第2讲荷子汤逊巴申理论课件.ppt

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1、第2讲荷子汤逊巴申理论第1页，此课件共38页哦第2讲 气体电介质的绝缘特性（一）1.1 气体中带电粒子的产生和消失1.1.1 气体中带电粒子的产生气体中带电粒子的产生1.1.2 气体中带电粒子的运动与消失气体中带电粒子的运动与消失1.2 均匀电场中气体的击穿1.2.1 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 1.2.2 汤逊放电理论汤逊放电理论 1.2.3 巴申（巴申（Paschen）定律）定律 1.2.4 汤逊放电理论的适用范围汤逊放电理论的适用范围第2页，此课件共38页哦1.1 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在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程

2、气隙中带电粒子是如何形成的？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？气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？第3页，此课件共38页哦原子激励和电离 原子能级 以电子伏（eV）为单位 1eV1V1.610-19C1.610-19J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 第4页，此课件共38页哦 原子电离 原子在外界因素作用下，获得能量，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

3、过程 电离过程所需要的能量电离能Wi（10-15 eV），也可用电离电位Ui（V）第5页，此课件共38页哦1.1.1 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：（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）电子或正离子与气体分子的碰撞电离碰撞电离 （2）各种光辐射（）各种光辐射（光电离光电离）（3）高温下气体中的热能（）高温下气体中的热能（热电离热电离）（二）（二）金属（阴极）的金属（阴极）的表面电离表面电离第6页，此课件共38页哦（一）碰撞电离 n气气体体放放电电中中，碰碰撞撞电电离离主主要要是是由由电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞而而引起的引起的

4、 n在在电电场场作作用用下下，电电子子被被加加速速而而获获得得动动能能。当当电电子子的的动动能能满足如下条件时，将引起碰掩电离满足如下条件时，将引起碰掩电离 n碰碰撞撞电电离离的的形形成成与与电电场场强强度度和和平平均均自自由由行行程程的的大大小小有有关关第7页，此课件共38页哦粒子的平均自由行程粒子的平均自由行程 ：一一个个粒粒子子在在与与气气体体分分子子相相邻邻两两次次碰碰撞撞之之间间自自由由地地通通过过的平均行程的平均行程电电子子在在其其自自由由行行程程内内从从外外电电场场获获得得动动能能 ，能能量量除除决决定定于于电电场场强强度度外，还和其自由行程有关外，还和其自由行程有关 第8页，此

5、课件共38页哦n电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多n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第9页，此课件共38页哦n自自由由行行程程的的分分布布：具具有有统统计计性性的的规规律律。粒粒子子的的自自由由行行程程大大于于x的概率为的概率为 如如果果起起始始有有n0个个粒粒子子（或或一一个个粒粒子子的的相相继继n0次次碰碰撞撞），则则其其中中行行过过距距离离x后后，尚尚未未被被碰碰撞撞的的粒粒子子数数（或或次次数数）n(x)应为应为 第10页，此课件共38页哦（二）光电离 n光辐射引起的气体分子的电离过程称为光电离光辐射引起的气体分子的电离

6、过程称为光电离 它存在于自然界、人为照射、它存在于自然界、人为照射、气体放电过程中气体放电过程中n当当气气体体分分子子受受到到光光辐辐射射作作用用时时，如如光光子子能能量量满满足足下下面面条条件件，将将引引起起光电离，分解成电子和正离子光电离，分解成电子和正离子n光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为光辐射能够引起光电离的临界波长（即最大波长）为n对对所所有有气气体体来来说说，在在可可见见光光（400 750nm）的的作作用用下下，一一般般是是不能直接发生光电离的不能直接发生光电离的 第11页，此课件共38页哦(三）热电离 n因气体热状态引起的电离过程因气体热状态引起的电离过程热电离（

7、碰撞电离与光电离热电离（碰撞电离与光电离的综合）的综合）气体分子的平均动能和气体温度的关系为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它们相互碰撞时，就可能引起激励或电离 n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子动能就足以导致发生明显的碰撞电离 n高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离 第12页，此课件共38页哦（四）金属（阴极）的表面电离 n阴极发射电子的过程阴极发射电子的过程 逸出功（逸出功（15eV）：与金

8、属的微观结构：与金属的微观结构、金属表面状态有关、金属表面状态有关 n金属表面电离的多种方式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 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）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。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子第13页，此课件共38页哦表面电离的形式 （2）光电效应）光电效应 金金属属表表面面受受到到光光的的照照射射，当当

9、光光子子的的能能量量大大于于逸逸出出功功时时，金金属表面放射出电子属表面放射出电子 （3）强场放射（冷放射）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）热电子放射 当当阴阴极极被被加加热热到到很很高高温温度度时时，其其中中的的电电子子获获得得巨巨大大动动能能，逸出金属逸出金属第14页，此课件共38页哦1.1.2 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（一）电场作用下气体中带电粒子的运动 （定向运动，消失）（二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散（三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合（

