气体电介质的绝缘特性(一)

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1、高电压技术高电压工程系林福昌fclin@mail.hust.edu.cn第2讲1气体电介质的绝缘特性（一）21.1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气隙中带电粒子是如何形成的？气隙中的导电通道是如何形成的？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？3原子激励和电离原子能级以电子伏（eV）为单位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4原子电离——原子在外界因素作用下，获

2、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（10-15eV），也可用电离电位Ui（V）51.1.1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6（一）碰撞电离自由行程：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7自由行程的分布：具有统计性的规律。粒子的自由行

3、程大于x的概率为如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继n0次碰撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的粒子数（或次数）n(x)应为8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过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关9（一）碰撞电离气体放电中，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10（二）光电离光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离自然界、人为照射、气体放电过程当气体

4、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辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为对所有气体来说，在可见光（400750nm）的作用下，一般是不能直接发生光电离的11(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发生明显的碰撞电离高温下高能热辐射光于也能造成气体的电离12（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

5、、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13表面电离的形式（2）光电效应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（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141.1.2气体中带电粒子的运动与消失（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

6、子的扩散（三）带电粒子的复合（中和，空间或器壁）（四）附着效应15（一）电场作用下气体中带电粒子的运动带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流在气体放电空间，带电粒子在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电粒子的驱引速度b——迁移率电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变16（二）带电粒子的扩散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是相似的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，扩散过程也就越弱电子的质量远小于离子，所以电

7、子的热运动速度很高，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17（三）带电粒子的复合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复合更为重要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18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