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1、2第第2 2讲讲 1 1 气体电介质的绝缘特性（一）气体电介质的绝缘特性（一）31.1 1.1 气体中带电粒子的产生和消失气体中带电粒子的产生和消失在电场作用下，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？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？4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（以电子伏（eV）为单位为单位 1eV1V1.610-19C1.610-19J原子激励原子激励 原子
2、在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，原子在外界因素作用下，其电子跃迁到能量较高的状态，所需能量称为激励能所需能量称为激励能We 激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光激励状态恢复到正常状态时，辐射出相应能量的光子，光子（光辐射）的频率子（光辐射）的频率 hW 5 原子电离原子电离 原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电原子在外界因素作用下，获得能量，使其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程 电离过程所需要的能量电离过程所需要的能量电离能电离能Wi（10-15 eV），也），也可用电离电位可用电离
3、电位Ui（V）61.1.1 1.1.1 气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生（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）（二）（二）金属（阴极）的表面电离金属（阴极）的表面电离7（一）碰撞电离（一）碰撞电离n自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n气体分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比pT
4、8n自由行程的分布：自由行程的分布：具有统计性的规律。粒子的具有统计性的规律。粒子的自由行程大于自由行程大于x的概率为的概率为 如果起始有如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继个粒子（或一个粒子的相继n0次次碰撞），则其中行过距离碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的后，尚未被碰撞的粒子数（或次数）粒子数（或次数）n(x)应为应为 xexf)(xenxn0)(9粒子的平均自由行程粒子的平均自由行程 ：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决
5、定，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关于电场强度外，还和其自由行程有关 10（一）碰撞电离（一）碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起的子碰撞而引起的 n在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离 n碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关大小有关iWmEq22111（二）光电离（二）光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离过
6、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当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，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对所有气体来说，在可见光（对所有气体来说，在可见光（400 750nm）的作用下，）的作用下，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 iWhnm 12290iiUqUhc12(三）热电离三）热电离 n因气体热状态引起的电离过程因气体热状态引起的电
7、离过程热电离（碰撞电离热电离（碰撞电离与光电离的综合）与光电离的综合）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 KTWm2313（四）金属（阴极）的表面电离（四）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
8、逸出功（逸出功（15eV）：与金属的微观结构：与金属的微观结构、金属表面、金属表面状态有关状态有关 n金属表面电离的多种方式金属表面电离的多种方式 （1）正离子碰撞阴极）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要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大于逸出功）。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原子，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一个以上电子时才能出现自由电子14表面电离的形式表面电离的形式 （2）光电效应）光电效应 金属表面受到光的照射，
9、当光子的能量大于选出功金属表面受到光的照射，当光子的能量大于选出功时，金属表面放射出电子时，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外电场足够强时，使阴极放射出电子子 （4）热电子放射）热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属动能，逸出金属151.1.2 1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失气体中带电粒子的运动与消失n（一）电场作用下气体中带电粒子的运动（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失）（二）带电粒子的扩散（二）带电粒
10、子的扩散 （三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合（中和，空间或器壁）（四）附着效应（四）附着效应16（一）一）电场作用下气体中带电粒子的运动电场作用下气体中带电粒子的运动n带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流成电流 n在气体放电空间在气体放电空间，带电粒子在一定的电场强度下运动达，带电粒子在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电粒子的，保持平均速度，即上述的带电粒子的驱引速度驱引速度 b 迁移率迁移率 u电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在
11、很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变，电子迁移率也随场强而变 bEvddqnvj 17（二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 n带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的是相似的 n气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱高或者温度越低，扩散过程也就越弱n电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受
12、到的碰撞也较少，因此，电子的扩，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多散过程比离子的要强得多 18（三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 n正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和、还原为分子的过程中和、还原为分子的过程n在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐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、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多。通常放电过程中离子间的
13、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一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其一定空间内带电粒子由于复合而减少的速度决定于其浓度浓度 19n有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，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，形成了负离子 n有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯，SF6等）等）n质量大、速度小质量大、速度小阻碍放电，绝缘强度较高阻碍放电，绝缘强度较高（四
14、）附着效应（四）附着效应负离子的形成负离子的形成201.2 1.2 均匀电场中气体的击穿均匀电场中气体的击穿 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化管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21辉光放电辉光放电 n当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到
15、一定值后，回路入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象空间忽然出现发光现象 n特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子。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 22电弧放电电弧放电 n减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，到一定值后，放电通
16、道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大大n电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征，电路具有短路的特征 23火花放电火花放电n在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的流时，电极间出现贯通两极的的明亮细火花的明亮细火花 n火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且放火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且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 24电晕放电电晕放电 n电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极电极曲率半径很小或电极间距离很远，即电场极不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电不均匀，则当电压升高到一定值后，首先紧贴电极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一般极在电场最强处出现发光层，回路中出现用一
