第2讲 荷子汤逊巴申理论

1、高电压工程系高电压工程系何正浩何正浩 1362869926362025693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21.1 气体中带电粒子的产生和消失3n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

2、成和运动过程n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？n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？n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？ 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 4hW 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过程 电离过程所需要

3、的能量电离能Wi（10-15 eV），也可用电离电位Ui（V） 51.1.1 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6（一）碰撞电离 n气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分气体放电中，碰撞电离主要是由电子和气体分子碰撞而引起的子碰撞而引起的 n在电场作用下，电子被加速而获得动能。当电在电场作用

4、下，电子被加速而获得动能。当电子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离子的动能满足如下条件时，将引起碰掩电离 n碰撞电离的形成与碰撞电离的形成与电场强度电场强度和和平均自由行程平均自由行程的的大小有关大小有关iWmEq22178粒子的平均自由行程粒子的平均自由行程 ：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通：一个粒子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程过的平均行程电子在其自由行程内从外电场获得动能电子在其自由行程内从外电场获得动能 ，能量除决定，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关于电场强度外，还和其自由行程有关 pT9n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

5、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n自由行程的分布：自由行程的分布： 具有统计性的规律。粒子的自具有统计性的规律。粒子的自由行程大于由行程大于x的概率为的概率为 如果起始有如果起始有n0个粒子（或一个粒子的相继个粒子（或一个粒子的相继n0次碰次碰撞），则其中行过距离撞），则其中行过距离x后，尚未被碰撞的粒子数后，尚未被碰撞的粒子数（或次数）（或次数）n(x)应为应为 10 xexf)(xenxn0)(（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过程称为光电离 它存在于自然界它存在于自然界、人为照射、人为照射、

6、气体放电气体放电过程中过程中n当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条当气体分子受到光辐射作用时，如光子能量满足下面条件，将引起光电离，分解成电子和正离子件，将引起光电离，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对所有气体来说，在可见光（对所有气体来说，在可见光（400 750nm）的作用下，）的作用下，一般是不能直接发生光电离的一般是不能直接发生光电离的 11iWhnm 12290iiUqUhc(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（碰撞电离热电离（碰撞电离与光电离的综合）与

7、光电离的综合） 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度，气体分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 12KTWm23（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） ：与金属的微观结构：与金属的微观结构 、金属表面、金属

8、表面状态有关状态有关 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，其余的成为自由电子。因此正离子必须碰撞出原子，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子一个以上电子时才能出现自由电子13表面电离的形式 （2）光电效应）光电效应 金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功金属表面受到光的照射，当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子时，

9、金属表面放射出电子 （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，使阴极放射出电当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子子 （4）热电子放射）热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属动能，逸出金属141.1.2 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 （中和，空间或器壁）（四）附着效应（四）附着效应15（一）（一） 电场作用下气体

10、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，形定向运动，形成电流成电流 n在气体放电空间在气体放电空间 ，带电粒子在一定的电场强度下运动达，带电粒子在一定的电场强度下运动达到某种稳定状态到某种稳定状态 ，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电子迁移率比离子迁移率大得多电子迁移率比离子迁移率大得多，即使在很弱的电场中，即使在很弱的电场中，电子迁移率也随场强而变电子迁移率也随场强而变 dqnvj 16bEvd（二）带电粒子的扩散（二）带电粒子的扩

11、散 n带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动带电粒子的扩散和气体分子的扩散一样，都是由于热运动造成，造成，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气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱者温度越低，扩散过程也就越弱n电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很高，它在热运动中受到的碰撞也较少，因此，在热运动中受到的碰撞也较少，因此，电子的扩散过程比电子的扩散过程比离子的要强得多离子的要强得多.1

12、7（三）带电粒子的复合（三）带电粒子的复合 n正离子和负离子或电子相遇，发生正离子和负离子或电子相遇，发生电荷电荷的传递而互相的传递而互相中和中和、还原为分子的过程还原为分子的过程n在带电粒子的复合过程中会发生在带电粒子的复合过程中会发生光辐射光辐射，这种光辐射在一，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致电离的因素定条件下又可能成为导致电离的因素 n正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大正、负离子间的复合概率要比离子和电子间的复合概率大得多得多。通常放电过程中离子间的复合更为重要。通常放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

13、子由于复合而减少的速度决定于其浓度 18n有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反有时电子和气体分子碰撞非但没有电离出新电子，反而是碰撞电子附着分子，而是碰撞电子附着分子，形成了负离子形成了负离子 n有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易有些气体形成负离子时可释放出能量。这类气体容易形成负离子，称为形成负离子，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19（四）附着效应（四）附着效应负离子的形成负离子的形成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

