第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件.ppt
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1、第第1 1章章 气体放气体放电的基本物理的基本物理过程程1.1 1.1 带电带电粒子的粒子的粒子的粒子的产产生和消失生和消失生和消失生和消失1.2 1.2 汤逊汤逊理理理理论论1.3 1.3 流注放流注放流注放流注放电电1.4 1.4 放放放放电时间电时间和冲和冲和冲和冲击电压击电压下的气隙下的气隙下的气隙下的气隙击击穿穿穿穿1.5 1.5 电晕电晕放放放放电电和沿面放和沿面放和沿面放和沿面放电电1.6 1.6 污闪污闪放放放放电电1-气隙中气隙中气隙中气隙中带电带电粒子粒子粒子粒子是如何是如何是如何是如何形成形成形成形成的?的?的?的?气隙中的气隙中的气隙中的气隙中的导电导电通道通道通道通道
2、是如何是如何是如何是如何形成形成形成形成的?的?的?的?思考下述思考下述问题:第第1 1章章 气体放气体放电的基本物理的基本物理过程程电荷的定向迁移和泄漏荷的定向迁移和泄漏气体放气体放气体放气体放电电2-1.1.1 1.1.1 1.1.1 1.1.1 带电带电粒子在气体中的运粒子在气体中的运粒子在气体中的运粒子在气体中的运动动1.1.2 1.1.2 1.1.2 1.1.2 带电带电粒子的粒子的粒子的粒子的产产生生生生1.1.3 1.1.3 1.1.3 1.1.3 负负离子的形成离子的形成离子的形成离子的形成1.1.4 1.1.4 1.1.4 1.1.4 带电带电粒子的消失粒子的消失粒子的消失粒
3、子的消失1.1 1.1 带电粒子的粒子的产生和消失生和消失3-平均自由行程平均自由行程平均自由行程平均自由行程 带电质带电质点的迁移率点的迁移率点的迁移率点的迁移率 激励激励激励激励 电电离离离离 复合复合复合复合1.1.1 1.1.1 带电粒子在气体中的运粒子在气体中的运动相关学相关学相关学相关学术术语术术语4-质点的平均自由行程点的平均自由行程 :一一个个带电质点点在在向向前前行行进1 1cm距距离离内内,发生生碰碰撞撞次次数的倒数数的倒数 。1.1.1 1.1.1 带电粒子在气体中的运粒子在气体中的运动5-质点的平均自由行程点的平均自由行程 受温度和气受温度和气受温度和气受温度和气压压影
4、响影响影响影响电子的子的 要比分子和离子的大得多要比分子和离子的大得多 的性的性质反映了反映了反映了反映了带电质带电质点自由运点自由运点自由运点自由运动动的能力的能力的能力的能力1.1.1 1.1.1 带电粒子在气体中的运粒子在气体中的运动6-带电质点的迁移率点的迁移率E负负极极极极正极正极正极正极正离子正离子正离子正离子电电子子子子迁移率1.1.1 1.1.1 带电粒子在气体中的运粒子在气体中的运动7-激励、激励、电离和复合离和复合原子核原子核原子核原子核基基基基态电态电子子子子能量能量能量能量激励激励激励激励电电离离离离电电离能离能离能离能复合复合复合复合1.1.1 1.1.1 带电粒子在
5、气体中的运粒子在气体中的运动8-激励、激励、电离和复合离和复合1.1.1 1.1.1 带电粒子在气体中的运粒子在气体中的运动气体气体电离能离能N215.5O212.5CO213.7SF615.6H215.4H2O12.79-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生带电带电粒子的来源粒子的来源粒子的来源粒子的来源源于气体内部源于气体内部源于气体内部源于气体内部源于源于源于源于电电极极极极碰撞碰撞碰撞碰撞电电离离离离热电热电离离离离光光光光电电离离离离正离子碰撞正离子碰撞正离子碰撞正离子碰撞光光光光电电子子子子发发射射射射热电热电子子子子发发射射射射强场发强场发射射射射10-1.1.2 1.
