電介質(zhì)物理課件(2013-4)

1、2021-11-61第四章第四章 介質(zhì)擊穿介質(zhì)擊穿( (dielectric breakdown)4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿4.2 4.2 液體介質(zhì)的擊穿液體介質(zhì)的擊穿4.3 4.3 固體介質(zhì)的擊穿固體介質(zhì)的擊穿2021-11-624.1 4.1 概述概述UIOUbUb為擊穿電壓（擊穿電場為擊穿電壓（擊穿電場Eb=Ub/d，d為介質(zhì)厚度）為介質(zhì)厚度）2021-11-63擊穿的分類：擊穿的分類：本征擊穿（本征擊穿（Intrinsic BreakdownIntrinsic Breakdown）：電擊穿；）：電擊穿；非本征擊穿：熱擊穿（非本征擊穿：熱擊穿（T

2、hermal BreakdownThermal Breakdown）；）；放電擊穿（放電擊穿（Discharge BreakdownDischarge Breakdown）介質(zhì)擊穿兩種情況：介質(zhì)擊穿兩種情況：發(fā)生可恢復(fù)性變化：發(fā)生可恢復(fù)性變化：介質(zhì)在電場的作用下被擊穿，把外電介質(zhì)在電場的作用下被擊穿，把外電場撤除后，介質(zhì)又恢復(fù)其絕緣性能。場撤除后，介質(zhì)又恢復(fù)其絕緣性能。 “自愈現(xiàn)象自愈現(xiàn)象”（Self-HealingSelf-Healing），如氣體。），如氣體。發(fā)生永久性變化（或叫不可逆變化）：發(fā)生永久性變化（或叫不可逆變化）：如固體介質(zhì)擊穿。如固體介質(zhì)擊穿。2021-11-64材料 介電強

3、度/（10 6V/cm） 陶瓷Al2O3(0.03m) 7.0Al2O3(0.06m) 1.5Al2O3(0.063m) 0.18SiO2(石英，0.005cm) 6.0 NaCl(0.002cm) 2.0NaCl(0.014cm) 1.3BaTiO3(0.02cm，單晶) 0.04BaTiO3(0.02cm，多晶) 0.12PbZrO3 (多晶，空隙度0%,0.016cm) 0.08 部分材料的介電強度2021-11-65材料介電強度/（10 6V/cm）陶瓷PbZrO3(多晶，空隙度10%，0.16cm) 0.03 云母（0.002cm） 10.1云母（0.006cm） 9.7派熱克斯玻璃

4、（0.003cm） 5.8派熱克斯玻璃（0.0005cm） 6.5滑石（SiO2+ MgO + Al2O3，0.63cm） 0.12021-11-662021-11-67材料 介電強度/（10 6 V/cm） 聚合物酚醛樹脂（電木） 120160硅橡膠 220 環(huán)氧樹脂 160200 尼龍6，6 240 聚碳酸酯 160 聚苯乙烯 200280 高密度聚乙烯 190200 聚四氟乙烯 160200 聚氯乙烯 16059 上次課內(nèi)容上次課內(nèi)容: : 介質(zhì)擊穿概述情況介質(zhì)擊穿概述情況 2021-11-694.2 4.2 氣體介質(zhì)的擊穿氣體介質(zhì)的擊穿)/(2mAj)/(mVEIIIIII1EiESj

5、bE常見的放電形式：常見的放電形式：火花放電火花放電 瞬時，間斷產(chǎn)生瞬時，間斷產(chǎn)生 常壓附近常壓附近輝光放電輝光放電 出現(xiàn)均勻的明暗相間的輝光區(qū)出現(xiàn)均勻的明暗相間的輝光區(qū)電暈放電電暈放電 電極的曲率小，電場不均勻，在電場尖端出現(xiàn)電極的曲率小，電場不均勻，在電場尖端出現(xiàn) 暗藍色微光暗藍色微光電弧放電電弧放電 功率大，連續(xù)弧光，溫度極高功率大，連續(xù)弧光，溫度極高2021-11-610湯申特湯申特(Townsend)(Townsend)碰撞游離理論碰撞游離理論（1 1）電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的過程）電子碰撞電離是氣體放電時電流倍增的過程（2 2）要維持自持放電必須從陰極發(fā)射電子）要維持自持