10、中和，空间或器壁）（四）附着效应（四）附着效应第15页，此课件共38页哦（一）（一）电场作用下气体中带电粒子的运动电场作用下气体中带电粒子的运动n带电粒子产生以后，在外电场作用下将作带电粒子产生以后，在外电场作用下将作定向运动，形成电流定向运动，形成电流 n在在气气体体放放电电空空间间，带带电电粒粒子子在在一一定定的的电电场场强强度度下下运运动动达达到到某某种稳定状态种稳定状态，保持平均速度，即上述的带电粒子的，保持平均速度，即上述的带电粒子的驱引速度驱引速度 b 迁移率迁移率 n电电子子迁迁移移率率比比离离子子迁迁移移率率大大得得多多，即即使使在在很很弱弱的的电电场场中中，电电子子迁移率也随

11、场强而变迁移率也随场强而变 第16页，此课件共38页哦（二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩散 n带带电电粒粒子子的的扩扩散散和和气气体体分分子子的的扩扩散散一一样样，都都是是由由于于热热运运动动造造成，成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律也是相似的 n气气体体中中带带电电粒粒子子的的扩扩散散和和气气体体状状态态有有关关，气气体体压压力力越越高高或或者者温度越低，扩散过程也就越弱温度越低，扩散过程也就越弱n电电子子的的质质量量远远小小于于离离子子，所所以以电电子子的的热热运运动动速速度度很很高高，它它在在热热运运动动中中受到的碰撞也较少，因此，受到

12、的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比离子的要强得多电子的扩散过程比离子的要强得多.第17页，此课件共38页哦（三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 n正正离离子子和和负负离离子子或或电电子子相相遇遇，发发生生电电荷荷的的传传递递而而互互相相中中和和、还还原原为分子的过程为分子的过程n在在带带电电粒粒子子的的复复合合过过程程中中会会发发生生光光辐辐射射，这这种种光光辐辐射射在在一一定定条条件件下下又可能成为导致电离的因素又可能成为导致电离的因素 n正正、负负离离子子间间的的复复合合概概率率要要比比离离子子和和电电子子间间的的复复合合概概率率大大得得多多。通通常常放电过程中离子间的复合更为重要放

13、电过程中离子间的复合更为重要 n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 第18页，此课件共38页哦n有有时时电电子子和和气气体体分分子子碰碰撞撞非非但但没没有有电电离离出出新新电电子子，反反而而是是碰碰撞撞电子附着分子，电子附着分子，形成了负离子形成了负离子 n有有些些气气体体形形成成负负离离子子时时可可释释放放出出能能量量。这这类类气气体体容容易易形形成负离子，称为成负离子，称为电负性气体电负性气体（如氧、氟、氯，（如氧、氟、氯，SF6等）等）n质量大、速度小质量大、速度小阻碍放电，绝缘强度较高阻碍放电，绝缘强度较高（四）附着效应

14、（四）附着效应负离子的形成负离子的形成第19页，此课件共38页哦1.2 均匀电场中气体的击穿 1.2.1 气体放电的主要形式气体放电的主要形式 根根据据气气体体压压力力、电电源源功功率率、电电极极形形状状等等因因素素的的不不同同，击击穿穿后后气气体体放放电电可可具具有有多多种种不不同同形形式式。利利用用放放电电管管可可以以观观察放电现象的变化察放电现象的变化 辉光放电辉光放电电弧放电电弧放电火花放电火花放电电晕放电电晕放电刷状放电刷状放电第20页，此课件共38页哦1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电 第21页，此课件共38页哦非自持放电外外施施电电压压小小于于Ub时时，间间隙隙

15、内内虽虽有有电电流流，但但其其数数值值甚甚小小，通通常常远远小小于于微微安安级级，因因此此气气体体本本身身的的绝绝缘缘性性能能尚尚未未被被破破坏坏，即即间间隙隙还还未未被被击击穿穿。而而且且这这时时电电流流要要依依靠靠外外电电离离因因素素来来维维持持。如如果果取取消消外外电电离离因因家家，那那么么电电流流也也将将消消失（失（b后出现碰撞电离）后出现碰撞电离）第22页，此课件共38页哦自持放电n当当电电压压达达到到Uc后后，气气体体中中发发生生了了强强烈烈的的电电离离，电电流流剧剧增增。同同时时气气体体中中电电离离过过程程只只靠靠电电场场的的作作用用已已可可自自行行维维持持，而而不不再再继继续续

