第十八講氣體電介質(zhì)的擊穿

1、第十九講第十九講 氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿一電介質(zhì)中的電荷輸運(yùn)一電介質(zhì)中的電荷輸運(yùn)1 電導(dǎo)和擊穿的一般概念電導(dǎo)和擊穿的一般概念電介質(zhì)電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：電介質(zhì)電導(dǎo)（漏導(dǎo)）：任何電介質(zhì)都不是理想絕緣體，在電場(chǎng)作用下，總有一定電流流過(guò)，這就是電介質(zhì)的電導(dǎo)。這種電流很小，因此也稱電介質(zhì)的漏導(dǎo)。 電阻率： 電導(dǎo)率： 理想介質(zhì) ：實(shí)際介質(zhì)：171810 10m其中l(wèi)，A，R分別為電介質(zhì)長(zhǎng)度，截面積和電阻。實(shí)際電介質(zhì)中，或多或少存在一定的自由帶電粒子，這些帶電粒子運(yùn)動(dòng)可分為： 無(wú)電場(chǎng)時(shí)： 熱運(yùn)動(dòng) 加電場(chǎng)E時(shí)： 熱運(yùn)動(dòng)+定性遷移 電流在電場(chǎng)作用下正負(fù)載流子的遷移平均速率 為： vEEvAvvq

2、nAvqnAvqnI)(EEqnvvqnAIj)()(其中+和-為正負(fù)載流子的遷移率，即平均電場(chǎng)強(qiáng)度作用下正負(fù)載流子在電場(chǎng)方向平均遷移速率。若正負(fù)載流子濃度為n+和n-，且n+=n-=n，載流子電量為q，則：電流：電流密度：上式中=qn（+-）即電介質(zhì)的電導(dǎo)率。載流子和電導(dǎo)種類載流子和電導(dǎo)種類：載流子種類包括：電子（空穴）、離子（格點(diǎn)）或膠粒。相應(yīng)的電導(dǎo)分類： 電子電導(dǎo)（包括空穴電導(dǎo)）：載流子是電子（空穴）。 離子電導(dǎo)（包括空格點(diǎn)電導(dǎo)）：載流子是正離子或負(fù)離子或 空格點(diǎn)；離子電導(dǎo) 是電介質(zhì)電導(dǎo)的主要形式。 電泳電導(dǎo)：載流子是液體電介質(zhì)中的帶電膠粒。電介質(zhì)電導(dǎo)與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系：電介質(zhì)電導(dǎo)與電場(chǎng)強(qiáng)度

3、關(guān)系： 在電場(chǎng)不太高的情況下 n 、q 、 +和- 是與電場(chǎng)E無(wú)關(guān)的常數(shù)， 因此電導(dǎo)率也是與電場(chǎng)E無(wú)關(guān)的常數(shù)。電介質(zhì)的電導(dǎo)服從歐姆定律。 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)高時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)不服從歐姆定律，電導(dǎo)率不再是常數(shù)， 電介質(zhì)固有絕緣性被破壞，變成導(dǎo)體。 這種由電場(chǎng)直接作用才生的電解質(zhì)破壞，稱為電擊穿電擊穿。發(fā)生擊穿的理解電壓稱為擊穿電壓擊穿電壓。相應(yīng)的臨街長(zhǎng)槍稱為擊穿擊穿場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)。2 均勻電場(chǎng)和非均勻電場(chǎng)：均勻電場(chǎng)和非均勻電場(chǎng)：電場(chǎng)大小和方向處處相同的電場(chǎng)稱為均勻電場(chǎng)，否則稱為非均勻電場(chǎng)。maxavfEEdUEav均勻場(chǎng)：平板電極中間電場(chǎng) 電場(chǎng)稍不均勻場(chǎng)：球狀電極間距不大于半徑的間隙電場(chǎng)非均勻場(chǎng)極不均勻場(chǎng)

4、：針板和針針間隙電場(chǎng) 電場(chǎng)不均勻系數(shù)電場(chǎng)不均勻系數(shù)：電場(chǎng)不均勻系數(shù)是表征電場(chǎng)均勻性的參數(shù)，定義為最大場(chǎng)強(qiáng)Emax與平均場(chǎng)強(qiáng)Eav的比值。 二二 氣體的電導(dǎo)和放電氣體的電導(dǎo)和放電1 帶電粒子的產(chǎn)生和消失帶電粒子的產(chǎn)生和消失 1）氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失：）氣體中帶電粒子的產(chǎn)生和消失：a) 激發(fā)和電離激發(fā)和電離： 激發(fā)激發(fā)：處于正常狀態(tài)的原子、分子和離子，當(dāng)獲得一定能量時(shí)，其電子，通常為最外層價(jià)電子躍遷到較高能級(jí)上的過(guò)程。激發(fā)所需要的能量稱為激發(fā)能（We ）。激發(fā)能也可用激發(fā)電位(U)e表示，Ue=We/e 。 電離：電離：當(dāng)原子、分子和離子獲得足夠能量，價(jià)電子掙脫原子核束縛變?yōu)樽杂呻娮拥倪^(guò)程。