6、放電必須從陰極發(fā)射電子q表面游離：表面游離：電極表面原子中的價電子吸收能量，脫離原子電極表面原子中的價電子吸收能量，脫離原子束縛，逸至電極表面；束縛，逸至電極表面；q體積游離：體積游離：氣體分子中電子獲得足夠的能量脫離分子，形氣體分子中電子獲得足夠的能量脫離分子，形成自由電子和正離子，電子也可吸附在其他分子上形成負離成自由電子和正離子，電子也可吸附在其他分子上形成負離子。子。 標準狀態(tài)下，空氣，標準狀態(tài)下，空氣，3 34 4對電離對電離/cm/cm3 3.s.s2021-11-611 當(dāng)外電場作用于氣體時，氣體中的一切帶電粒子受到電當(dāng)外電場作用于氣體時，氣體中的一切帶電粒子受到電場力的加速作用

7、。設(shè)場力的加速作用。設(shè)qq粒子的電荷粒子的電荷,m,m粒子的質(zhì)量粒子的質(zhì)量,E,E電電場強度場強度,a,a粒子受電場力獲得的加速度。粒子受電場力獲得的加速度。 a =a =qE/mqE/m 兩次碰撞，粒子在電場方向的速度兩次碰撞，粒子在電場方向的速度V V為：為：兩次碰撞間的自由程：兩次碰撞間的自由程 ：粒子的自由程時間：粒子的自由程時間0q Eva d tm1. 1. 電子碰撞游離：電子碰撞游離：2021-11-612 粒子從電場中獲得的動能粒子從電場中獲得的動能: : T=mv T=mv2 2/2=q/2=q2 2E E2 22 2/2m/2m 從公式中看出：在電場作用下，帶電粒子的動能正

8、比從公式中看出：在電場作用下，帶電粒子的動能正比于電場強度的平方，反比于粒子的質(zhì)量。而氣體粒子中電于電場強度的平方，反比于粒子的質(zhì)量。而氣體粒子中電子的質(zhì)量最小，所以子的質(zhì)量最小，所以在一定的電場下在一定的電場下，自由電子所獲得的，自由電子所獲得的動能最大。因此，在氣體所有粒子的相互碰撞中，與自由動能最大。因此，在氣體所有粒子的相互碰撞中，與自由電子的碰撞最容易引起碰撞電離。電子的碰撞最容易引起碰撞電離。 發(fā)生碰撞電離的條件是：發(fā)生碰撞電離的條件是： q q EWiEWi ( (原子、分子電離能）原子、分子電離能）2021-11-6132. 2. 電子崩的形成：電子崩的形成：2021-11-6

9、14隨著隨著x的增加，電子數(shù)按指數(shù)增加。的增加，電子數(shù)按指數(shù)增加。2021-11-6152021-11-6162021-11-6173. 3. 自持放電條件：自持放電條件：自持放電自持放電： 氣體介質(zhì)在陰極電子逸出（游離劑）氣體介質(zhì)在陰極電子逸出（游離劑）的作用下產(chǎn)生放電，當(dāng)游離劑去除后，的作用下產(chǎn)生放電，當(dāng)游離劑去除后，氣體介質(zhì)的放電仍能夠維持下去，這種氣體介質(zhì)的放電仍能夠維持下去，這種現(xiàn)象叫做現(xiàn)象叫做“自持放電自持放電”。2021-11-618堆積區(qū)的厚度堆積區(qū)的厚度=10=10-10-10m m；電壓；電壓=10=10-2-2V V；堆積區(qū)的電場可達：堆積區(qū)的電場可達：E= 10E= 1

10、0-2-2V/ 10V/ 10-10-10m=10m=108 8V/mV/m陰極上出現(xiàn)正離子堆積區(qū)陰極上出現(xiàn)正離子堆積區(qū)2021-11-619Second Electron Emission Secondary electrons are emitted by the cathode under the impact of any particle (positive ion, photons or fast neutrals). In this case, the particle is a positive ion. 2021-11-6202021-11-6212021-11-622202

11、1-11-623自持放電的條件和物理意義自持放電的條件和物理意義1) 1() 1(11) 1(dddddeeeee自持放電條件自持放電條件自持放電自持放電：氣體介質(zhì)在陰極電子逸出（游離劑）的作用下產(chǎn)生放電，當(dāng)游離劑氣體介質(zhì)在陰極電子逸出（游離劑）的作用下產(chǎn)生放電，當(dāng)游離劑去除后，氣體介質(zhì)的放電仍能夠維持下去，這種現(xiàn)象叫做去除后，氣體介質(zhì)的放電仍能夠維持下去，這種現(xiàn)象叫做“自持放電自持放電”。2021-11-624上次課內(nèi)容上次課內(nèi)容: :電子碰撞游離電子碰撞游離電子崩的形成電子崩的形成自持放電條件及物理意義自持放電條件及物理意義T=mv2/2=q2E22/2m2021-11-6254. 4.

