电介质物理 第三五章第三章 电介质的电导与击穿 实践表明，任何电介质都不是理想的绝缘体，在电场作用下，总有一定的电流流过，这就是电介质的电导不过这种电流很小，故常称漏导电流或漏导电介质的电导特性一般用电阻率r或电导率g来定量地表示，其中g=1/r若电介质试样长度为l(m)、截面积为A、电阻R，则该电介质的电阻率 r=RA l其单位为W²m电导率g的单位则为S/m电阻率或电导率是定量描述电介质电导的物理量，是电介质电性能的基本宏观参数之一，其大小直接表征电介质绝缘性能的优劣对理想绝缘体来说，显然r=∞实际电介质的电阻率则约在10~1018W²m7数量级范围，视各种不同的介质材料而异 在实际电介质中，总是或多或少地存在着一定量的能够自由迁移的正或负带电粒子在没有外电场时，它们作紊乱的热运动，因此不形成电流当加上不高的外电场以后，这些载流子受到电场力的作用，但在不规则的热运动上叠加了沿电场方向的定向迁移，从而形成了电流正或负载流子沿电场方向迁移的平均速率v+或v-一般与外电场强度E成正比可写为 v+=m+E,v-=m-E 式中m+,m-是比例常数，分别为正、负载流子的迁移率它表示在单位电场强度作用下，正和负载流子在电场方向平均的迁移速率，单位是m2/V²s。
若电介质单位体积中正、负载流子的数目，即它们的浓度分别为n-、n+，并有n-=n+=n，每个载流子带电量为q，则单位时间内通过介质截面的电量，即电流为 I=q(n+v++n-v-)A=qn(v-+v+)A 若截面A垂直电场，则电流密度j为 j=将式代入上式有 I=qn(v-+v+) A- 121 - j=qn(m++m-)E 上式也可表示为 j=gE 其中g就是电介质的电导率，它等于 g=qn(m++m_) 由上式可见，电介质的宏观参数电导率g取决于其微观参数q、n和m0，在电场强度不高的情况下，正、负载流子的浓度n及其迁移率m+,m-是与电场E无关的常数因此，这时电导率g也是一个与电场E无关的常数这表明，在电场强度不高的情况下，电介质的电导服从欧姆定律这个结果与实验事实相吻合 电介质中的载流子可以是电子、离子或胶粒因此，按照载流子的种类不同，电介质的电导可以分为： ①电子电导：载流子是电子； ②离子电导：载流子是正离子或负离子或其空格点这是电介质电导的主要形式离子导电时，伴随有电解现象产生； ③电泳电导：液体电介质中的胶粒是一种带电的分子团，在电场作用下，沿电场方向产生定向迁移，形成电导，称为电泳电导或胶粒电导。
实验表明，当电场强度相当高时，电介质的电导就不服从欧姆定律了这时电导率就不再是常数，而与电场强度有关通常电导率随电场强度升高而迅速增加这时如电场再继续升高，则介质中的电导就将突然急剧增加，电介质固有绝缘性能遭到破坏，几乎变成导体，这种由于电场的直接作用而导致的电介质破坏，称为电击穿，常称介质击穿这是电介质中的又一基本电现象发生击穿时的临界电压称为电介质的击穿电压，相应的临界电场强度称为电介质的击穿强度，以EB表示击穿强度是电介质又一基本电参数它定是地表征了电介质承受电场作用能力的高低 3．1 气体的电导与放电 - 122 - 气体是结构最简单的电介质空气是最普遍存在和广泛利用的一种天然电介质，大多数电子和电气设备以及电力系统是以空气作绝缘介质的另外一些人工合成气体如氟里昂六氟化硫等也被用作电介质 1．气体中带电粒子的产生和消失 激发 处于正常状态的原子、分子或离子，当它们获得一定能量时，其电子，通常是最外层价电子就可能跃迁到较高能级上去这个过程称为激发激发所需要的能量为激发能激发态的平均寿命极短，然后自发地恢复We，单位为焦耳或电子伏特到正常状态，并以光子的形式放出激发能，光子的频率v为： We=hv h为普朗克常数。
