第2講荷子湯遜巴申理論ppt課件

1、高電壓工程系高電壓工程系何正浩何正浩 2869926362025693第2講 氣體電介質(zhì)的絕緣特性一1.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消逝1.1.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生1.1.2 氣體中帶電粒子的運(yùn)動與消逝1.2 均勻電場中氣體的擊穿1.2.1 氣體放電的主要方式 1.2.2 湯遜放電實際 1.2.3 巴申P(guān)aschen定律 1.2.4 湯遜放電實際的適用范圍21.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消逝3n在電場作用下，氣隙中帶電粒子的構(gòu)成和運(yùn)動過程在電場作用下，氣隙中帶電粒子的構(gòu)成和運(yùn)動過程n氣隙中帶電粒子是如何構(gòu)成的？氣隙中帶電粒子是如何構(gòu)成的？n氣隙中的導(dǎo)電通道是如何構(gòu)成的？

2、氣隙中的導(dǎo)電通道是如何構(gòu)成的？n氣隙中導(dǎo)電通道構(gòu)成后是如何維持繼續(xù)放電的？氣隙中導(dǎo)電通道構(gòu)成后是如何維持繼續(xù)放電的？ 原子鼓勵和電離 原子能級 以電子伏eV為單位 1eV1V1. 610-19C1.610-19J原子鼓勵 原子在外界要素作用下，其電子躍遷到能量較高的形狀，所需能量稱為鼓勵能We 鼓勵形狀恢復(fù)到正常形狀時，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子光輻射的頻率 4hW 原子電離 原子在外界要素作用下，獲得能量，使其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而構(gòu)成自在電子和正離子的過程 電離過程所需求的能量電離能Wi10-15 eV，也可用電離電位UiV 51.1.1 氣體中帶電粒子的產(chǎn)生一氣體分子的電離可由

3、以下要素引起：一氣體分子的電離可由以下要素引起： 1電子或正離子與氣體分子的碰撞電離電子或正離子與氣體分子的碰撞電離 2各種光輻射光電離各種光輻射光電離 3高溫下氣體中的熱能熱電離高溫下氣體中的熱能熱電離二二 金屬陰極的外表電離金屬陰極的外表電離6一碰撞電離 n氣體放電中，碰撞電離主要是由電子和氣體分氣體放電中，碰撞電離主要是由電子和氣體分子碰撞而引起的子碰撞而引起的 n在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當(dāng)電在電場作用下，電子被加速而獲得動能。當(dāng)電子的動能滿足如下條件時，將引起碰掩電離子的動能滿足如下條件時，將引起碰掩電離n n碰撞電離的構(gòu)成與電場強(qiáng)度和平均自在行程的碰撞電離的構(gòu)成與電場強(qiáng)度

4、和平均自在行程的大小有關(guān)大小有關(guān)iWmEq22178粒子的平均自在行程粒子的平均自在行程 ：一個粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間：一個粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自在地經(jīng)過的平均行程自在地經(jīng)過的平均行程電子在其自在行程內(nèi)從外電場獲得動能電子在其自在行程內(nèi)從外電場獲得動能 ，能量，能量除決議于電場強(qiáng)度外，還和其自在行程有關(guān)除決議于電場強(qiáng)度外，還和其自在行程有關(guān) pT9n電子的平均自在行程要比分子和離子的大得多n氣體分子密度越大，其中粒子的平均自在行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比n自在行程的分布：自在行程的分布： 具有統(tǒng)計性的規(guī)律。粒子的自具有統(tǒng)計性的規(guī)律。粒子的自在行

5、程大于在行程大于x的概率為的概率為 n 假設(shè)起始有假設(shè)起始有n0個粒子或一個粒子的相繼個粒子或一個粒子的相繼n0次次碰撞，那么其中行過間隔碰撞，那么其中行過間隔x后，尚未被碰撞的粒后，尚未被碰撞的粒子數(shù)或次數(shù)子數(shù)或次數(shù)n(x)應(yīng)為應(yīng)為 10 xexf)(xenxn0)(二光電離 n光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離n 它存在于自然界、人為照射、氣體放電過程中它存在于自然界、人為照射、氣體放電過程中n當(dāng)氣體分子遭到光輻射作用時，如光子能量滿足下面條當(dāng)氣體分子遭到光輻射作用時，如光子能量滿足下面條件，將引起光電離，分解成電子和正離子件，將引起光電離，分

