第4讲气体放电理论一

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1、高电压技术李李 卫卫 国国 +80798486，60105052 第4讲 气体放电理论（一）主要内容主要内容1气体中带电质点的产生和消失气体中带电质点的产生和消失2气体放电的一般描述气体放电的一般描述3 均匀电场中气体击穿的发展过程均匀电场中气体击穿的发展过程 4不均匀电场中气体击穿的发展过程不均匀电场中气体击穿的发展过程2气体放电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？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？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？气隙

2、中导电通道形成后是如何维持持续放电的？ 3录 像4名词解释名词解释u电子平均自由行程电子平均自由行程 u激励激励u电离电离u复合复合u电子崩电子崩5原子激励和电离原子激励和电离 原子能级原子能级 以电子伏为单位以电子伏为单位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J原子激励原子激励 原原子子在在外外界界因因素素作作用用下下，其其电电子子跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的状状态态，所需能量称为激励能所需能量称为激励能We 激激励励状状态态恢恢复复到到正正常常状状态态时时，辐辐射射出出相相应应能能量量的的光光子子，光光子（光辐射）的频率子（光辐射）的频率 6 原子电离原子电离： 原原子子在在

3、外外界界因因素素作作用用下下，使使其其一一个个或或几几个个电电子子脱脱离离原原子子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离核的束缚而形成自由电子和正离子的过程称为原子的电离 电电离离过过程程所所需需要要的的能能量量称称为为电电离离能能Wi（ev），也也可可用用电电离电位离电位Ui（v） 几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位几种气体和金属蒸汽的激励电位和电离电位 7质点的平均自由行程质点的平均自由行程 ：一一个个质质点点在在与与气气体体分分子子相相邻邻两两次次碰碰撞撞之之间间自自由由地地通通过的平均行程过的平均行程电电子子在在其其自自由由行行程程内内从从外外电电场场获获得得动动能能

4、，能能量量除除决决定定于电场强度外，还和其自由行程有关于电场强度外，还和其自由行程有关 8n气气体体中中电电子子和和离离子子的的自自由由行行程程是是它它们们和和气气体体分分子子发生碰撞时的行程发生碰撞时的行程n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气气体体分分子子密密度度越越大大，其其中中质质点点的的平平均均自自由由行行程程越越小小。对对于于同同一一种种气气体体，其其分分子子密密度度和和该该气气体体的的密密度成正比度成正比9n自自由由行行程程的的分分布布： 具具有有统统计计性性的的规规律律。质质点点的的自由行程大于自由行程大于x的概率为的概率为 如如

5、果果起起始始有有n0个个质质点点（或或一一个个质质点点的的相相继继n0次次碰碰撞撞），则则其其中中行行过过距距离离x后后，尚尚未未被被碰碰撞撞的的质点数（或次数）质点数（或次数）n(x)应为应为 10一、气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生和消失 n气体中带电质点的产生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：（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）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） （4）负离子的形成）负离子的形

6、成 （二）（二） 金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离11碰撞电离碰撞电离 n气气体体放放电电中中，碰碰撞撞电电离离主主要要是是电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞而而引引起的起的 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满足如下条件时，将引起碰掩电离满足如下条件时，将引起碰掩电离 me电子的质量；电子的质量； ve 电子的速度；电子的速度； Wi气体分子的电离能。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碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关12光电离光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为

7、光电离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、自然界、人为照射、气体放电过程气体放电过程n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满满足足下下面面条条件，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）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对对所所有有气气体体来来说说，在在可可见见光光（400 750nm）的的作作用用下下，一般是不能直接发生光电离的一般是不能直接发生光电离的 13热电离热电离 n因气体热状态引起的电离过程称为热电离因气体热状态引起的电离过程称为热

8、电离 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 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离在它们相互碰撞时，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于也能造成气体的电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离 14负离子的形成负离子的形成 n有有时时电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞非非但但没没有有电电离离出出新新电电子子，反反而是碰撞电子附着分子，形成了负离子而是碰撞电子附着分子，

9、形成了负离子 n有有些些气气体体形形成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等）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负离子的形成起着阻碍放电的作用 15金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功逸出功 ：金属的微观结构：金属的微观结构 、金属表面状态、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

10、极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大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于逸出功）。逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出一子，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个以上电子时才能出现自由电子16 （2）光电效应）光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当光光子子的的能能量量大大于于选选出出功功时时，金属表面放射出电子金属表面放射出电子 （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