5、電離所需的能量成為電離能（ Wi）。 02123412iiiieeihWhchcWeUUm vW光子能量：光輻射電離光電離臨界波長(zhǎng)：輻射電離電離熱輻射電離碰撞電離b）附著）附著：當(dāng)電子與分子碰撞時(shí)，電子有可能被吸引而附著在分子上形成負(fù)離子，這個(gè)過(guò)程稱附著。由于離子的電離能力不如電子，附著對(duì)放電過(guò)程其阻礙作用。c）復(fù)合）復(fù)合：正離子和負(fù)離子相碰撞而恢復(fù)成為分子的過(guò)程稱為復(fù)合，伴隨光輻射現(xiàn)象，復(fù)合是帶電粒子消失的過(guò)程。d）擴(kuò)散：）擴(kuò)散：電子或離子自發(fā)地由濃度較高的區(qū)域向濃度較低的區(qū)域轉(zhuǎn)移的過(guò)程，帶電粒子的擴(kuò)散是由熱運(yùn)動(dòng)造成的，是熱力學(xué)第二定律的必然結(jié)果。2）電極表面發(fā)射：）電極表面發(fā)射： 為使氣體

6、放電中有電荷循環(huán)，還必然有陰極金屬發(fā)射電子的過(guò)程，且一定條件下，印記發(fā)射電子是放電中帶電粒子的重要來(lái)源。逸出功：逸出功：金屬表面的電子從金屬中脫離出來(lái)所需的能量。逸出功取決于金屬原子結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)。 陰極表面發(fā)射電子類型： 正離子碰撞陰極，使金屬表面釋放出電子。 光電效應(yīng)：金屬表面受光輻射（光子能量逸出功），發(fā)射電子。 熱電子發(fā)射：陰極被加熱到很高溫度，金屬中的電子獲得巨大的動(dòng)能而逸出，形成熱電子發(fā)射。 強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射：當(dāng)陰極附近電場(chǎng)強(qiáng)度很高時(shí)，陰極也發(fā)射電子，稱場(chǎng)致發(fā)射或冷發(fā)射。2 氣體的氣體的j-E特性和放電現(xiàn)象特性和放電現(xiàn)象1） 氣體的氣體的j-E特性：特性：第一部分：電流密度隨電場(chǎng)強(qiáng)度呈正比

7、增加，大致符合歐姆定律。第二部分：場(chǎng)強(qiáng)增加到E1附近，電流密度j不再隨電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，其飽和電流密度值極小，處于良好絕緣狀態(tài)。第三部分：場(chǎng)強(qiáng)增至 E2附近，電流又增長(zhǎng)，氣體的絕緣性能尚未遭破壞，氣隙并沒(méi)有擊穿。當(dāng)電場(chǎng)增加到臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EB時(shí)，j急劇增大，伴有明顯的聲、光現(xiàn)象，絕緣性被破壞，氣體擊穿。 js123E1E2EBjE自持放電非自持放電2）擊穿后放電現(xiàn)象）擊穿后放電現(xiàn)象氣體放電有種種不同形式，受氣體壓力、電極形狀、極間距離、電源功率等因素影響。 輝光放電：氣壓較小，電源功率很低，當(dāng)外加電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，回路中電流增加，管內(nèi)電極間整個(gè)空間忽然出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象（霓虹燈）。 火光放電：電壓

8、增高，氣壓不太低（常壓附近），氣隙中發(fā)出明亮的火花，火花在電極間出現(xiàn)細(xì)光束，在電源功率不大時(shí)，火花斷續(xù)明亮。 電暈放電：電極曲率半徑很小，電場(chǎng)不均勻，在電極尖端附近出現(xiàn) 色微光，并發(fā)出聲音（高壓裝置的導(dǎo)體尖端）。 電弧放電：電源功率足夠大，而外電路電阻較小，氣隙發(fā)生火花放電之后，便立即發(fā)展至對(duì)面電極，并形成非常明亮的連續(xù)弧光，電導(dǎo)很高，電流密度很大，電弧溫度很高（電焊）。 單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中離子復(fù)合數(shù) N1（離子復(fù)合速率）正比于正、負(fù)離子濃度n+和n-：nnN1nnn21nN21NNnNn 3 氣體的電導(dǎo)氣體的電導(dǎo)式中為復(fù)合系數(shù)通常情況下 則：若外界電離作用導(dǎo)致的帶電離子濃度增加速率為N，