6、1.2 带电粒子的粒子的产生生碰撞碰撞电离离源于气体内部源于气体内部源于气体内部源于气体内部中性原子中性原子电子子E E电子子动能能电离能离能气体中气体中气体中气体中产产生生生生带电带电粒子的最主要原因粒子的最主要原因粒子的最主要原因粒子的最主要原因11-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生热电离离源于气体内部源于气体内部源于气体内部源于气体内部中性原子中性原子电子子电子子动能能电离能离能高温高温高温高温在大电弧的情况下发生12-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生光光电离离源于气体内部源于气体内部源于气体内部源于气体内部中性原子中性原子光子能量光子能量电离能离能光子光子光
7、子光子X X射射线、线13-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生正离子碰撞阴极正离子碰撞阴极源于源于源于源于电电极极极极E负负极极极极正极正极正极正极正离子正离子正离子正离子电子子正离子的能量与金属正离子的能量与金属电极的逸出功的关系极的逸出功的关系14-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生源于源于源于源于电电极极极极一些金属的逸出功一些金属的逸出功金属金属逸出功(逸出功(eV)铝4.08银4.73铜4.7铁4.48氧化氧化铜5.3415-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生光光电子子发射射源于源于源于源于电电极极极极E负负极极极极正极正极正极正极光光电效效应16
8、-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生热电子子发射射源于源于源于源于电电极极极极E负负极极极极正极正极正极正极加加加加热热17-1.1.2 1.1.2 带电粒子的粒子的产生生强场发射射源于源于源于源于电电极极极极E负负极极极极正极正极正极正极真空中、高真空中、高压气体中、液体中、固体中气体中、液体中、固体中电场阈值18-1.1.3 1.1.3 负离子的形成离子的形成气体分子要有很高的气体分子要有很高的电负性性 E负负极极极极正极正极正极正极19-1.1.3 1.1.3 负离子的形成离子的形成电子子亲和能和能 元素元素电子子亲合能(合能(eV)电负性性值F4.034.0Cl3.743.
9、0Br3.652.8I3.302.520-1.1.4 1.1.4 带电质点的消失点的消失E负负极极极极正极正极正极正极带电带电粒子消失的三条途径:复合、粒子消失的三条途径:复合、粒子消失的三条途径:复合、粒子消失的三条途径:复合、扩扩散和中和散和中和散和中和散和中和复合复合中和中和扩散散21-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.11.2.1、电子崩子崩1.2.21.2.2、自持放、自持放电1.2.31.2.3、巴申定律、巴申定律1.2.41.2.4、汤逊理理论22-1.2 1.2 汤逊理理论E负负极极极极正极正极正极正极1.2.1.1.2.1.电子崩子崩初始初始电子子碰撞碰撞电离离电子倍增子倍增
10、碰撞碰撞电离离电子崩子崩 崩崩头崩尾崩尾23-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.1.1.2.1.电子崩子崩讨论与与电场及气及气压的关系的关系的定的定的定的定义义E E增大,增大,增大,增大,急急急急剧剧增大;增大;增大;增大;p p很大或很小很大或很小很大或很小很大或很小时时,均很小。均很小。均很小。均很小。电子碰撞子碰撞电离系数离系数1 cm1 cm,碰撞碰撞电离平均次数离平均次数24-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.1.1.2.1.电子崩子崩电电子数:子数:子数:子数:25-1.2 1.2 汤逊理理论E负负极极极极正极正极正极正极1.2.2.1.2.2.自持放自持放电电荷泄漏完荷泄漏完毕