11、外电场足够强时，使阴极放射出电 （4）热电子放射）热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时，其其中中的的电电子子获获得得巨巨大大动动能，逸出金属能，逸出金属17一、气体中带电质点的产生和消失一、气体中带电质点的产生和消失n气体中带电质点的消失气体中带电质点的消失 （一）电场作用下气体中带电质点的运动（一）电场作用下气体中带电质点的运动 （二）带电质点的扩散（二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合（三）带电质点的复合 18电场作用下气体中带电质点的运动电场作用下气体中带电质点的运动n带带电电质质点点产产生生以以后后，在在外外电电场场作作用用下下将将作作定定向向运运动动，形形

12、成电流成电流 n在在气气体体放放电电空空间间 ，带带电电质质点点在在一一定定的的电电场场强强度度下下运运动动达达到到某某种种稳稳定定状状态态 ，保保持持平平均均速速度度，即即上上述述的的带带电电质质点点的的驱引速度驱引速度 b 迁移率迁移率 u电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大得得多多，即即使使在在很很弱弱的的电电场场中中，电子迁移率也随场强而变电子迁移率也随场强而变 19带电质点的扩散带电质点的扩散 n带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体分分子子的的扩扩散散一一样样，都都是是由由于于热热运运动动造造成成，带带电电质质点点的的扩扩散散规规律律和和气气体体的的扩扩散散规规律律也

13、也是相似的是相似的 n气气体体中中带带电电质质点点的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高或者温度越低，扩散过程也就越弱高或者温度越低，扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受受到到的的碰碰撞撞也也较较少少，因因此此，电电子子的的扩扩散散过程比离子的要强得多过程比离子的要强得多 20带电质点的复合带电质点的复合 n正正离离子子和和负负离离子子或或电电子子相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程n在在带带电电质质点点的的复复

14、合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射射在一定条件下又可能成为导致电离的因素在一定条件下又可能成为导致电离的因素 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要率大得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要 n一一定定空空间间内内带带电电质质点点由由于于复复合合而而减减少少的的速速度度决决定定于于其其浓度浓度 21二、气体放电的一般描述二、气体放电的一般描述 （一）气体放电的主要形式（一）气体放电的主要形式 根根据据气气体体压压力力、电电源源功功率率、电电极极形形状状等等因因素素的的不

15、不同同，击击穿穿后后气气体体放放电电可可具具有有多多种种不不同同形形式式。利利用用放放电电管管可以观察放电现象的变化可以观察放电现象的变化 n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n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电22辉光放电辉光放电 n当当气气体体压压力力不不大大，电电源源功功率率很很小小（放放电电回回路路中中串串入入很很大大阻阻抗抗）时时，外外施施电电压压增增到到一一定定值值后后，回回路路中中电电流流突突增增至至明明显显数数值值，管管内内阴阴极极和和阳阳极极间间整整个个空间忽然出现发光现象空间忽然出现发光现象 n特特点点是是放放电电电电流流密密度度较较小小，放放电电区区域域

16、通通常常占占据据了了整整个个电电极极间间的的空空间间。霓霓虹虹管管中中的的放放电电就就是是辉辉光光放放电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同电的例子。管中所充气体本同，发光颜色也不同 23电弧放电电弧放电 n减减小小外外回回路路中中的的阻阻抗抗，则则电电流流增增大大，电电流流增增大大到到一一定定值值后后，放放电电通通道道收收细细，且且越越来来越越明明亮亮，管管端端电电压压则则更更加加降降低低，说说明明通通道道的的电电导导越越来来越越大大n电电弧弧通通道道和和电电极极的的温温度度都都很很高高，电电流流密密度度极极大大，电路具有短路的特征电路具有短路的特征 24火花放电火花放电n在在较较高高气

17、气压压（例例如如大大气气压压力力）下下，击击穿穿后后总总是是形形成成收收细细的的发发光光放放电电通通道道，而而不不再再扩扩散散于于间间隙隙中中的的整整个个空空间间。当当外外回回路路中中阻阻抗抗很很大大，限限制制了了放放电电电电流时，电极间出现贯通两极的流时，电极间出现贯通两极的断续断续断续断续的明亮细火花的明亮细火花 n火火花花放放电电的的特特征征是是具具有有收收细细的的通通道道形形式式，并并且且放放电过程不稳定电过程不稳定 n火花间断的原因火花间断的原因 25电晕放电电晕放电 n电电极极曲曲率率半半径径很很小小或或电电极极间间距距离离很很远远，即即电电场场极极不不均均匀匀，则则当当电电压压升