12、放電電壓放電電壓U Ub b的確定：的確定：)(11ln011ded可得：件：由氣體介質(zhì)自持放電條碰撞電離系數(shù)碰撞電離系數(shù) 怎么求？怎么求？2021-11-6262021-11-627dEUbb擊穿電壓2021-11-628Ub(pd)Ubmin理論理論實測實測 p1巴申曲線(PaschenPaschen Curve) Curve)2021-11-629 在均勻電場中，在均勻電場中，U Ub b=f (=f (p pd d) )，p p增加增加n n倍，倍，d d下降下降n n倍，倍， U Ub b不變不變。1.1. 巴申定律的物理意義：巴申定律的物理意義：每種氣體的放電電壓都存在一最小值每種

13、氣體的放電電壓都存在一最小值U Ubminbmin；2 2當(dāng)當(dāng)d d一定，一定，p=pp=p1 1，有最小放電電壓，有最小放電電壓 pp pp Pp1 1，氣體密度大，碰撞次數(shù)增加，但電離碰撞次數(shù)下降，氣體密度大，碰撞次數(shù)增加，但電離碰撞次數(shù)下降，U Ub b增加。增加。3 3 當(dāng)當(dāng)p p一定時，一定時，d=dd=d1 1，出現(xiàn)出現(xiàn)U Ubminbmin。dddd1 1，由于，由于d d增加，增加，E E下降，故下降，故U Ub b增加；增加；dddd1 1，由于，由于d d減小，碰撞次數(shù)減小，故減小，碰撞次數(shù)減小，故U Ub b增加；特別是當(dāng)增加；特別是當(dāng)dd U3 U2 U1ABCtA t

14、B tCQ22021-11-652討論：討論：U Ub b與與d d成正比，但實驗未證實；成正比，但實驗未證實；U Ub b與與t t的關(guān)系，與的關(guān)系，與 =1/=1/ 的關(guān)系相同，的關(guān)系相同，只是指數(shù)減半只是指數(shù)減半。2021-11-653五、固體介質(zhì)的電擊穿五、固體介質(zhì)的電擊穿概念：電擊穿為固體介質(zhì)的本征擊穿。概念：電擊穿為固體介質(zhì)的本征擊穿。產(chǎn)生原因：電子過程產(chǎn)生原因：電子過程電子碰撞游離電子碰撞游離氣體氣體湯申特理論湯申特理論3000KV/m3000KV/m密度：密度：N NP P N N 1/P1/P固體固體10108 810109 9V/mV/m20002000 N N200020

15、00倍倍1/20001/2000倍倍課堂作業(yè)：課堂作業(yè)：1.1.液體介質(zhì)的液體介質(zhì)的j jE E曲線與氣體介質(zhì)的有曲線與氣體介質(zhì)的有何不同，為什么何不同，為什么? ?2.2.氣體介質(zhì)的自持放電的條件是什么？氣體介質(zhì)的自持放電的條件是什么？2021-11-6551. 1. 湯姆遜氣體放電理論體現(xiàn)自持放電的條件是什么并詳細說明其物理意義。湯姆遜氣體放電理論體現(xiàn)自持放電的條件是什么并詳細說明其物理意義。2.2.敘述巴申定理并推導(dǎo)其表達式。敘述巴申定理并推導(dǎo)其表達式。3.3.由巴申定律的數(shù)學(xué)表達式，已知銅電極由巴申定律的數(shù)學(xué)表達式，已知銅電極0.0250.025，參數(shù)，參數(shù)A A10.9510.95（cm cm mmHgmmHg）1 1，B B2.742.7410102 2V/cm mmHgV/cm mmHg時，求氣體最小放電電壓，并作出放電電時，求氣體最小放電電壓，并作出放電電壓壓 U Ub b與與 P Pb b關(guān)系曲線關(guān)系曲線 。4.4.提高氣體放電的電壓，可以采取哪幾種方法？提高氣體放電的電壓，可以采取哪幾種方法？5.5.液體介質(zhì)的擊穿機理大致可以概括成哪幾種理論，各