氣體電介質(zhì)的絕緣特性(一)

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1、高電壓技術(shù)高電壓工程系林福昌fclin@mail.hust.edu.cn第2講1氣體電介質(zhì)的絕緣特性（一）21.1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失在電場作用下，氣隙中帶電粒子的形成和運(yùn)動過程氣隙中帶電粒子是如何形成的？氣隙中的導(dǎo)電通道是如何形成的？氣隙中導(dǎo)電通道形成后是如何維持持續(xù)放電的？3原子激勵和電離原子能級以電子伏（eV）為單位1eV＝1V×1.6×10-19C＝1.6×10-19J原子激勵原子在外界因素作用下，其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)，所需能量稱為激勵能We激勵狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時，輻射出相應(yīng)能量的光子，光子（光輻射）的頻率?4原子電離——原子在外界因素作用下，獲

2、得能量，使其一個或幾個電子脫離原子核的束縛而形成自由電子和正離子的過程電離過程所需要的能量——電離能Wi（10-15eV），也可用電離電位Ui（V）51.1.1氣體中帶電粒子的產(chǎn)生（一）氣體分子的電離可由下列因素引起：（1）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）（3）高溫下氣體中的熱能（熱電離）（二）金屬（陰極）的表面電離6（一）碰撞電離自由行程：粒子在兩次碰撞之間的行程電子的平均自由行程要比分子和離子的大得多氣體分子密度越大，其中粒子的平均自由行程越小。對于同一種氣體，其分子密度和該氣體的密度成正比7自由行程的分布：具有統(tǒng)計性的規(guī)律。粒子的自由行

3、程大于x的概率為如果起始有n0個粒子（或一個粒子的相繼n0次碰撞），則其中行過距離x后，尚未被碰撞的粒子數(shù)（或次數(shù)）n(x)應(yīng)為8粒子的平均自由行程?：一個粒子在與氣體分子相鄰兩次碰撞之間自由地通過的平均行程電子在其自由行程內(nèi)從外電場獲得動能，能量除決定于電場強(qiáng)度外，還和其自由行程有關(guān)9（一）碰撞電離氣體放電中，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，將引起碰掩電離碰撞電離的形成與電場強(qiáng)度和平均自由行程的大小有關(guān)10（二）光電離光輻射引起的氣體分子的電離過程稱為光電離自然界、人為照射、氣體放電過程當(dāng)氣體

4、分子受到光輻射作用時，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光輻射能夠引起光電離的臨界波長（即最大波長）為對所有氣體來說，在可見光（400?750nm）的作用下，一般是不能直接發(fā)生光電離的11(三）熱電離因氣體熱狀態(tài)引起的電離過程——熱電離（碰撞電離與光電離的綜合）氣體分子的平均動能和氣體溫度的關(guān)系為在它們相互碰撞時，就可能引起激勵或電離在高溫下，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)生明顯的碰撞電離高溫下高能熱輻射光于也能造成氣體的電離12（四）金屬（陰極）的表面電離陰極發(fā)射電子的過程逸出功（1－5eV）：與金屬的微觀結(jié)構(gòu)

5、、金屬表面狀態(tài)有關(guān)金屬表面電離的多種方式（1）正離子碰撞陰極正離子碰撞陰極時使電子逸出金屬（傳遞的能量要大于逸出功）。逸出的電子有一個和正離子結(jié)合成為原子，其余的成為自由電子。因此正離子必須碰撞出一個以上電子時才能出現(xiàn)自由電子13表面電離的形式（2）光電效應(yīng)金屬表面受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于選出功時，金屬表面放射出電子（3）強(qiáng)場放射（冷放射）當(dāng)陰極附近所加外電場足夠強(qiáng)時，使陰極放射出電子（4）熱電子放射當(dāng)陰極被加熱到很高溫度時，其中的電子獲得巨大動能，逸出金屬141.1.2氣體中帶電粒子的運(yùn)動與消失（一）電場作用下氣體中帶電粒子的運(yùn)動（定向運(yùn)動，消失）（二）帶電粒

6、子的擴(kuò)散（三）帶電粒子的復(fù)合（中和，空間或器壁）（四）附著效應(yīng)15（一）電場作用下氣體中帶電粒子的運(yùn)動帶電粒子產(chǎn)生以后，在外電場作用下將作定向運(yùn)動，形成電流在氣體放電空間，帶電粒子在一定的電場強(qiáng)度下運(yùn)動達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)，保持平均速度，即上述的帶電粒子的驅(qū)引速度b——遷移率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16（二）帶電粒子的擴(kuò)散帶電粒子的擴(kuò)散和氣體分子的擴(kuò)散一樣，都是由于熱運(yùn)動造成，帶電粒子的擴(kuò)散規(guī)律和氣體的擴(kuò)散規(guī)律也是相似的氣體中帶電粒子的擴(kuò)散和氣體狀態(tài)有關(guān)，氣體壓力越高或者溫度越低，擴(kuò)散過程也就越弱電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電

7、子的熱運(yùn)動速度很高，它在熱運(yùn)動中受到的碰撞也較少，因此，電子的擴(kuò)散過程比離子的要強(qiáng)得多17（三）帶電粒子的復(fù)合正離子和負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和、還原為分子的過程在帶電粒子的復(fù)合過程中會發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致電離的因素正、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)合更為重要一定空間內(nèi)帶電粒子由于復(fù)合而減少的速度決定于其濃度18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，形成了負(fù)離子有些氣體形成負(fù)離子時可釋放出能量。這類氣體容易形成負(fù)離子，稱為電負(fù)性氣體