《电器学原理 教学课件 ppt 作者 曹云东 04气体放电的物理基础2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电器学原理 教学课件 ppt 作者 曹云东 04气体放电的物理基础2（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4.1 气体放电的物理基础,HOME,1）粒子平均自由行程,6. 气体粒子的平均自由行程及其分布,一个粒子在相继两次碰撞之间所自由通过的距离。,粒子的自由行程：,粒子自由行程的平均值。,粒子的平均自由行程：,4.1 气体放电的物理基础,HOME,2）气体粒子的平均自由行程及其分布,设粒子的自由行程大于 x 的概率为 f(x),该粒子运动经过 x 距离后，在其后 dx（dx ）距离内遭受碰撞的概率:,dx / 。,粒子在 dx 距离内不发生碰撞的概率:,粒子的自由行程大于 x+dx 的概率:,如果位移 dx足够小，则,1 dx / ,f(x+dx）,粒子在 x+dx 距离内不发生碰撞的概率:,f
2、(x) (1 dx / ),4.1 气体放电的物理基础,HOME,其通解,气体粒子运动时，其自由行程大于零的概率：,100%,C=1,3）气体粒子的自由行程大于 x 的概率:,4.1 气体放电的物理基础,7. 气体间隙的击穿理论 汤逊气体放电理论 流注理论 1）汤逊气体放电理论 均匀电场中，假定： (1) 当电子的动能小于气体粒子的电离能时，两者碰撞后不发生电离，反之，则一定电离； (2) 电子和气体粒子碰撞时，放出全部动能，然后再从零速开始下一次行程； (3) 电子沿电场方向运动，不考虑其实际轨迹为“Z”字形的特征。,HOME,4.1 气体放电的物理基础,(1) 空间电离过程,此时电子由电场
3、所获得的能量:,设某电子在电场强度为E 的均匀电场中行经距离 x 而尚未发生碰撞。,HOME,eEx,如果该电子碰撞中性气体分子并使之发生电离，则必须满足条件:,eEx Wi,或,Ex Vi,为了能够引起电场电离，则该电子必须行经的运动距离:,xi Vi /E,只有那些自由行程大于 xi 的电子，才可能与气体分子碰撞时使之发生电离。,自由行程大于 xi 的电子出现的概率:,4.1 气体放电的物理基础,单位距离内，一个电子的平均碰撞次数:,HOME,1 / ,其中自由行程大于 xi 的碰撞次数:,设气体温度保持恒定，则电子的平均自由行程与气压 p 成反比。,A 比例系数,电场电离次数，,或称空间
4、电离系数 ,1 / = Ap,4.1 气体放电的物理基础,注意：系数 A 和 B与气体压力 p 和温度 T 有关。,HOME,空间电离系数,气体粒子平均自由行程 与气体的温度 T 成正比。,A和B与气体的温度T成反比。,若标准温度T0下的系数分别为 A0和 B0，则当温度变化到T1时，系数也将随之改变成 A1和B1。,B = AVi,4.1 气体放电的物理基础,式中： E 电极间的电场强度； p 气体压力； T 气体绝对温度 ； A0和B0系数。,HOME,设A0和B0系数为绝对零度T0下的系数，则任意温度T (绝对温度)下的系数A和B：,一个电子沿电场运动时，行径单位距离由于电场电离而产生的
5、带电粒子对数（一个电子和一个正离子）。,空间电离系数 的意义：,4.1 气体放电的物理基础,在汤逊放电理论中，这一气体电离过程被称为空间电离过程。,HOME,在满足一定条件下，电极间气隙中所产生的新的自由电子以及原来已经存在的自由电子在电场的作用下，将会发生上述电场电离现象，进而电离出新的带电粒子。,如果碰撞阴极时正离子所具有的能量足够高，则可能使得阴极表面发生所谓的二次发射，从而在电极间气隙中产生新的电子。,(2) 表面电离过程,如果电极间气隙中存在着正离子，则在电场的作用下这些正离子会向阴极运动，并在运动过程中积聚动能。,在汤逊放电理论中，这一气体电离过程被称为 表面电离过程。,4.1 气
6、体放电的物理基础,两平行带电板组成的电极,HOME,0,x,x,dx,d,-,-,-,-,-,-,-,阴极,阳极,N0,(3) 气体击穿条件,设单位时间内从阴极出发的自由电子数为 N 0。,4.1 气体放电的物理基础,设单位时间内从阴极方面进入此狭小区域的电子数为N，则在通过dx 区域后，由于电场电离（ 空间电离）而产生新的电子数：,在xd 处（即阳极表面）的电子数为：,间隙中由于电场电离而产生的正离子数为：,HOME,4.1 气体放电的物理基础,HOME,在电场的作用下，这些由于电场电离而产生的正离子 将向阴极运动，,最终将碰撞阴极。,结果：,引起阴极表面电离。,表面电离过程而产生的电子数：
