属外表温度，单位为K。HOME§4.1气体放电的物理根底(3)光放射：光和射线照射到金属外表时引起电子逸出的现象。光的波长λ越短，其所引起光放射的作用就越强，并且从金属外表逸出的电子速度就越高。λ较长的光量子，虽然其能量缺乏以直接引起电子放射，但却能为金属吸取，转变金属中电子的运动速度，使动能超过逸出功的电子逸出金属。(4)二次放射：正离子以很高的速度撞击阴极，或者电子以很高的速度撞击阳极时，都可能引起金属电极外表放射电子。在气压较高的放电间隙中，通常阴极外表四周比阳极外表四周的电场强度高，所以阴极外表二次放射较强并在气体放过程中起着重要的作用。HOME§4.1气体放电的物理根底2〕空间电离电极间气体自身由绝缘状态变成导体状态(不是由外界送入带电粒子)的现象。(1)光电离中性粒子在受到频率为γ的光照射时，假设满足条件

h

—普朗克常数，h＝6.624×10-34Js；Wi

—中性粒子的电离能。则可能被电离。这一现象叫做光电离。光的频率γ越高〔即光的波长λ越短〕，其电离作用越强。所以x射线、α、β、γ、宇宙射线和紫外线都有较强的电离作用，而可见光几乎不能引起气体电离。HOME§4.1气体放电的物理根底(2)电场电离设有一个质量为m的带电粒子，在电场作用下被加速到速度v，其动能为mv2/2，假设mv2/2＞Wi则当它在前进过程中撞到另一中性粒子时，就可能使之电离。电子的体积小，自由行程长，简洁积存足够的动能，故在产生电场电离方面电子比其他带电粒子起着更重要的作用。通常碰撞发生电离或鼓舞的概率是很低的。例如，在电场强度E＝(1~2)×104V/m时，碰撞电离的概率为0.2～0.4％，鼓舞的概率为1％或更小。HOME§4.1气体放电的物理根底(3)热电离气体粒子由于高速的热运动、相互碰撞而产生的电离，叫做热电离。气体的热电离度χ：式中：

p

—气体压力，单位为Pa；

T

—气体温度，单位为K；

Wi—中性粒子的电离能，单位为J。HOME§4.1气体放电的物理根底铜、汞蒸汽和几种气体的电离度与温度的关系HOME§4.1气体放电的物理根底在一个大气压时，空气的热电离电流密度Jry：HOME§4.1气体放电的物理根底5.气体消电离方式消电离：电离气体中带电粒子自身消逝或者失去电荷变为中性粒子的现象。气体消电离的方式分为两类：1〕复合两个带有异号电荷的粒子相遇后相互作用而使其电荷消逝的现象。复合的方式：

复合与集中。外表复合与空间复合。HOME§4.1气体放电的物理根底(1)外表复合：发生在金属或其它材料外表的复合。电子进入阳极；正离子接近阴极后从阴极取得电子，自身变为中性粒子；负离子接近阳极后将电子移给阳极，自身变为中性粒子；HOME§4.1气体放电的物理根底(2)空间复合：发生在电极之间的复合。直接空间复合：正离子和自由电子在空间相遇后形成一中性粒子。间接空间复合：一个自由电子先和中性粒子粘合形成负离子，然后再和正离子复合形成两个中性粒子。HOME§4.1气体放电的物理根底异号带电粒子复合成中性粒子也是由其电磁场相互作用的结果，因而也需要确定的作用时间。由于电子的速度比负离子大得多，所以直接空间复合的概率比间接空间复合的概率小得多。电子和中性粒子形成负离子的可能性与气体的性质和纯度有关。例如，惰性气体以及纯洁的氮气、氢气都不能和电子粘合形成负离子，而氟原子及其化合物的分子对电子的亲合作用特殊强。负电性气体氟原子及其化合物HOME§4.1气体放电的物理根底复合的过程总是伴随着能量的释放。外表复合下，释放出的能量多用以加热电极、金属或绝缘构的外表；空间复合下，释放出的能量常以光的形式向四周空间辐射，或者一局部用以增加形成的中性粒子的速度。2〕集中电离气体中的带电粒子，由于热运动从浓度较高的区域向浓度较低的四周气体中移动的现象。集中使电极间电离气体中带电粒子削减，从而其电离度下降。等离子体：电离气体中正负带电粒子数相等。HOME23§4.1气体放电的物理根底四、气体放电24１、气体放电的几个阶段：见图3-5。①非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的ＯC段。OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、χ射线等产生，即少量的光电离，属漫游状态，当U↑时，到达阴极的带电粒子成比例增加；AC段：电压较高，间隙电场强度较大，I连续增加，可产生电场电离，并消逝二次放射；因去掉外加电离因素后，放电停顿，故称之为非自持放电阶段。§4.1气体放电的物理根底25②自持放电阶段：图3-5中的CF段。a、定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段，即图中的CF段。b、自持放电的条件：发生了间隙击穿(放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象)。间隙击穿电压主要预备于气体压力Ｐ和电极间距离Ｌ的乘积，即Ｕjc＝f(p•l)，其也称为巴申曲线。§4.1气体放电的物理根底26c、BF段分为BD区和EF区。其中，C点四周的BD区的特征：为汤逊放电区，有击穿现象。DE区：马鞍形，通道是常温，电流密度小，阴极压降高〔几百伏〕，呈辉光，称为辉光放电区。电流Ｉ＝0.1Ａ左右，无明显发热。带电粒子产生的主要缘由是阴极的二次电子放射和阴极区的碰撞电离，电场电离。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。§4.1气体放电的物理根底27EF区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续供给电子流，在弧柱区产生高温热电离，最终由电子进入阳极区而被阳极所吸取。游离方式有热电离与光电离；形式：电弧；特征：温度极高〔6000k