第2讲 气体电介质的绝缘特性(一).ppt

1.1 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 原子激励和电离 （预备知识） 原子能级 单位为电子伏（eV） 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J 原子激励 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We 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? 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——电离能Wi（10-15 eV），也可用电离电位Ui（V） 1.1.1 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： （1）电子或正离子与气体分子的碰撞(碰撞电离) （2）各种光辐射（光电离） （3）高温下气体中的热能（热电离） （二） 金属（阴极）的表面电离 （一）碰撞电离 带电粒子除热运动、与其他粒子发生碰撞，还受电场力作用，沿电场方向不断加速并积累能量。 自由行程：粒子在两次碰撞之间的行程 电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多，容易被电场加速，并积累起电离所需的能量。 当电子的动能大于或等于气体分子的电离能时，就有可能发生碰撞电离。 碰撞电离(续) 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 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 碰撞电离的形成与电场强度和平均自由行程的大小有关 （二）光电离 光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离 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 光电离产生的自由电子称为光电子 光辐射的能量与波长有关，波长越短能量越大。 对所有气体来说，在可见光（400?750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的 (三）热电离 因气体热状态引起的电离过程——热电离（碰撞电离与光电离的综合） 气体分子的平均动能和气体温度的关系为 在它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 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碰撞，产生碰撞电离 高温下高能热辐射也能造成气体的光电离 （四）金属（阴极）的表面电离 阴极发射电子的过程 逸出功（1－5eV） ：与金属的微观结构 、金属表面状态有关 金属表面电离的多种方式 （1）正离子碰撞阴极 正离子碰撞阴极时，传递的能量要大于逸出功，使电子逸出金属。 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个以上电子时才能出现自由电子 表面电离的形式（续） （2）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子 （3）强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子 （4）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动能，逸出金属 1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失 气体发生放电时，除了有不断形成带电粒子的电离过程外，还有带电粒子的消失过程（去电离过程）。 （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 （三）带电粒子的复合 （中和，发生在空间或器壁） （四）附着效应 （续） 带电粒子的运动： 没有电场作用下，带电粒子做热运动；在外电场作用下将作定向运动，形成电流。 带电粒子的扩散： 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。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。 带电粒子的复合： 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 附着效应——负离子的形成 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 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，SF6等） 电子被分子俘获形成质量大、速度小的负离子后，电离能力大为降低。附着效应起着阻碍放电，绝缘强度较高 1.2 均匀电场中气体的击穿 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，击穿后气体放电可具有多种不同形式。