9、則平衡時(shí)有：載流子濃度：氣體帶電離子濃度：氣體帶電離子濃度： 當(dāng)外加電場(chǎng)不高時(shí)，帶電粒子的產(chǎn)生情況沒(méi)有變，但消失情況分為了氣體中的復(fù)合和在電極板上的中和兩個(gè)部分。 設(shè)流過(guò)電極的電流為I，則帶電離子濃度由于極板上的中和而減少的速率N1”可表示為：11IjNq Adqd帶電粒子的減少速率可表示為：qdjnNNN2111外加電場(chǎng)不很高情況下的帶電粒子減少速率外加電場(chǎng)不很高情況下的帶電粒子減少速率， 由上式可見(jiàn)：為常數(shù)，j正比于E，服從歐姆定律。隨電場(chǎng)強(qiáng)度升高。遷移速度加大，復(fù)合而消失的粒子數(shù)減少，達(dá)到電極上中和的帶電粒子數(shù)增大。（j-E曲線第1部分）211nNqdjN“21NNn)()(qNnq1）

10、外加場(chǎng)強(qiáng)很弱 遷移到極板的帶電粒子比空間符合的少得多，即在以上情況下，當(dāng)電場(chǎng)在一定范圍內(nèi)由弱到強(qiáng)變化，電介質(zhì)電導(dǎo)有兩種情況：則： 氣體電導(dǎo)率：2）電場(chǎng)升高，電離產(chǎn)生的帶電粒子N全部遷移到極板上而沒(méi)有發(fā)生空間復(fù)合，即，02nsjNqdj3）當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步增大，新的電離過(guò)程產(chǎn)生新的載流子，電流密度重新增大，氣體放電。（ j-E曲線第3部分）則電流密度為： 由上式可見(jiàn)j僅取決于外電離因素而與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。電場(chǎng)增強(qiáng)，j趨于飽和。此時(shí)電流密度仍很小，其氣體是絕緣體。 （j-E曲線第2部分）一 湯遜理論（Townsend）：氣體放電的碰撞電離理論，適用于低氣壓、小氣隙的氣體放電情況。1）氣體放電電流 過(guò)程引

11、起的電流增長(zhǎng)方程過(guò)程引起的電流增長(zhǎng)方程 碰撞電離和電子崩過(guò)程：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定程度時(shí)，兩極間氣隙中的自由電子奔向陽(yáng)極過(guò)程中積累了足夠大的能量，與氣體分子想碰撞，發(fā)生碰撞電離，在強(qiáng)場(chǎng)的加速下，使氣體中載流子數(shù)目不斷增加，發(fā)生電子雪崩。4 均勻電場(chǎng)中的氣體放電和擊穿均勻電場(chǎng)中的氣體放電和擊穿（一）（+）（一）（+）（a）電子倍增過(guò)程（b）電子崩模型電子崩及其過(guò)程示意圖電子崩及其過(guò)程示意圖初始電子：光電效應(yīng)從陰極表面發(fā)射的電子是引起電子崩的起始電子。n0為單位表面積發(fā)射的電子數(shù)， 為一個(gè)電子在單位距離上產(chǎn)生的電子數(shù)或正離子數(shù)，或平均碰撞電離次數(shù)，稱電子碰撞電離系數(shù)或湯遜第一電離系數(shù)湯遜第一電離系

12、數(shù)。dxn0nnadx電子崩計(jì)算模型電子崩計(jì)算模型電子崩計(jì)算模型：電子崩計(jì)算模型： 由以上模型，設(shè)nx是距陰極x截面上單位面積穿過(guò)的電子數(shù)，則當(dāng) nx個(gè)電子經(jīng)過(guò)dx行程后，碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù) dnx可表示為dxndnxx00 xdxxnn e對(duì)均勻電場(chǎng)， 處處相等，因此xxenn0達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)ddenn0氣體放電電流密度可表示為dddejeenenj00從陰 極到陽(yáng)極每個(gè)電子平均產(chǎn)生的新電子數(shù)為100ddennn則 由上式可知，當(dāng)外界電離因素去除后，放電就停止（ j0= 0， j= 0 ），氣體恢復(fù)絕緣狀態(tài)，這種放電過(guò)程即為非自持放電。如果氣體放電只有 過(guò)程，則放電不能自持。過(guò)程同時(shí)存在的