7、,4.1 气体放电的物理基础,均匀电场产生气体间隙击穿的条件：,HOME,由于 表面电离过程而产生的电子数大于等于从阴极出发的初始电子数。,或,即,4.1 气体放电的物理基础,均匀电场产生气体间隙击穿的最低条件：,均匀电场下空气间隙的击穿电压Ujc：,HOME,由于 表面电离过程而产生的电子数等于从阴极出发的初始电子数。,或,即,(4) 气体击穿电压,4.1 气体放电的物理基础,铜电极时空气的Ujc关于pd的理论及试验曲线,HOME,1,10,100,0,10-3,10-2,10-1,102,10,1,pd/(Pa cm),Ujc / kV,4.1 气体放电的物理基础,HOME,(5) 提高气
8、体的击穿电压措施, 降低pd值,高真空, 提高pd值,高气压,高真空,气体粒子密度低,电子自由行程长,有利于加速积累动能。,产生电场电离数目太少。,结果：,不利于气体击穿的形成。,气体击穿电压 Ujc 将增高。,4.1 气体放电的物理基础,HOME,高气压,气体粒子密度高,电子自由行程小,不利于加速积累动能,电子与气体粒子的碰撞次数增高。,结果：,不利于气体击穿的形成。,气体击穿电压 Ujc 将增高。,不能产生足够强烈的电场电离。,4.1 气体放电的物理基础,HOME,(6)汤逊气体放电理论的适用范围,在一定的范围内（气压较低、pd值较小条件下），利用汤逊气体放电理论能够较好地解释气体击穿机理
9、。,pd值很小或很大条件下，气体放电及击穿机理将发生变化，汤逊气体放电理论不能很好解释气体击穿机理。,pd值很小时（高真空）：,按照汤逊气体放电理论，当pd值很小时，电子的自由行程 可远大于电极间的气隙距离，按照电场电离学说，电场电离将不可能发生，即气体击穿电压Ub趋于无穷大。但是，在强电场的作用下，阴极仍然会由于强电场发射而导致气体间隙的击穿。,4.1 气体放电的物理基础,HOME,pd值很大时（高气压或较大的电极间隙）：,根据汤逊气体放电理论，气体放电应在整个气体间隙中均匀且连续地发展，这在低气压下基本符合实验所观测的，如辉光放电现象。但在大气压下，气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细放电
10、通道。, 气体放电通道形状,根据汤逊气体放电理论，气体间隙完成击穿需要经过多次 空间电离过程和 表面电离过程，由此所计算出的放电时间在低气压下与实验结果比较一致。但在大气隙条件下，计算值要比实测值大很多。, 气体放电时间,4.1 气体放电的物理基础,HOME,当pd值较小时，选择合适的表面电离（发射）系数 值，根据汤逊气体击穿条件所求得的击穿电压与实验值比较一致。但pd值较大时，如果仍采用原来的 值，则击穿电压计算值与其实验值存在较大偏差。, 击穿电压,根据汤逊气体放电理论，阴极材料的性质对气体放电及击穿应具有一定的影响，因为表面电离系数 与阴极材料有关。实验表明，低气压下阴极材料对气体击穿电
11、压有一定的影响，但在大气压下空气中的实测击穿电压却与阴极材料无关。, 阴极材料的影响,通常认为，空气中pd 200(cm133Pa)后，气体击穿机理将发生改变，不能用汤逊气体放电理论来解释了。,4.1 气体放电的物理基础,2）流注理论 （1）电子崩： 电子和正离子的集合体。,HOME,N+,N-,N,0,x,Eex,E,0,x,E+,E-,E,0,x,Eex,崩头和崩尾部分的电场强度增大。 电子崩内部的电场被减弱。,当外施电场较弱时，电离不强烈。,电子崩经过整个电极间隙后，电子进入阳极，正离子在阴极上发生复合而失去电荷成为中性粒子。,电子崩随之便消失。,气体不会发生击穿现象。,4.1 气体放电
12、的物理基础,外施电场足够强，达到了其击穿场强。,HOME,电子崩头部开始形成流注。,（2）流注, 正流注,4.1 气体放电的物理基础,等离子体,HOME,该区域内部的正、负离子密度大致相等，且具有良好的导电特性，内部的电场强度不大。,正流注,4.1 气体放电的物理基础,HOME, 负流注,4.1 气体放电的物理基础,HOME,pd值很大时（高气压或较大的电极间隙）：,流注(等离子体):,（1）气体放电通道形状,根据流注理论，第二代电子崩以及流注主要是由光电子发展而来的，由于光子的传播速度极快（光速），所以流注的发展速度也极快，因此，pd很大时放电时间也就特别短了。,（2）气体放电时间,电荷密度
13、大、电导高、电场强度小。,流注形成后，流注内部空间电荷所形成的电场将削弱流注周围空间的电场。,最终只有一个流注贯通整个气体间隙，因此气体放电呈通道形式。,4.1 气体放电的物理基础,HOME,根据流注理论，产生流注的主要原因是空间光电离，而不是阴极表面的电离。换句话说，流注的形成及气体的击穿与阴极材料基本无关。,（3）阴极材料的影响,4.1 气体放电的物理基础,8. 电弧的离子平衡,式中：, 弧隙中带电粒子数随时间的变化率；,由于光、热发射和热电离作用带电粒子数随时间的变化率；,由于场致发射、二次发射和电场电离作用带电粒子致随时间的变化率；,由于复合作用带电粒子数随时间的变化率；,由于扩散作用带电粒子数随时间的变化率。,HOME,
