电器学原理 教学课件 作者 曹云东 04气体放电的物理基础1.ppt

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1、第4章气体放电及电弧理论电器产品中的绝缘确保电器产品中不同电位的导体的电位状态如果绝缘被损坏会造成短路故障或其它事故应用最广泛的绝缘介质：气体绝缘研究气体绝缘性能是设计性能优良电器的最重要任务之一。如果电器应用超过其（气体）绝缘水平将会导致气体的放电或击穿现象可造成导致气体绝缘性能的丧失1.概述§4.1气体放电的物理基础HOME电子、正离子、负离子理想状态下的气体理想绝缘介质无带电粒子什么是气体的放电？气体中流通电流的过程或形式。带电粒子定向运动自然状态下的气体电极间电流微弱具有微量带电粒子受到外界因素的影响设

2、电极间隙的绝缘介质为空气（气体），在电极上施加电压。（1）如果电压尚不高，则间隙间产生大量带电粒子电极间电流剧增（2）如果电压足够高，则气体由绝缘状态变为良导电状态气体被击穿绝缘丧失优良绝缘介质§4.1气体放电的物理基础第4章气体放电理论HOME气体的击穿气体放电的一种特殊形式。气体的击穿电压：气体发生击穿时的最低临界电压。2.气体放电的形式（过程）根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，气体可能出现不同的放电过程。（1）辉光放电产生条件：气体压力不高，放电产生时电源所提供的功率很小。（2）弧光放电产生条

3、件：大气体压力下，放电产生时电源所提供的功率足够高。电弧放电电弧（3）火花放电产生条件：大气体压力下，放电产生时电源所提供的功率很小。第4章气体放电理论HOME（4）电晕放电产生条件：电极间电场分布及不均匀，电极间尚低于击穿电压。（5）刷状放电产生条件：电极间电场分布及不均匀，继续升高电压。气体放电产生条件：施加于电极间的电压足够高，产生了数目众多的带电粒子。§4.1气体放电的物理基础3.电离和激励的概念1）原子结构物质的原子是由原子核和若干个绕原子核旋转的电子构成的，这些电子沿着一定的轨道围绕原子核运动。2）

4、电离如果外界加到原子上的能量足够大，使其电子得以跳出原子核吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子（中性粒子）变成一带有正电荷的离子——正离子。e—电子的电量,e＝1.6×10-19C；Vi—电离电位。HOME这一过程被称为中性粒子的电离。电离出一个自由电子所需的能量。电离能Wi：§4.1气体放电的物理基础一些气体和金属蒸汽的电离能和激励能元素电离能/eV激励能/eV碳C11.3(24.4,48,65)-氧H13.5(35,55,77)7.9氢O13.5410.2(12.1)氮N14.55(29.5,

5、47,73)6.3氟F17.4(35,63,87,114)-铝Al5.98-银Ag7.57-铜Cu7.72-铁Fe7.9-钨W7.98-HOME§4.1气体放电的物理基础3）激励如果加到中性粒子上的能量不够大，只能使其电子由正常运行的轨道跳到较外层的轨道。激励能：激励中性粒子过程所需的能量。激励的一些特点:（1）处于激励状态的中性粒子容易产生分级电离:已被激励的中性粒子比较容易电离，这种经过激励状态再电离的现象叫做分级电离。（2）激励状态是一种不稳定的状态:大多数被激励的中性粒子能以光量子的形式释放掉能量而自动

6、地返回到正常状态。中性粒子处于激励状态的时间一般低于10-9～10-8s。HOME该过程被称为中性粒子的激励。§4.1气体放电的物理基础（3）介稳状态（亚稳状态）激励:在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常轨道。常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层轨道上去，然后才能跳回正常轨道；或在第二次外界能量的作用下发生电离。中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4～10-2s甚至更长，因而它在中性粒子电离的过程中起很大作用。HOME§4.1气体放电的物理基础4.气体电离方式

7、电离度越高，气体的电导率越大。气体电离的方式：表面发射和空间电离。电离气体:电离度：含有带电粒子的气体。HOME§4.1气体放电的物理基础1）表面发射金属电极表面在某些情况下能够发射电子进入极间气体。(1)热发射金属的温度升高时，其表面的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出。逸出功Wyc：元素铬Cd铝Al碳C铜Cu铁Fe银Ag钨W逸出功/eV4.14.254.44.44.634.747.49部分金属元素的逸出功一个电子逸出金属表面所需的能量。HOME§4.1气体放电的物理基础(2)

8、场致发射:金属表面存在较高的E（>106V/cm）时，其表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒（即所谓隧道效应）逸出金属。在较高温度时，场致发射的电流密度Jcf（单位为A/cm2）可用下式计算：式中：E—金属表面的电场强度单位为V/cm；A2—常数。对于铁A2＝0.01。根据量子力学理论，对一个清洁而均匀的表面，其饱和的热发射电流密度Jrf（单位为A/cm2）可用下式计算：A1