11、,放,放电过程完成程完成电子崩子崩放放电形成形成电子倍增子倍增正粒子碰撞阴极正粒子碰撞阴极正粒子碰撞阴极正粒子碰撞阴极产产生生生生电电子子子子26-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.2.1.2.2.自持放自持放电电电子数:子数:子数:子数:正离子数:正离子数:正离子数:正离子数:新新新新电电子数:子数:子数:子数:过过程程程程27-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.2.1.2.2.自持放自持放电均匀均匀电场自持放自持放电条件:条件:非自持非自持自持自持对应的的电压起始放起始放起始放起始放电电压电电压28-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.2.1.2.2.自持放自持放电电流随外施流随外施电压的提
12、的提高而增大,因高而增大,因为带电质点向点向电极运极运动的速的速度加快复合率减小度加快复合率减小 电流流饱和,和,带电质点全部点全部进入入电极,极,电流流仅取决于外取决于外电离因素的离因素的强弱(良弱(良好的好的绝缘状状态)电流开始增流开始增大,由于大,由于电子碰撞子碰撞电离离引起的引起的 电流急流急剧上升上升放放电过程程进入入了一个新的了一个新的阶段(段(击穿)穿)外施外施电压小于小于U U0 0时的放的放电是非自持放是非自持放电。电压到达到达U U0 0后,后,电流流剧增,增,间隙中隙中电离离过程只靠外施程只靠外施电压已能已能维持,不再需持,不再需要外要外电离因素。离因素。自持放自持放电起
13、始起始电压29-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.3.1.2.3.巴申定律巴申定律18891889年,巴年,巴申完成了他申完成了他的著名的著名实验。30-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.3.1.2.3.巴申定律巴申定律定性解定性解定性解定性解释释气气压下降下降分子分子间距增大距增大电子累子累积能量大能量大电子崩子崩+击穿穿间距距过大大难以碰撞以碰撞电离离难难!31-1.2 1.2 汤逊理理论1.2.4.1.2.4.汤逊理理论汤逊汤逊的理的理的理的理论论推推推推导导考考虑过程:程:考考虑自持放自持放电临界条件:界条件:考考虑平均自由程与气平均自由程与气压的关系:的关系:32-1.2 1.2 汤
14、逊理理论1.2.4.1.2.4.汤逊理理论汤逊汤逊的理的理的理的理论论推推推推导导 击穿穿电压U表示表示为:汤逊汤逊理理理理论论的适用条件:的适用条件:的适用条件:的适用条件:均匀均匀电场33-无法解无法解无法解无法解释长间释长间隙放隙放隙放隙放电电的物理的物理的物理的物理现现象象象象汤逊汤逊理理理理论论的不足:的不足:的不足:的不足:放放电时间较长放放电特征呈特征呈丝状状阴极的作用阴极的作用1.2 1.2 汤逊理理论34-1.3 1.3 流注放流注放电1.3.1 1.3.1 1.3.1 1.3.1 均匀均匀均匀均匀电场电场气隙中的流注放气隙中的流注放气隙中的流注放气隙中的流注放电电1.3.2
15、 1.3.2 1.3.2 1.3.2 不均匀不均匀不均匀不均匀电场电场气隙中的流注放气隙中的流注放气隙中的流注放气隙中的流注放电电1.3.3 1.3.3 1.3.3 1.3.3 先先先先导导放放放放电电(补补充知充知充知充知识识)35-什么什么样的的电场是不均匀是不均匀电场?均匀均匀电场:削弱了:削弱了边缘效效应的平行板的平行板电极。极。稍不均匀稍不均匀电场:球隙、同:球隙、同轴圆筒状筒状电极。极。极不均匀极不均匀电场:棒:棒-板板电极,棒极,棒-棒棒电极极电场不均匀系数不均匀系数f f=141.3 1.3 流注放流注放电36-1.3.1 1.3.1 均匀均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电
16、E负负极极极极正极正极正极正极37-1.3.1 1.3.1 均匀均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电初始初始电子崩子崩空空间电荷荷光光电离离二次二次电子崩子崩注入初崩注入初崩空空间电荷作用?荷作用?流注流注自持自持38-1.3.1 1.3.1 均匀均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电汤逊理理论的的问题(长间隙气隙)隙气隙)阴极作用放电时间流注过程放电通道空间电荷+光电离39-1.3.1 1.3.1 均匀均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电E负负极极极极正极正极正极正极正流注:由正极向正流注:由正极向负极极发展的流注放展的流注放电过程。程。发展速度:展速度:3-410e6 m/s40-1.
