气体放电理论一

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1、1 气体放电理论 一 2 3 4 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 n气隙中带电粒子是如何形成的 n气隙中的导电通道是如何形成的 n气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的 5 2 1 气体中带电质点的产生和消失 n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 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 3 高温下气体中的热能 热电离 4 负离子的形成 二 金属 阴极 的表面电离 6 碰撞电离 n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 n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 me 电

2、子的质量 ve 电子的速度 Wi 气体分子的电离能 n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关 7 光电离 n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 n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 n光辐射能够引起光电离的临界波长 即最大波长 为 n对所有气体来说 在可见光 400 750nm 的作用下 一般是不能直接发生光电离的 8 热电离 n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 在它们相互碰撞时 就可能引起激励或电离 n在高温下 例如发生电弧放电时 气体温度可达数千 度

3、 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造成气体的电离 9 负离子的形成 n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 形成了负离子 n有些气体形成负离子时可释放出能量 这类气体容易 形成负离子 称为电负性气体 如氧 氟 氯等 n负离子的形成起着阻碍放电的作用 10 金属 阴极 的表面电离 n阴极发射电子的过程 逸出功 金属的微观结构 金属表面状态 n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 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

4、其余的成为自由电子 因此正离子必须碰撞出一 个以上电子时才能出现自由电子 11 2 光电效应 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 3 强场发射 冷发射 当阴极附近所加外电场足够强时 使阴极发射出电子 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 12 n气体中带电质点的消失 一 电场力作用下进入电极 二 带电质点的扩散 三 带电质点的复合 13 电场作用下气体中带电质点的运动 n带电质点产生以后 在外电场作用下将作定向运动 形 成电流 n在气体放电空间 带电质点在一定的电场强度下运动达 到某种稳定状态 保持平均速度 即上述的带电质

5、点的 驱引速度 b 迁移率 u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 14 带电质点的扩散 n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 n气体中带电质点的扩散和气体状态有关 气体压力越 高或者温度越低 扩散过程也就越弱 n电子的质量远小于离子 所以电子的热运动速度很高 它在热运动中受到的碰撞也较少 因此 电子的扩 散过程比离子的要强得多 15 带电质点的复合 n正离子和负离子或电子相遇 发生电荷的传递而互相 中和 还原为分子的过程 n在带电质点的复合过程中会发生光辐射 这种光辐射 在一定条件下又可

6、能成为导致电离的因素 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一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度 16 2 2 气体放电机理 一 气体放电的主要形式 根据气体压强 电源功率 电极形状等因素的不同 击穿后气体放电可具有多种不同形式 利用放电 管可以观察放电现象的变化 n辉光放电 n电弧放电 n火花放电 n电晕放电 n刷状放电 17 辉光放电 n当气体压强不大 电源功率很小 放电回路中串 入很大阻抗 时 外施电压增到一定值后 回路 中电流突增至明显数值 管内阴极和阳极间整个 空间忽然出现发光现象 n特点是放电电流密度较小

7、放电区域通常占据了 整个电极间的空间 霓虹管中的放电就是辉光放 电的例子 管中所充气体不同 发光颜色也不同 18 电弧放电 n减小外回路中的阻抗 则电流增大 电流增大 到一定值后 放电通道收细 且越来越明亮 管端电压则更加降低 说明通道的电导越来越 大 n电弧通道和电极的温度都很高 电流密度极大 电路具有短路的特征 19 火花放电 n在较高气压 例如大气压强 下 击穿后总是形 成收细的发光放电通道 而不再扩散于间隙中的 整个空间 当外回路中阻抗很大 限制了放电电 流时 电极间出现贯通两极的断续断续的明亮细火花 n火花放电的特征是具有收细的通道形式 并且放 电过程不稳定 n火花间断的原因 20

8、电晕放电 n电极曲率半径很小或电极间距离很远 即电场极 不均匀 则当电压升高到一定值后 首先紧贴电 极在电场最强处出现发光层 回路中出现用一般 仪表即可察觉的电流 随着电压升高 发光层扩 大 放电电流也逐渐增大 n发生电晕放电时 气体间隙的大部分尚未丧失绝 缘性能 放电电流很小 间隙仍能耐受电压的作 用 21 刷状放电 n电场极不均匀情况下 如电压继续升高 从电晕 电极伸展出许多较明亮的细放电通道 称为刷状 放电 n电压再升高 根据电源功率而转入火花放电或电 弧放电 最后整个间隙被击穿 n如电场稍不均匀 则可能不出现刷状放电 而由 电晕放电直接转入击穿 22 二 非自持放电和自持放电 23 非