电离 当原子、分子或离子获得足够的能量时，其价电子挣脱原子核的束缚而变成自由电子，这个过程称为电离电离过程所需能量为电离能，单位为焦耳或电子伏特由于引起电离的因素和电离形式的不同，气体分子的电离一般可分为两类： A、辐射电离 辐射电离通常有光辐射电离和热辐射电离，其中光电离是辐射电离的重要形式当气体分子受到光辐射作用时，如光子的能量hv满足以下条件下，就有可能引起电离 hv³Wi 其中Wi为气体分子的电离能，由此可得光辐射能够引起光电离的临界波长l0为 l0=hchc1234==nm WieUiVi式中Wi=eUi,Ui为电离电位，c是光速所有气体包括金属蒸气，铯的电离电位最低，等于3.88V它的光电离临界波长为318nm，相当于紫外线范围，因此对所有气体来说在可见光作用下，通常不能直接发生电离但是光子的能- 123 - 量小于气体分子的电离能时，有时可能发生分级电离，最后形成电离现象 所有物质包括气体都发出热辐射热辐射也是一种电磁辐射，所不同的是热辐射光子的能量具有统计性，其平均能量决定于物体的温度高温下，高能热辐射光子也能导致气体的电离，此即热辐射电离 B、碰撞电离 碰撞电离是气体放电中带电粒子产生的最基本的形式。
两个粒子相碰撞，按粒子能量变化情况不同，有弹性碰撞和非弹性碰撞两种弹性碰撞是动量和动能同时守恒的碰撞，两个碰撞粒子间只有动能的交换按照经典力学定律分析可知：当两个碰撞粒子质量相近时，高速运动的粒子将损失动能当两个粒子质量相差十分悬殊时，质量小的粒子几乎不损失动能至于非弹性碰撞则是动能不守恒的碰撞 在电场作用下，电子和离子被加速而获得动能当动能积累到足够数值后，在与气体分子发生碰撞时，就使气体分子发生电离气体电放中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起的这是因为相对于离子来说，电子的质量和大小均甚微，发生碰撞的机会不多，因此自由行程长，积累的能量大并且由于电子的质量很小，当它与分子发生弹性碰撞时，几乎不损失能量这样，电子在电场中就能不断地积累能量，所以电子产生碰撞电离的机会就很多引起电子碰撞电离的必要条件是： 1meve2³Wi 2其中me和ve分别为电子的质量和速度，Wi则为分子的电离能至于离子的情况则迥然不同离子的质量和大小与分子相近，因此它的自由行程短，并且当它与分子发生弱性碰撞时，积累起来的动能又容易损失掉于是离子要积累起产生碰撞电离的能量，并且产生碰撞电离，这样的机会就很少。
此外，由于分子的热运动，在高温下，当气体分子具有足够的热运动能时也可能因碰撞而引起电离同样，高温下的电子也可能引起碰撞电离 附着 当电子与分子碰撞时，电子有可能被吸引而附着在分子上形成负离子，这个过程称为附着，附着过程中有时还放出能量在气体放电过程中，附着对放电起着阻碍作用这是由离子的电离能力远不如电子，当电子为分子所捕获成负离子后，电离能力锐减而 - 124 - 导致的结果 复合 当正离子与负离子或电子相碰撞时，可能发生电荷的转移而恢复成为分子，这个过程称为复合显然复合过程是带电粒子消失的过程在复合过程中，往往伴有光辐射现象这是由于在两个带电粒子复合时，电离能常以光辐射的形式被释放出来当光子的能量足够大时，又可能导致光电离 扩散 扩散是指电子或离子自发地由浓度较高的区域向浓度较低的区域转移的过程这是热力学第二定律必然的结果；均匀分布时体系的熵值最大带电粒子的扩散和分子的扩散一样，不是由静电斥力引起的，而是由热运动造成的 2．气体的j—E特性 气体的j—E特性 若在两个平行金属板之间的均匀电场中充以气体，在加上直流电压后，测量其电流与电压，就可以得到如图3-2所示的电流密度j与电场强度E的特性曲线。