18、升高高到到一一定定值值后后，首首先先紧紧贴贴电电极极在在电电场场最最强强处处出出现现发发光光层层，回回路路中中出出现现用用一一般般仪仪表表即即可可察察觉觉的的电电流流。随随着着电电压压升升高高，发发光光层层扩扩大，放电电流也逐渐增大大，放电电流也逐渐增大n发发生生电电晕晕放放电电时时，气气体体间间隙隙的的大大部部分分尚尚未未丧丧失失绝绝缘缘性性能能，放放电电电电流流很很小小，间间隙隙仍仍能能耐耐受受电电压压的的作作用用 26刷状放电刷状放电 n电电场场极极不不均均匀匀情情况况下下，如如电电压压继继续续升升高高，从从电电晕晕电电极极伸伸展展出出许许多多较较明明亮亮的的细细放放电电通通道道，称称为

19、为刷刷状状放电放电 n电电压压再再升升高高，根根据据电电源源功功率率而而转转入入火火花花放放电电或或电电弧放电，最后整个间隙被击穿弧放电，最后整个间隙被击穿n如如电电场场稍稍不不均均匀匀，则则可可能能不不出出现现刷刷状状放放电电，而而由由电晕放电直接转入击穿电晕放电直接转入击穿 27（二）非自持放电和自持放电（二）非自持放电和自持放电 28非自持放电非自持放电n外外施施电电压压小小于于U0时时，间间隙隙内内虽虽有有电电流流，但但其其数数值值甚甚小小，通通常常远远小小于于微微安安级级，因因此此气气体本身的绝缘性能尚未被波体本身的绝缘性能尚未被波破破坏坏，即即间间隙隙还还未未被被击击穿穿。而而且且

20、这这时时电电流流要要依依靠靠外外电电离离因因素素来来维维持持。如如果果取取消消外外电电离离因因家，那么电流也将消失家，那么电流也将消失 29自持放电自持放电n当当电电压压达达到到U0后后，气气体体中中发发生生了了强强烈烈的的电电离离，电电流流剧剧增增。同同时时气气体体中中电电离离过过程程只只靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此U0以以后后的的放放电电形式也称为自持放电形式也称为自持放电 30n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n如如电电场场比比较较均均匀匀，则则间间隙隙将将

21、被被击击穿穿，此此后后根根据据气气压压、外外回回路路阻阻抗抗等等条条件件形形成成辉辉光光放放电电、火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电，而而起起始始电电压压U0也也就就是是间间隙隙的的击穿电压击穿电压Ubn如如电电场场极极不不均均匀匀，则则当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集中中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕晕起起始始电电压压，而击穿电压可能比起始电压高很多而击穿电压可能比起始电压高很多31 三、均匀电场中气体击穿的发展过程三、均匀电场中气体击穿的发展过程 n汤逊放电理论汤逊放电理论

22、n流注放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 32（一）汤逊气体放电理论（一）汤逊气体放电理论n汤汤逊逊理理论论认认为为，当当pd较较小小时时，电电子子的的碰碰撞撞电电离离和和正正离离子子撞撞击击阴阴极极造造成成的的表表面面电电离离起起这这主主要作用，气隙的击穿电压大体上是要作用，气隙的击穿电压大体上是pd的函数的函数331 1、电子崩的形成、电子崩的形成 （ 过程过程 ） 一一个个起起始始电电子子自自电电场场获获得得一一定定动动能能后后，会会碰碰撞撞

23、电电离离出出一一个个第第二二代代电电子子；这这两两个个电电子子作作为为新新的的第第一一代代电电子子，又又将将电电离离出出新新的的第第二二代代电电子子，这这时时空空间间已已存存在在四四个个自自由由电电子子；这这样样一一代代一一代代不不断断增增加加的的过过程程，会会使使电电子子数数目目迅迅速速增增加加，如如同冰山上发生雪崩一样同冰山上发生雪崩一样 34n 电离系数电离系数 一一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经1cm长长度度，平平均均发发生的碰撞电离次数生的碰撞电离次数 如如设设每每次次碰碰撞撞电电离离只只产产生生一一个个电电子子和和一一个个正正离离子子， 即即是是一一个个电电子子在在单

24、单位位长长度度行行程程内内新新电电离离出的电子数或正离子数出的电子数或正离子数 35设设：在在外外电电离离因因素素光光辐辐射射的的作作用用下下，单单位位时时间间内内阴阴极极单单位位面面积积产产生生n0 个个电子电子 在在距距离离阴阴极极为为x的的横横截截面面上上，单单位时间内单位面积有位时间内单位面积有n个电子飞过个电子飞过 这这n个个电电子子行行过过dx之之后后，又又会会产产生生dn个新的电子个新的电子 将此式积分，可得电子的增长规律为将此式积分，可得电子的增长规律为 36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 相应的电子电流增长规律为相应的电子电流增长规律为 令令x