9、自持放电 n外施电压小于U0时 间隙内虽有 电流 但其数值甚小 通常远小 于微安级 因此气体本身的绝缘 性能尚未被破坏 即间隙还未被 击穿 而且这时电流要依靠外电 离因素来维持 如果取消外电离 因素 那么电流也将消失 24 自持放电 n当电压达到U0后 气体 中发生了强烈的电离 电流剧增 同时气体中 电离过程只靠电场的作 用已可自行维持 而不 再继续需要外电离因素 了 因此U0以后的放电 形式也称为自持放电 25 n由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压 n如电场比较均匀 则间隙将被击穿 此后根据 气压 外回路阻抗等条件形成辉光放电 火花 放电或电弧放电 而起始电压U0也就是间隙的 击穿电压

10、Ub n如电场极不均匀 则当放电由非自持转入自持 时 在大曲率电极表面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 而击穿电压可能比起始电压高很多 26 均匀电场中气体击穿的发展过程 n汤逊放电理论 n流注放电理论 这两种理论互相补充 可以说明广阔的pd 压 强和极间距离的乘积 范围内气体放电的现象 27 一 汤逊气体放电理论 n汤逊理论认为 当pd较小时 电子的碰撞电 离和正离子撞击阴极造成的表面电离起着主 要作用 气隙的击穿电压大体上是pd的函数 28 1 电子崩的形成 过程 一个起始电子自电场 获得一定动能后 会碰 撞电离出一个第二代电 子 这两个电子作为新 的第一代电

11、子 又将电 离出新的第二代电子 这时空间已存在四个自 由电子 这样一代一代 不断增加的过程 会使 电子数目迅速增加 如 同冰山上发生雪崩一样 29 n 电离系数 一个电子沿着电场方向行经1cm长度 平均发 生的碰撞电离次数 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 出的电子数或正离子数 30 设 在外电离因素光辐射的作用下 单位时间内阴极单位面积产生n0 个电子 在距离阴极为x的横截面上 单 位时间内单位面积有n个电子飞过 这n个电子行过dx之后 又会产生 dn个新的电子 将此式积分 可得电子的增长规律为 31 对于均匀电场 不随空间位置而变 相应的电子

12、电流增长规律为 令x d 得进入阳极的电子电流 此即外回路中的电流 32 质点的平均自由行程 一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通 过的平均行程 电子在其自由行程内从外电场获得动能 能量除决定 于电场强度外 还和其自由行程有关 33 n气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分子 发生碰撞时的行程 n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 n气体分子密度越大 其中质点的平均自由行程越 小 对于同一种气体 其分子密度和该气体的密 度成正比 34 2 过程 n 电离系数 正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显 著的作用 正离子向阴极移动 依靠它所具有的动能及位能 在撞击阴极时能引起表

13、面电离 使阴极释放出自由 电子来 表示折算到每个碰撞阴极表面的正离子 阴极金 属平均释放出的自由电子数 35 从阴极飞出n0个电子 到达阳极后 电子数将增加为 正离子数 正离子到达阴极 从阴极电离出的电子数 36 3 自持放电条件 设 n0 1 放电有非自持转入自持的条件为 在均匀电场中 这也就是间隙击穿的条件 上式具有 清楚的物理意义 37 当自持放电条件得到满足时 就会形成图解中闭环部 分所示的循环不息的状态 放电就能自己维持下去 38 4 击穿电压 巴申定律 n根据自持放电条件推导击穿电压 先推导 的计算式 设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞 则此时电子 从电场获得的能量为eEx

14、电子如要能够引起碰撞电离 必须满足条件 只有那些自由行程超过xi Ui E的电子 才能与分子发生碰 撞电离 若电子的平均自由行程为 自由行程大于xi的概率为 39 在lcm长度内 一个电子的平均碰撞次数为l 其中 是电子自由行程超过xi 而发生的碰撞 即电离碰撞次数 气体温度不变时 1 Ap 并令AUi B 可得 40 n将 的计算式代入自持放电条件 击穿电压Ub 温度不变时 均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压力 和电极间距离的乘积pd的函数 41 n巴申 Paschen 定律 击穿电压与pd的规律在碰撞电离学说提出之前 就已 从实验中总结出来了 42 实际上的系数A及B和温度有关 系数A和绝对温度成反比 比值p T和气体密度成正比 式中p以兆帕计 T以绝对温度表示 巴申定律更普遍的形式 43 5 汤逊放电理论的适用范围 n电力工程上经常接触到的是气压较高的情况 从一个大气压 到数十个大气压 间隙距离通常也很大 n两者间的主要差异可概述如下 1 放电外形 均匀连续 如辉光放电 分枝的明细通道 2 放电时间 火花放电时间的计算值比实测值要大得多 3 击穿电压 汤逊自持放电条件求得的击穿电压和实验值有很大出入 4 阴极材料的影响 实测得到的击穿电压和阴极材料无关