j 自持放电 非自持放电 光照射 3 2 j2 1 E1 E2 E0 E 图3-1 测定气体伏安特性电路示意图 图3-2 气体的j—E特性 由图3—2可见，曲线大体上可以划分为以下三部分：第一部分，当电场强度很小时，电流密度随电场强度近似呈正比增加，大致符合欧姆定律；第二部分，当电场强度增加- 125 - 到E1附近，电流密度趋于饱和，不再随电场强度发生变化但饱和电流密度数值极小，因此这时气体间隙仍处于良好的绝缘状态；第三部分，当电场强度增至E2附近时，又出现电流的增长，但这时电流密度值仍甚小，气体的绝缘性能尚未遭到破坏，即气隙并没有被击穿；最后，当电场强度升高到临界值EB时，电流密度突然急剧增大，并伴随有明显的声、光现象，气体的绝缘性能遭到破坏，这就是气体的电击穿在均匀电场中，标准状态下空白 击穿强度的平均值约为3MV/m 气体击穿后的放电现象 气体击穿后的放电现象相当复杂，随着气体压力、电极形状，极间距离、电源功率等等因素的不同，放电有种种不同的形式并且随着电压升高等外界因素的变化，放电可以从一种形式转化到另一种形式。
气体击穿后的放电在工程实践上和气体放电理论研究上都有重要的意义利用图3-3气体放电管实验，可以观察到在较为均匀电场中的放电现象 图3-3 气体放电管实验示意图 在气体压力较小，电源功率很低的情况下，当外加电压增加到一定数值时，回路中电流突然明显增加，管内电极间整个空间忽然出现发光现象，这种形式的放电称为辉光放电其特点是：放电电流密度较小，放电区域占据整个电极间的空间霓红灯中的放电就是辉光放电随着电源功率增高，电流增大，当电流增大到一定数值时，放电通道收细，且越来越明亮、管端电压越来越低，这表示放电通道中的电导越来越大，这种放电形式称为电弧放电其特点是：放电通道非常明亮，电导很高，电流密度很大，这时通道和电极的温度都很高 - 126 - 当放电管中的气压增高时，则放电通道不再占据电极间的整个空间而逐渐变细，例如在大气压下，击穿后总是形成很细的发光放电通道当电源功率较小，放电电流受到限制时，电极间出现贯穿两极、断续明亮的细火花通道，这种放电称为火花放电火花放电间断的原因是：当气隙击穿形成火花放电通道后，电流突增，这就使外电路中阻抗上压降增加，导致气隙中电压降低，火花熄灭；火花一旦熄灭，回路中电流减小，阻抗上的电压降低，气隙中电压再度增加，又发生击穿形成火花，如此往复循环，就形成了断续的火花放电。
当电源功率足够大时，气隙击穿后即形成电弧放电 3．气体的电导 由于来自空中的紫外线，宇宙射线以及来自地层的辐射线等的作用，使某些气体分子和正离子通常气体中还常有负离子存在，这是由于电子附着在分子上形成的由此可见，气体中每时每刻都可能发生电离然而实践表明，气体中带电粒子的浓度并没有持续不断地增加，在外界条件一定时，趋于稳定这是由于在气体中除有带电粒子产生的电离过程以外，还有带电粒子消失的复合过程由于热运动，带电粒子相互碰撞，就可能发生复合而生成分子，使带电粒子消失在一定条件下，当电离过程与复合过程趋于平衡时，气体中带电粒子的浓度也就趋于稳定，不随时间发生变化显然，气体中带电粒子的浓度趋于稳定，不随时间发生变化显然，气体中带电粒子的浓度取决于电离和复合这两个因素而气体的电导率与带电粒子的浓度有关 若气体中正、负带电粒子的浓度n-和n+，由于复合过程的存在，带电粒子的浓度要减少，不难设想，其减少的速率N'1正比于其浓度n-和n+，其表示为 N'1=bn-n- 式中b为复合系数通常可以认为正、负带电粒子浓度相等，即n+=n-=n因此式可写为 N'1=bn2 在常温和大气压下，气体的复合系数b约为10-12m3/s。
又若由于外界电离因素的作用带电粒子浓度增加的速率为N，则当气体中复合过程与电离过程趋于平衡时有 - 1。