17、3.1 1.3.1 均匀均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电负流注:由流注:由负极向正极极向正极发展的流注放展的流注放电过程程发展速度:展速度:7-810e5 m/sE负负极极极极正极正极正极正极41-1.3.2 1.3.2 不均匀不均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电正极正极正极正极负负极极极极正棒负板放电过程电场加加强,有利正流有利正流注注发展展电子崩子崩流注流注场强增大增大流注加流注加强放放电42-1.3.2 1.3.2 不均匀不均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电正棒负板电场分布43-1.3.2 1.3.2 不均匀不均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电负负极极极极正极正极正极正
18、极负棒正板放电过程电子崩子崩流注流注场强不足不足流注熄流注熄灭棒极前流棒极前流注加注加强混合混合质通道通道场强增大增大流注开始流注开始放电44-1.3.2 1.3.2 不均匀不均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电负棒正板电场分布45-1.3.2 1.3.2 不均匀不均匀电场气隙中的流注放气隙中的流注放电极性效应极性:曲率半径小的极性:曲率半径小的极性:曲率半径小的极性:曲率半径小的电电极所极所极所极所带带的极性。的极性。的极性。的极性。不均匀不均匀电场气隙中,正极性放气隙中,正极性放电较负极性放极性放电更容易更容易发生。生。46-1.3.3 1.3.3 先先导放放电间隙隙过长(超超超超过过1
19、 1 1 1 m m m m),流流注注不不足足以以贯通通时,击穿穿如如何何发生?生?炽热的等离子体通道的等离子体通道热电热电离离离离棒极附近棒极附近热电离的作用离的作用47-1.4 1.4 放放电时间和冲和冲击电压下的放下的放电特性特性1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 放放放放电时间电时间的概念和意的概念和意的概念和意的概念和意义义1.4.2 1.4.2 1.4.2 1.4.2 标标准化冲准化冲准化冲准化冲击电压击电压波形波形波形波形1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 冲冲冲冲击电压击电压下气隙的下气隙的下气隙的下气隙的击击穿特性穿特性穿特性穿特性48-1.4.1
20、1.4.1 放放电时间的概念和意的概念和意义引发放电的条件:a.强电场 b.种子电子 c.放放电时间电时间放电时间:nss数量级外施电压为直流、交流有充足有充足的放电时间。若为冲击电压,情况将怎样?49-1.4.1 1.4.1 放放电时间的概念和意的概念和意义50-有效有效电子子电极材料极材料外施外施电压光照情况光照情况电场均匀度均匀度击穿穿过程程间隙隙长度度电场均匀度均匀度外施外施电压1.4.1 1.4.1 放放电时间的概念和意的概念和意义51-1.4.2 1.4.2 标准化的冲准化的冲击电压波形波形1 1、标准雷准雷电冲冲击电压波波OCOC为视在波前在波前OFOF为视在波前在波前时间OGO
21、G为视在半峰在半峰值时间国国标规定:定:52-1.4.2 1.4.2 标准化的冲准化的冲击电压波形波形2 2、标准雷准雷电冲冲击截波截波电压波波波前波前时间/截断截断时间53-1.4.2 1.4.2 标准化的冲准化的冲击电压波形波形3 3、标准操作冲准操作冲击电压波波54-1.4.3 1.4.3 冲冲击电压下气隙的下气隙的击穿特性穿特性 持持续电压作用下,气隙的作用下,气隙的击穿特性穿特性为一一确定的数确定的数确定的数确定的数值值。通常用通常用击击穿穿穿穿电压电压或或击击穿穿穿穿场强场强来表征。来表征。冲冲击电压作用下,气隙的作用下,气隙的击穿特性如何表征?穿特性如何表征?55-1.4.3 1
22、.4.3 冲冲击电压下气隙的下气隙的击穿特性穿特性 1.50%1.50%冲冲击击穿穿电压击击穿百分比穿百分比为为50%50%时的电压,称为。工程上采用该值表征气隙的冲击击穿特性,一般认为外施10次冲击电压,发生4-64-64-64-6次次次次击击穿穿穿穿的电压就是该值。冲冲击击系数系数:U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场:=1;极不均匀电场:156-1.4.3 1.4.3 冲冲击电压下气隙的下气隙的击穿特性穿特性 2.2.伏秒特性(曲伏秒特性(曲线)工程上用间隙上出现的电压电压最大最大最大最大值值和放放放放电电时间时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性,称为伏秒特伏秒特伏秒特伏秒特性性
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