25、d，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流，得进入阳极的电子电流，此即外回路中的电流 372 2、 过程过程n 电离系数电离系数 正正离离子子在在间间隙隙中中造造成成的的空空间间电电离离过过程程不不可可能能具具有有显显著的作用著的作用 正正离离子子向向阴阴极极移移动动，依依靠靠它它所所具具有有的的动动能能及及位位能能，在在撞撞击击阴阴极极时时能能引引起起表表面面电电离离，使使阴阴极极释释放放出出自自由由电子来电子来 表表示示折折算算到到每每个个碰碰撞撞阴阴极极表表面面的的正正离离子子，阴阴极极金金属平均释放出的自由电子数属平均释放出的自由电子数38从阴极飞出从阴极飞出n0个电子，到达阳极后，

26、电子数将增加为个电子，到达阳极后，电子数将增加为 正离子数正离子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数正离子到达阴极，从阴极电离出的电子数393 3、自持放电条件、自持放电条件 设设 n01 放电有非自持转入自持的条件为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清楚的物理意义 40 当当自自持持放放电电条条件件得得到到满满足足时时，就就会会形形成成图图解解中中闭闭环环部部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去 414 4、击穿电压、巴申定律、击穿电压、

27、巴申定律 n根据自持放电条件推导击穿电压根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导，先推导 的计算式的计算式设设电电子子在在均均匀匀电电场场中中行行经经距距离离x而而未未发发生生碰碰撞撞，则则此此时时电电子子从从电电场场获获得得的的能能量量为为eEx，电电子子如如要要能能够够引引起起碰碰撞撞电电离离，必须满足条件必须满足条件 只只有有那那些些自自由由行行程程超超过过xiUiE的的电电子子，才才能能与与分分子子发发生生碰碰撞电离撞电离 若电子的平均自由行程为若电子的平均自由行程为 ，自由行程大于自由行程大于xi的概率为的概率为 42在在lcm长度内，一个电子的平均碰撞次数为长度内，一个电子的平均碰撞

28、次数为l 其中其中是电子自由行程超过是电子自由行程超过xi 而发生的碰撞而发生的碰撞 ，即电离碰撞次数即电离碰撞次数 气体温度不变时，气体温度不变时，1 Ap，并令，并令AUiB，可得，可得 43n将将 的计算式代入自持放电条件的计算式代入自持放电条件 击穿电压击穿电压Ub 温温度度不不变变时时，均均匀匀电电场场中中气气体体的的击击穿穿电电压压Ub是是气气体体压压力力和电极间距离的乘积和电极间距离的乘积pd的函数的函数 44n巴申（巴申（Paschen）定律）定律 击击穿穿电电压压与与pd的的规规律律在在碰碰撞撞电电离离学学说说提提出出之之前前，就就已已从实验中总结出来了从实验中总结出来了 4

29、5实际上的系数实际上的系数A及及B和温度有关。系数和温度有关。系数A和绝对温度成反比和绝对温度成反比 比值比值pT和气体密度成正比和气体密度成正比 式中式中p以兆帕计，以兆帕计，T以绝对温度表示以绝对温度表示巴申定律更普遍的形式巴申定律更普遍的形式465 5、汤逊放电理论的适用范围、汤逊放电理论的适用范围n电电力力工工程程上上经经常常接接触触到到的的是是气气压压较较高高的的情情况况（从从一一个个大大气气压压到数十个大气压），间隙距离通常也很大到数十个大气压），间隙距离通常也很大 n两者问的主要差异可概述如下两者问的主要差异可概述如下 1. 放电外形放电外形 均匀连续，如辉光放电均匀连续，如辉光放电 分枝的明细通道分枝的明细通道 2. 放电时间放电时间 火花放电时间的计算值比实测值要大得火花放电时间的计算值比实测值要大得 3. 击穿电压击穿电压 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. 阴极材料的影响阴极材料的影响 实测得到的击穿电压和阴极材料无关实测得到的击穿电压和阴极材料无关 474849谢谢谢谢! !李李李李 卫卫卫卫 国国国国 高电压与电磁兼容研究所高电压与电磁兼容研究所 +80798486，60105052 Q & AQ & A50