6、解成電子和正離子n光輻射可以引起光電離的臨界波長即最大波長為光輻射可以引起光電離的臨界波長即最大波長為n對一切氣體來說，在可見光對一切氣體來說，在可見光400750nm的作用下，的作用下，普通是不能直接發(fā)生光電離的普通是不能直接發(fā)生光電離的 11iWhnm 12290iiUqUhc(三熱電離 n因氣體熱形狀引起的電離過程因氣體熱形狀引起的電離過程熱電離碰撞電離熱電離碰撞電離與光電離的綜合與光電離的綜合 n 氣體分子的平均動能和氣體溫度的關(guān)系為氣體分子的平均動能和氣體溫度的關(guān)系為 n 在它們相互碰撞時，就能夠引起鼓勵或電離在它們相互碰撞時，就能夠引起鼓勵或電離 n在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣

7、體溫度可達(dá)數(shù)千在高溫下，例如發(fā)生電弧放電時，氣體溫度可達(dá)數(shù)千度，氣體分子動能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離度，氣體分子動能就足以導(dǎo)致發(fā)生明顯的碰撞電離 n高溫下高能熱輻射光子也能呵斥氣體的電離高溫下高能熱輻射光子也能呵斥氣體的電離 12KTWm23四金屬陰極的外表電離 n陰極發(fā)射電子的過程陰極發(fā)射電子的過程 n 逸出功逸出功15eV ：與金屬的微觀構(gòu)造：與金屬的微觀構(gòu)造 、金屬外、金屬外表形狀有關(guān)表形狀有關(guān) n金屬外表電離的多種方式金屬外表電離的多種方式n 1正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極n 正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬傳送的能正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬傳送的能量要大于逸出功。逸出的電子有一

8、個和正離子結(jié)合量要大于逸出功。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其他的成為自在電子。因此正離子必需碰成為原子，其他的成為自在電子。因此正離子必需碰撞出一個以上電子時才干出現(xiàn)自在電子撞出一個以上電子時才干出現(xiàn)自在電子13外表電離的方式 2光電效應(yīng)光電效應(yīng) 金屬外表遭到光的照射，當(dāng)光子的能量大于逸出功金屬外表遭到光的照射，當(dāng)光子的能量大于逸出功時，金屬外表放射出電子時，金屬外表放射出電子 3強(qiáng)場放射冷放射強(qiáng)場放射冷放射 當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時，使陰極放射出電當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時，使陰極放射出電子子 4熱電子放射熱電子放射 當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得宏大當(dāng)陰極被加熱到

9、很高溫度時，其中的電子獲得宏大動能，逸出金屬動能，逸出金屬141.1.2 氣體中帶電粒子的運(yùn)動與消逝一電場作用下氣體中帶電粒子的運(yùn)動一電場作用下氣體中帶電粒子的運(yùn)動 定定向運(yùn)動，消逝向運(yùn)動，消逝二帶電粒子的分散二帶電粒子的分散三帶電粒子的復(fù)合三帶電粒子的復(fù)合 中和，空間或器壁中和，空間或器壁四附著效應(yīng)四附著效應(yīng)15一一 電場作用下氣體中帶電粒子的運(yùn)動電場作用下氣體中帶電粒子的運(yùn)動n帶電粒子產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運(yùn)動，構(gòu)帶電粒子產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運(yùn)動，構(gòu)成電流成電流 n在氣體放電空間在氣體放電空間 ，帶電粒子在一定的電場強(qiáng)度下運(yùn)動到，帶電粒子在一定的電場強(qiáng)度下運(yùn)動到達(dá)某種

10、穩(wěn)定形狀達(dá)某種穩(wěn)定形狀 ，堅持平均速度，即上述的帶電粒子的，堅持平均速度，即上述的帶電粒子的驅(qū)引速度驅(qū)引速度n b 遷移率遷移率 n電子遷移率比離子遷移率大得多，即使在很弱的電場中，電子遷移率比離子遷移率大得多，即使在很弱的電場中，電子遷移率也隨場強(qiáng)而變電子遷移率也隨場強(qiáng)而變 dqnvj 16bEvd二帶電粒子的分散二帶電粒子的分散 n帶電粒子的分散和氣體分子的分散一樣，都是由于熱運(yùn)動帶電粒子的分散和氣體分子的分散一樣，都是由于熱運(yùn)動呵斥，帶電粒子的分散規(guī)律和氣體的分散規(guī)律也是類似的呵斥，帶電粒子的分散規(guī)律和氣體的分散規(guī)律也是類似的 n氣體中帶電粒子的分散和氣體形狀有關(guān)，氣體壓力越高或氣體中帶