16、需需要要外外电电离离因因素素了了。因因此此Uc以以后后的的放电形式也称为自持放电放电形式也称为自持放电 第23页，此课件共38页哦n由非持放电转入自持放电的电压称为由非持放电转入自持放电的电压称为起始电压起始电压Ucn如如电电场场比比较较均均匀匀，则则间间隙隙将将被被击击穿穿，此此后后根根据据气气压压、外外回回路路阻阻抗抗等等条条件件形形成成辉辉光光放放电电、火火花花放放电电或或电电弧弧放放电电，而而起始电压起始电压Uc也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压UB。n如如电电场场极极不不均均匀匀，则则当当放放电电由由非非自自持持转转入入自自持持时时，在在大大曲曲率率电电极极表表面面电电场场集集

17、中中的的区区域域发发生生电电晕晕放放电电，这这时时起起始始电电压压是是间间隙隙的的电电晕晕起起始始电电压压，而而击击穿穿电电压压可可能能比比起起始始电电压压高高很很多多第24页，此课件共38页哦 1.2.2 汤逊放电理论 n汤逊放电理论汤逊放电理论n流注放电理论流注放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的这两种理论互相补充，可以说明广阔的pd（压（压力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象力和极间距离的乘积）范围内气体放电的现象 第25页，此课件共38页哦n汤汤逊逊理理论论认认为为，当当均均匀匀电电场场、低低气气压压、短短间间隙隙（pd较较小小）条条件件下下，电电子子的的碰碰撞撞电电离离和

18、和正正离离子子撞撞击击阴阴极极造造成成的的表表面面电电离离起起主主要要作作用用，气气隙隙的的击击穿穿电电压压大大体体上上是是pd的函数的函数第26页，此课件共38页哦（1）电子崩的形成（过程）UUb后后，一一个个起起始始电电子子自自电电场场获获得得一一定定动动能能后后，会会碰碰撞撞电电离离出出一一个个第第二二代代电电子子；这这两两个个电电子子作作为为新新的的第第一一代代电电子子，又又将将电电离离出出新新的的第第二二代代电电子子，这这时时空空间间已已存存在在四四个个自自由由电电子子；这这样样一一代代一一代代不不断断增增加加的的过过程程形形成成电电子崩子崩 第27页，此课件共38页哦u 系系数数一

19、一个个电电子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经单单位位长长度度后后，平平均发生的碰撞电离次数均发生的碰撞电离次数（形成电子崩）如如设设每每次次碰碰撞撞电电离离只只产产生生一一个个电电子子和和一一个个正正离离子子，即即是是一一个个电电子子在在单单位位长长度度行行程程内内新新电电离离出出的的电电子子数或正离子数数或正离子数 u系系数数一一个个正正离离子子沿沿着着电电场场方方向向行行经经单单位位长长度度后后平平均均发发生的碰撞电离次数生的碰撞电离次数（离子崩）可以忽略u系系数数碰碰撞撞阴阴极极表表面面的的正正离离子子，使使阴阴极极金金属属表表面面平平均均释释放出的自由电子数放出的自由电子数（阴极发射

20、电子）第28页，此课件共38页哦 系数系数设设：从从阴阴极极发发出出一一个个电电子子，经经多多次次碰碰撞撞电电离离，在在经经过过距距离离阴阴极极x后后，产产生生n个电子个电子 这这n个个电电子子行行过过dx之之后后，又又会会产产生生dn个新的电子个新的电子 第29页，此课件共38页哦对于均匀电场，对于均匀电场，不随空间位置而变不随空间位置而变 新产生的电子数和正离子数为新产生的电子数和正离子数为 第30页，此课件共38页哦（2）系数到达阴极的正离子数到达阴极的正离子数从阴极电离出的电子数从阴极电离出的电子数第31页，此课件共38页哦（3）自持放电条件放电由非自持转入自持的条件为放电由非自持转入

21、自持的条件为 第32页，此课件共38页哦物理意义 n引起碰撞电离的引起碰撞电离的必要条件必要条件 n只只有有那那些些自自由由行行程程超超过过xiUiE的的电电子子，才才能能与与分分子子发发生生碰撞电离碰撞电离 n若电子的平均自由行程为若电子的平均自由行程为，自由行程大于自由行程大于xi的概率为的概率为 第33页，此课件共38页哦在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为在单位长度内，一个电子的平均碰撞次数为 1 其中其中是电离碰撞次数，是电离碰撞次数，气体温度不变时，气体温度不变时，1 Ap第34页，此课件共38页哦代入自持放电的临界条件 及及得得第35页，此课件共38页哦影响击穿电压的因素均匀电场中气体的自持放电的起始电压，等于气隙的击穿电压U0。U0f(Pd)第36页，此课件共38页哦1.2.3 巴申（Paschen）定律 巴申曲线第37页，此课件共38页哦P0101.3（kPa)空气的相对密度空气的相对密度第38页，此课件共38页哦