气体放电过程分析课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《气体放电过程分析课件.ppt》由用户(晟晟文业)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 气体 放电 过程 分析 课件
- 资源描述:
-
1、第1章 气体放电过程的分析第1 1章 气体放电过程的分析1.1 1.1 带电质点与气体放电1.2 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律1.3 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论1.4 1.4 高气压下不均匀电场气体击穿的发展过程1.1 1.1 带电质点与气体放电1.1.11.1.1气体放电的主要形式辉光放电、电晕放电、刷状放电、火花放电、电弧放电1.1.2 1.1.2 带电质点的产生 电极空间带电质点的产生 电极表面带电质点的产生1.1.3 1.1.3 带电质点的消失 带电质点受电场力的作用流入电极 带电质点的扩散 带电质点的复合1.1.1 气体放电的主要形式1.空气在
2、强电场下放电特性1.1 1.1 带电质点与气体放电带电质点与气体放电*气体放电:气体中流通电流的各种形式统称气体放电.*气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,*但在高电压下,气体从少量电荷会突然产生大量的电荷,从而失去绝缘能力而发生放电现象.*空气间隙由绝缘状态突变为导体状态的变化,称为击穿.一旦电压解除后一旦电压解除后,气体电介质能气体电介质能自动恢复绝缘自动恢复绝缘状态状态 输电线路以气输电线路以气体作为绝缘材料体作为绝缘材料 变压器相间变压器相间绝缘以气体作为绝缘以气体作为绝缘材料绝缘材料n2 不同条件下,气体放电有多种不同外形:书P8 表1-1 气体放
3、电的主要外形形式n辉光放电n电晕放电n刷状放电n火花放电n电弧放电 见下图 放电外形示意图辉光放电电晕放电1.1.2 带电质点的产生(1)激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态(2)电离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子(3)电离的方式a.碰撞电离b.光电离 电极空间带电质点的产生 c.热电离d.金属表面电离:电极表面带电质点的产生碰撞电离碰撞电离 在电场E作用下,质量为m,电荷量为q的带电质点被加速,沿电场方向行经x距离后获得能量qEx,具有一定速度v,表现为动能:当带电质点具有的动能积累到一定数值后,在与气体原子(或分子)发生碰
4、撞时,可以使后者产生电离,这种由碰撞而引起的电离称为碰撞电离.引起碰撞游离的条件:引起碰撞游离的条件:iWm221iW:气体原子(或分子)的电离能qExm221即使满足碰撞电离条件,也不一定每次碰撞都引起电离-引入”自由行程”概念:*自由行程定义:一个质点在每两次碰撞间自由通过的距离.*平均自由行程:众多质点自由行程的平均值 其中,T为气体分子温度,p为气体压力 上式表明:温度高,压力小的气体中带电质点的平均行程大,积累的动能大,易造成气体电离.*碰撞电离中电子引起的电离占主要地位碰撞电离中电子引起的电离占主要地位:电子:自由行程大,获取的动能大;质量小,弹性碰撞时几乎不损失动能.离子:自由行
5、程短,碰撞间获得的动能少;碰撞时损失动能.pT/光游离光游离 由光辐射引起气体原子(或分子)的电离,称为光电离.光波的能量W决定于其频率f:W=hf=hc/其中,h为普朗克常数,f c 分别为光波频率,光速,波长.产生光游离的条件:产生光游离的条件:iWhf 即当气体分子受到光辐射时,若光子能量大于气体分子电离能,则可能引起气体分子的光电离.书P10 表1-2 气体的电离电位及光电离临界波长 因为大气层的阻挡,阳光到达地面的波长 290nm,因此,普通阳光照射不足以引起气体分子的光电离.热热游离游离气体在热状态下引起的电离过程称为热电离 热电离本质:高速运动的气体分子的碰撞电离和光电离,只不过
6、能量不是来自电场而是气体分子本身的热能.气体分子平均动能W与分子温度T的关系:W=3KT/2其中,K:波茨曼常数,T:绝对温度产生热游离的条件:产生热游离的条件:iWKT 23iW:气体分子的电离能 常温下(T=300K),不足以引起空气的热电离;当发生电弧放电时,气体温度达到输千度以上,可以导致碰撞电离.金属表面电离金属表面电离 电子从金属电极(阴极)表面逸出来的过程称为表面游离使阴极释放电子需要的能量:逸出功 逸出功与金属的和表面状态有关,与金属温度无关 (P11 表1-3 金属及金属微观结构氧化物的逸出功).金属表面逸出功比气体电离能小很多,在气体放电中,电极表面电离很重要.n正离子碰撞
7、阴极:正离子能量传递给阴极,2 金属表面逸出功时发生电离n光电效应:金属表面受到光照时,光子能量金属表面逸出功时,可造成电离n热电子放射:加热阴极,使电子获取足够动能,克服金属表面逸出功n强场放射:在阴极附近施加强电场可使阴极释放电子.金属表面电离金属表面电离1.1.3 1.1.3 带电质点的消失带电质点的消失(去游离去游离)a.流入电极 带电质点受电场力的作用下,流入电极 迁移率:单位场强下的运动速度 电子迁移率远远大于离子迁移率 同一种气体的正负离子迁移率相差不大b.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动,从而使 带电质点在空间各处的浓度均匀.电子质量远小于离子,电子的扩散过程强.c.