11、電粒子的分散和氣體形狀有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，分散過程也就越弱者溫度越低，分散過程也就越弱n電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動速度很高，它電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動速度很高，它在熱運(yùn)動中遭到的碰撞也較少，因此，電子的分散過程比在熱運(yùn)動中遭到的碰撞也較少，因此，電子的分散過程比離子的要強(qiáng)得多離子的要強(qiáng)得多.17三帶電粒子的復(fù)合三帶電粒子的復(fù)合 n正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳送而相互中和、正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳送而相互中和、復(fù)原為分子的過程復(fù)原為分子的過程n在帶電粒子的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一在帶電粒子的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光

12、輻射在一定條件下又能夠成為導(dǎo)致電離的要素定條件下又能夠成為導(dǎo)致電離的要素 n正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大正、負(fù)離子間的復(fù)合概率要比離子和電子間的復(fù)合概率大得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要得多。通常放電過程中離子間的復(fù)合更為重要 n一定空間內(nèi)帶電粒子由于復(fù)合而減少的速度決議于其濃度一定空間內(nèi)帶電粒子由于復(fù)合而減少的速度決議于其濃度 18n有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反有時電子和氣體分子碰撞非但沒有電離出新電子，反而是碰撞電子附著分子，構(gòu)成了負(fù)離子而是碰撞電子附著分子，構(gòu)成了負(fù)離子 n有些氣體構(gòu)成負(fù)離子時可釋放出能量。這類氣體容易有些氣體構(gòu)成負(fù)離子時可

13、釋放出能量。這類氣體容易構(gòu)成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體如氧、氟、氯，構(gòu)成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體如氧、氟、氯，SF6等等n質(zhì)量大、速度小質(zhì)量大、速度小妨礙放電，絕緣強(qiáng)度較高妨礙放電，絕緣強(qiáng)度較高19四附著效應(yīng)四附著效應(yīng)負(fù)離子的構(gòu)成負(fù)離子的構(gòu)成1.2 均勻電場中氣體的擊穿 1.2.1 氣體放電的主要方式氣體放電的主要方式 根據(jù)氣體壓力、電源功率、電極外形等要素的根據(jù)氣體壓力、電源功率、電極外形等要素的不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同方式。不同，擊穿后氣體放電可具有多種不同方式。利用放電管可以察看放電景象的變化利用放電管可以察看放電景象的變化 20n輝光放電輝光放電n電弧放電電弧放電n火花放電火花放電

14、n電暈放電電暈放電n刷狀放電刷狀放電1.2.1 非自持放電和自持放電非自持放電和自持放電21 非自持放電外施電壓小于外施電壓小于Ub時，間隙內(nèi)時，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值甚小雖有電流，但其數(shù)值甚小，通常遠(yuǎn)小于微安級，因，通常遠(yuǎn)小于微安級，因此氣體本身的絕緣性能尚此氣體本身的絕緣性能尚未被破壞，即間隙還未被未被破壞，即間隙還未被擊穿。而且這時電流要依擊穿。而且這時電流要依托外電離要素來維持。假托外電離要素來維持。假設(shè)取消外電離因家，那么設(shè)取消外電離因家，那么電流也將消逝電流也將消逝b后出現(xiàn)后出現(xiàn)碰撞電離碰撞電離22自持放電n當(dāng)電壓到達(dá)當(dāng)電壓到達(dá)Uc后，氣體后，氣體中發(fā)生了劇烈的電離，中發(fā)生了劇烈

15、的電離，電流劇增。同時氣體中電流劇增。同時氣體中電離過程只靠電場的作電離過程只靠電場的作用已可自行維持，而不用已可自行維持，而不再繼續(xù)需求外電離要素再繼續(xù)需求外電離要素了。因此了。因此Uc以后的放電以后的放電方式也稱為自持放電方式也稱為自持放電 23n由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱為起始電壓由非持放電轉(zhuǎn)入自持放電的電壓稱為起始電壓Ucn如電場比較均勻，那么間隙將被擊穿，以后根據(jù)氣如電場比較均勻，那么間隙將被擊穿，以后根據(jù)氣壓、外回路阻抗等條件構(gòu)成輝光放電、火花放電或壓、外回路阻抗等條件構(gòu)成輝光放電、火花放電或電弧放電，而起始電壓電弧放電，而起始電壓Uc也就是間隙的擊穿電壓也就是間隙的擊穿電壓U