14、形式 根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化可以观察放电现象的变化 20n辉光放电辉光放电n电弧放电电弧放电n火花放电火花放电n电晕放电电晕放电n刷状放电刷状放电1.2.1 非自持放电和自持放电非自持放电和自持放电21 非自持放电外施电压小于外施电压小于Ub时，间隙内时，间隙内虽有电流，但其数值甚小，虽有电流，但其数值甚小，通常远小于微安级，因此气通常远小于微安级，因此气体本身的绝缘性能尚未被体本身的绝缘性能尚未被破破坏，即间隙还未

15、被击穿。而坏，即间隙还未被击穿。而且这时电流要依靠外电离因且这时电流要依靠外电离因素来维持。如果取消外电离素来维持。如果取消外电离因家，那么电流也将消失（因家，那么电流也将消失（b后出现碰撞电离）后出现碰撞电离）22自持放电n当电压达到当电压达到Uc后，气体后，气体中发生了强烈的电离，中发生了强烈的电离，电流剧增。同时气体中电流剧增。同时气体中电离过程只靠电场的作电离过程只靠电场的作用已可自行维持，而不用已可自行维持，而不再继续需要外电离因素再继续需要外电离因素了。因此了。因此Uc以后的放电以后的放电形式也称为自持放电形式也称为自持放电 23n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

16、放电的电压称为起始电压起始电压Ucn如如电场比较均匀电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据，则间隙将被击穿，此后根据气压、气压、外回路阻抗外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花放电或电弧等条件形成辉光放电、火花放电或电弧放电，而起始电压放电，而起始电压Uc也就是间隙的击穿电压也就是间隙的击穿电压UB。n如如电场极不均匀电场极不均匀，则当放电由非自持转入自持时，则当放电由非自持转入自持时，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，在大曲率电极表面电场集中的区域发生电晕放电，这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压这时起始电压是间隙的电晕起始电压，而击穿电压可能比起始电压高很多可能比起始电压高很

17、多24 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 25n汤逊理论认为，当汤逊理论认为，当均匀电场、低气压、短间隙均匀电场、低气压、短间隙（pd较小）条件下，电子的碰撞电离和正离子较小）条件下，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离起主要作用，气隙的撞击阴极造成的表面电离起主要作用，气隙的击穿电压大体上是击穿电压大体上是pd的函数的函数26（1）电子崩的形成 （ 过程 ）27 UUb后，一个起

18、始电后，一个起始电子自电场获得一定动能子自电场获得一定动能后，会碰撞电离出一个后，会碰撞电离出一个第二代电子；这两个电第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子子作为新的第一代电子，又将电离出新的第二，又将电离出新的第二代电子，这时空间已存代电子，这时空间已存在四个自由电子；这样在四个自由电子；这样一代一代不断增加的过一代一代不断增加的过程程形成形成电子崩电子崩 u 系数系数一个一个电子电子沿着电场方向行经单位长度后，沿着电场方向行经单位长度后，平均发生的碰撞电离次数平均发生的碰撞电离次数（形成电子崩） 如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子，如设每次碰撞电离只产生一个电子和一个正离子， 即

19、即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数数或正离子数 u系数系数一个一个正离子正离子沿着电场方向行经单位长度后沿着电场方向行经单位长度后平均发生的碰撞电离次数平均发生的碰撞电离次数 （离子崩）可以忽略u系数系数碰撞碰撞阴极表面阴极表面的正离子，使阴极金属表面平的正离子，使阴极金属表面平均释放出的自由电子数均释放出的自由电子数 （阴极发射电子）28 系数系数处dx 29设：从阴极发出一个电子，经多次设：从阴极发出一个电子，经多次碰撞电离，在经过距离阴极碰撞电离，在经过距离阴极x后，产后，产生生n个电子个电子 这这n个电子行过个电子行过dx之后

20、，又会产生之后，又会产生dn个新的电子个新的电子 dxndnddxn0exp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 30den1de（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311den) 1(de（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自持的条件为 3211 de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只有那些自由行程超过只有那些自由行程超过xiUiE的电子，才能与分子的电子，才能与分子发生碰撞电离发生碰撞电离 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 33iiUExWEqx 或/ ixe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 Ap34/1ixeAPqEWqEWxiiiAPeee111qAWBPEfAeAeAePiEBPqEA