8、复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子.质点间相对速度大,复合率就小 电子速度比离子大,正离子与电子复合率小,正负离子复合率大.d.附着效应 电子与原子碰撞时,电子附着原子形成负离子.离子的电离能力差,因此气体放电过程中负离子的形成起着阻碍放电作用.1.2 1.2 低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论和巴申定律 1.2.1 1.2.1 汤逊理论汤逊理论1.2.2 1.2.2 巴申定律与均匀电场击穿电压 巴申定律 均匀电场的击穿电压1.2.3 1.2.3 汤逊放电理论的适用范围1.2 1.2 低气压下均匀电场自持放电的两个理论低气压下均匀电场自持放电的两个理论:1.2.1.1.2.1.汤
9、逊放电理论汤逊放电理论:1903年,由英国人汤逊根据试验事实,提出了比较系统的气体放电理论,阐述了气体放电过程,并确定出放电电流和击穿电压之间的函数关系。汤逊气体放电理论最早定量地解释了气体放电理论.适用条件适用条件:均匀电场,低气压,短间隙实验装置均匀电场中气体的伏安特性分析:分析:oaoa段段:随着电压升高,到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大.abab段段:电流不再随电压的增大而增大.由外电离因素产生的带电质点数(少),全部落入电极,饱和电流密度极小.气体间隙仍处于良好的绝缘状态.均匀电场中气体的伏安特性bcbc段:段:电流又再随电压的增大而增大.说明出现的新的电离因素电子的碰撞电离.
10、外施电压UC,间隙电流小,取消外电离因素(光照射),电流也消失(非自持放电)c c点点:电流急剧突增电压到达UC后,气体发生强烈电离,只靠电场作用可自行维持,不需要外电离因素(自持放电)UC:击穿电压.(1).(1).非自持放电非自持放电 去掉外界游离因素的作用后去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止放电随即停止(2).自持放电自持放电 不需要外界游离因素存在不需要外界游离因素存在,放电也能自行维放电也能自行维持下去持下去(3).电子崩电子崩 在电场作用下在电场作用下,电子从阴极向阳极推进而形成的电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子一群电子.将因碰撞电离使自由电子不断增加的现象将因碰撞电离使自
11、由电子不断增加的现象称为称为电子崩电子崩(下图下图).n电子崩的发展过程称为电子崩的发展过程称为过程过程.称为碰称为碰撞电离系数撞电离系数,定义为一个电子沿电场方向行定义为一个电子沿电场方向行经经1cm1cm长度长度,平均发生的碰撞电离次数平均发生的碰撞电离次数.若每若每次碰撞电离仅产生一个新电子次碰撞电离仅产生一个新电子,则则表示在表示在单位行程内新电离出的电子数单位行程内新电离出的电子数.n利用实验测量不同极间距离利用实验测量不同极间距离d d与外回路电流与外回路电流I I关系关系,可以计算可以计算(P14 (P14 公式公式1-9).1-9).n标准参考大气条件下空气的标准参考大气条件下
12、空气的系数与电场系数与电场强度强度E E的关系的关系 (P15(P15 图图1-6)1-6)过程过程:电极空间的电子引起的碰撞电离二次过程二次过程:过程过程:正离子从电场获得动能,引起的碰撞电离过程.因为离子平均自由行程小,获取的动能少;离子质量大,速度慢,弹性碰撞时易损失动能.因此,由正离子产生的电极空间碰撞电离作用小,可以忽略不计.过程过程:在阴极表面发生的,克服金属表面逸出功后形成的电离.(1)正离子碰撞阴极表面而释放电子(主要);(2)正负离子复合产生的光子在阴极表面引起的电离.系数:折算到每个碰撞阴极的正离子中在阴极释放出的自由电子数.该系数同样可以通过I与电极间距离d的实验曲线,计