16、B。n如電場極不均勻，那么當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時，如電場極不均勻，那么當(dāng)放電由非自持轉(zhuǎn)入自持時，在大曲率電極外表電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，在大曲率電極外表電場集中的區(qū)域發(fā)生電暈放電，這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓這時起始電壓是間隙的電暈起始電壓，而擊穿電壓能夠比起始電壓高很多能夠比起始電壓高很多24 1.2.2 湯遜放電實際 n湯遜放電實際湯遜放電實際n流注放電實際流注放電實際n 這兩種實際相互補(bǔ)充，可以闡明寬廣的這兩種實際相互補(bǔ)充，可以闡明寬廣的pd壓壓n力和極間間隔的乘積范圍內(nèi)氣體放電的景象力和極間間隔的乘積范圍內(nèi)氣體放電的景象 25n湯遜實際以為，當(dāng)均勻電場、低氣壓、短

17、間隙湯遜實際以為，當(dāng)均勻電場、低氣壓、短間隙pd較小條件下，電子的碰撞電離和正離子較小條件下，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極呵斥的外表電離起主要作用，氣隙的撞擊陰極呵斥的外表電離起主要作用，氣隙的擊穿電壓大體上是擊穿電壓大體上是pd的函數(shù)的函數(shù)261電子崩的構(gòu)成 過程 27 UUb后，一個起始電后，一個起始電子自電場獲得一定動能子自電場獲得一定動能后，會碰撞電離出一個后，會碰撞電離出一個第二代電子；這兩個電第二代電子；這兩個電子作為新的第一代電子子作為新的第一代電子，又將電離出新的第二，又將電離出新的第二代電子，這時空間已存代電子，這時空間已存在四個自在電子；這樣在四個自在電子；這樣一代一代不

18、斷添加的過一代一代不斷添加的過程程構(gòu)成電子崩構(gòu)成電子崩 系數(shù)系數(shù)一個電子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后，一個電子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)構(gòu)成電子崩平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)構(gòu)成電子崩 如設(shè)每次碰撞電離只產(chǎn)生一個電子和一個正離子，如設(shè)每次碰撞電離只產(chǎn)生一個電子和一個正離子， 即是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離出的電子即是一個電子在單位長度行程內(nèi)新電離出的電子數(shù)或正離子數(shù)數(shù)或正離子數(shù) 系數(shù)系數(shù)一個正離子沿著電場方向行經(jīng)單位長度一個正離子沿著電場方向行經(jīng)單位長度后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)后平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù) 離子崩離子崩可以可以忽略忽略系數(shù)系數(shù)碰撞陰極外表的正離子，使陰極金屬外碰

19、撞陰極外表的正離子，使陰極金屬外表平均釋放出的自在電子數(shù)表平均釋放出的自在電子數(shù) 陰極發(fā)射電子陰極發(fā)射電子28 系數(shù)系數(shù)處dx 29設(shè)：從陰極發(fā)出一個電子，經(jīng)多次設(shè)：從陰極發(fā)出一個電子，經(jīng)多次碰撞電離，在經(jīng)過間隔陰極碰撞電離，在經(jīng)過間隔陰極x后，產(chǎn)后，產(chǎn)生生n個電子個電子 這這n個電子行過個電子行過dx之后，又會產(chǎn)生之后，又會產(chǎn)生dn個新的電子個新的電子 dxndnddxn0exp對于均勻電場，對于均勻電場， 不隨空間位置而變不隨空間位置而變 新產(chǎn)生的電子數(shù)和正離子數(shù)為新產(chǎn)生的電子數(shù)和正離子數(shù)為 30den1de2系數(shù)到達(dá)陰極的正離子數(shù)到達(dá)陰極的正離子數(shù)從陰極電離出的電子數(shù)從陰極電離出的電子數(shù)

20、311den) 1(de3自持放電條件放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為 3211 de物理意義 n引起碰撞電離的必要條件引起碰撞電離的必要條件 n只需那些自在行程超越只需那些自在行程超越xiUiE的電子，才干與分的電子，才干與分子發(fā)生碰撞電離子發(fā)生碰撞電離 n假設(shè)電子的平均自在行程為假設(shè)電子的平均自在行程為 ，自在行程大于，自在行程大于xi的概的概率為率為 33iiUExWEqx 或/ ixe在單位長度內(nèi)，一個電子的平均碰撞次數(shù)為在單位長度內(nèi)，一個電子的平均碰撞次數(shù)為 1 其中其中是電離碰撞次數(shù)，是電離碰撞次數(shù)，氣體溫度不變時，氣體溫度不變時，1 Ap34/1ixeAPqEWqEWxiiiAPeee111qAWBPEfAeAeAePiEBPqE