13、電流增長(zhǎng)方程過(guò)程同時(shí)存在的電流增長(zhǎng)方程 過(guò)程和電子：過(guò)程之外的新點(diǎn)子產(chǎn)生過(guò)程，也稱而此過(guò)程，相應(yīng)產(chǎn)生的電子稱為電子或二次電子。過(guò)程主要有以下幾種：a）正離子轟擊陰極，使陰極表面電離，釋放出電子。b）陰極表面光電離產(chǎn)生的光電子，光子來(lái)源于： 氣體分子或離子從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到正常態(tài)釋放出的光子； 介穩(wěn)態(tài)的粒子再次激發(fā)后恢復(fù)到正常狀態(tài)釋放出的光子； 正負(fù)帶電粒子復(fù)合釋放出的光子。 電離系數(shù)（湯姆遜第二電離系數(shù)）：每個(gè)碰撞陰極表面的正離子是陰極金屬釋放出的平均自由電子數(shù)。221(1)(1)(1).(1).1(1)ndndddddnddddeZeeeeeeeeeddndneeenZnn) 1(1) 1(10

14、0ddndneeeenj) 1(1) 1(101) 1(de) 1(110ddeejj1deddeejj110由陰極發(fā)射出一個(gè)起始電子通過(guò) 過(guò)程和 過(guò)程，使陽(yáng)極獲得 Z個(gè)電子：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)陰極表面單位面積上發(fā)射 個(gè)電子，則單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入陽(yáng)極表面單位面積的電子數(shù) 為：電流密度：當(dāng) 時(shí)， 由于 ，則 ddndneeeenj) 1(1) 1(10由電流密度A： （ ed-1 ）0 自持放電由于ed1，自持放電的條件（湯遜判據(jù)）也可近似寫為：11lnded或物理意義物理意義：（ ed-1 ）是從陰極發(fā)出的一個(gè)電子在進(jìn)入陽(yáng)極之前由 過(guò)程所形成的正離子數(shù)。而 （ ed-1 ）則表示 （ ed-1 ）個(gè)正離子

15、在進(jìn)入陰極之際，由 過(guò)程在陰極上釋放出的二次電子數(shù)。 （ ed-1 ）=1表示二次電子數(shù)為1，這個(gè)電子又再次重復(fù)形成 過(guò)程和 過(guò)程。即每個(gè)電子在陽(yáng)極消失時(shí)，都能由自身引起的過(guò)程重新產(chǎn)生一個(gè) “后代”，這樣縱然消失外電離因素，放電依然能夠維持下去不停止自持放電。2）湯遜擊穿判據(jù)）湯遜擊穿判據(jù) 3）湯遜電離系數(shù)）湯遜電離系數(shù)和和系數(shù) 、不僅 與氣體-電極系統(tǒng)有關(guān)，還與電場(chǎng)E、氣壓P、溫T有關(guān)。 設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，電子在電場(chǎng)方向移動(dòng)x ，獲動(dòng)能eEx；氣體分子電離能 為eui，則氣體碰撞電離條件為：/iieExeuxuE即令：xi=ui/E 則自由程不小于xi的電子才能引起分子電離。由爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律，

16、電子自由程不小于 的幾率為： ixe一個(gè)電子在單位行程中發(fā)生碰撞電離的次數(shù)：Euxiiee11BP EAPe )(1EPfP)(2EPf 在一定溫度下，KT/r2為常數(shù)，令其為A，Aui=B則：上式的更普遍形式為： 和電極表面逸出功有關(guān)，由于正離子和光子的能量同樣取決與P/E，因此對(duì)于一定的氣體-電極系統(tǒng)也是P/E 的函數(shù)。但由于對(duì)擊穿電壓不敏感，通常情況下 作為常數(shù)來(lái)處理。由氣體分子運(yùn)動(dòng)論，氣體分子平均自由程：APPrKT1124）帕申（）帕申（Paschen）定律）定律二氣體放電的流注理論二氣體放電的流注理論氣體放電的流注理論，以電子崩放電為基礎(chǔ)，并考慮了空間光電離效應(yīng)和空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用。適用與較高氣壓（大氣壓或大氣壓以上），較大間隙的放電過(guò)程。流注形成過(guò)程：1從陰極釋放電子，在外場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞電離，電子數(shù)和正離子數(shù)n隨陽(yáng)極距離x指數(shù)增加，形成電子崩（初崩）。電子的遷移率比 離子大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在發(fā)生電子崩的同時(shí)，正離子實(shí)際上幾乎停留在其原來(lái)位置上，形成崩頭集中著電子，崩尾分布正離子的球狀圓錐體。.正離子形成空間電