13、算后获取(书P16 公式1-17)(4).(4).自持放电条件自持放电条件a.a.电子的空间碰撞系数电子的空间碰撞系数 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞电离数 b.b.正离子的表面游离系数正离子的表面游离系数 一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数说明:假设外电离因素在阴极表面产生一个自由电子,该电子到达阳极的过程是过程,导致电子总数增加,且形成多个正离子;正离子到达阴极表面产生过程,又释放出更多的电子,这些电子又在电极空间产生过程如此循环.自持放电条件可表达为自持放电条件可表达为:1)1(Se 综上所述,将电子崩和阴极上的综上所述,将电子崩和阴极上的r r过程作为气体自
14、持放过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础。电的决定因素是汤逊理论的基础。自持放电的物理概念:一个电子在自己进入阳极后,可以由和过程在阴极上产生一个新的替身,从而无需外电离因素,放电可继续.汤逊理论的实质:汤逊理论的实质:n气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放气体间隙中发生的电子碰撞电离是气体放电的主要原因电的主要原因(电子崩电子崩)n二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出二次电子来源于正离子撞击阴极表面逸出电子,逸出电子是维持气体放电的必要条电子,逸出电子是维持气体放电的必要条件。件。n所逸出的电子能否接替起始电子的作用是所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。自持放电的判
15、据。1.2.2 1.2.2 巴申定律巴申定律表达式表达式:)(pdfUb其中其中 p:p:气体压力气体压力 d:d:极间距离极间距离 1889年,巴申从大量实验中总结了击穿电压Ub与pd的关系,称为巴申定律.可见,击穿电压不仅仅由d决定,而是气体压力和极间距离的函数,而且是个U形曲线,具有极小值,见下图.均匀电场中几种气体的击穿电压均匀电场中几种气体的击穿电压UbUb与与pdpd的关系的关系 不同气体,巴申曲线上的最低击穿电压和此时的pd值各不相同.如空气的击穿电压极小值出现在低气压下,即空气相对密度较小的情况下,Ub.minUb.min=325V=325V pd=0.55cm.mmHgpd=
16、0.55cm.mmHg.n对上图的分析:击穿电压极小值的右侧:pd增大:(1)极间距离增加,电压不变时,间隙中场强下降,电离减弱;(2)气压变大,电子自由行程缩短,电子不易积累能量,电离减弱.由此,所需击穿电压变大 击穿电压极小值的左侧:pd下降:主要是p下降引起,电子自由行程大,积累能量大,但是空气密度低,气体分子数量太少,碰撞次数少,因此电离减弱.结论:高气压和高真空都可以提高击穿电压.n巴申定律与汤逊理论的关系 前者为后者提供实验结果支持;后者为前者提供理论依据.npd过大和过小时,放电机理发生变化,汤逊理论不再适用.1.3 1.3 高气压下均匀电场自持放电的 流注理论 1.3.1 1.
17、3.1 空间电荷对电场的畸变1.3.2 1.3.2 流注的形成1.3.3 1.3.3 均匀电场中的自持放电条件1.3.4 1.3.4 流注理论对放电现象的解释1.3 1.3 高气压下均匀电场自持放电的流注理论高气压下均匀电场自持放电的流注理论在在psps乘积较大时乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象用汤逊理论无法解释的几种现象a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10-100倍b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道因此,在大量实验研究的基础上,提出
展开阅读全文