高电压技术第二章
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第二章习题和解答_高电压技术
第二章习题和解答_高电压技术第二章气体介质的电气强度一、选择题1)SF6气体具有较高绝缘强度的主要原因之一是______。
A．无色无味性B．不燃性C．无腐蚀性D．电负性2)冲击系数是______放电电压与静态放电电压之比。
A．25%B．50%C．75%D．100%3)在高气压下，气隙的击穿电压和电极表面______有很大关系A．粗糙度B．面积C．电场分布D．形状4)雷电流具有冲击波形的特点：______。
A．缓慢上升，平缓下降B．缓慢上升，快速下降C．迅速上升，平缓下降D．迅速上升，快速下降5)在极不均匀电场中，正极性击穿电压比负极性击穿电压______。
A.．小B．大C．相等D．不确定二、填空题6)我国国家标准规定的标准操作冲击波形成______s 。
7)极不均匀电场中，屏障的作用是由于其对______的阻挡作用，造成电场分布的改变。
8)下行的负极性雷通常可分为3个主要阶段：、、。
9)调整电场的方法：______电极曲率半径、改善电极边缘、使电极具有最佳外形三、计算问答题10)保护设备与被保护设备的伏秒特性应如何配合？为什么？11)某1000kV工频试验变压器，套管顶部为球形电极，球心距离四周墙壁均约5m，问球电极直径至少要多大才能保证在标准参考大气条件下，当变压器升压到1000kV额定电压时，球电极不发生电晕放电？12)一些卤族元素化合物（如SF6）具有高电气强度的原因是什么？第二章气体介质的电气强度一、选择题1、D2、B3、A4、C5、A二、填空题6、250/25007、空间电荷8、先导、主放电、余光9、增大三、计算问答题10、保护设备的伏秒特性应始终低于被保护设备的伏秒特性。
这样，当有一过电压作用于两设备时，总是保护设备先击穿，进而限制了过电压幅值，保护了被保护设备11、此球形电极与四周墙壁大致等距离，可按照上述的同心球电极结构来考虑。
变压器的球电极为同心球的内电极，四周墙壁为同心球的外电极。
高电压技术第二章(1)
出气体； 3. 溶解于油中的外来气体； 4. 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离产生气
体； 5. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液体气化
24
气体电介质
电介质 液体电介质
固体电介质 2
1 电介质的极化、电导和损耗 一.电介质的极化(dielectric polarization)
和介电常数 1. 极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负 电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶 极矩）
3
2. 电介质的极化种类
电子式极化
E 0Βιβλιοθήκη E0电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发射或热发 射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致液体击 穿
23
气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气泡，或在电 场作用下因其它原因产生气泡，由气泡内的气体放 电， 产生电和热而引起液体击穿。
液体中气泡产生的原因： 1. 油中易挥发的成分； 2. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解
每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在 外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电 矩等于零，整个介质对外并不表现出极性
电极
电介质
U
出现外电场后偶极子沿
E
电场方向转动，作较有
规则的排列， 因而显出
极性，这种极化称为偶
U
极子极化或转向极化。
6
偶极子极化
E 0
E0
7
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
i3
R3
16
3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象
i
i i1 i2 i3
|| |
充吸 泄
电收 漏
体； 5. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液体气化
24
气体电介质
电介质 液体电介质
固体电介质 2
1 电介质的极化、电导和损耗 一.电介质的极化(dielectric polarization)
和介电常数 1. 极化：在外加电场的作用下，电介质中的正、负 电荷沿电场方向作有限位移或转向，形成电矩（偶 极矩）
3
2. 电介质的极化种类
电子式极化
E 0Βιβλιοθήκη E0电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发射或热发 射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩，最后导致液体击 穿
23
气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气泡，或在电 场作用下因其它原因产生气泡，由气泡内的气体放 电， 产生电和热而引起液体击穿。
液体中气泡产生的原因： 1. 油中易挥发的成分； 2. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解
每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩，但当不存在 外电场时，这些偶极子因热运动而杂乱无序地排列着，宏观电 矩等于零，整个介质对外并不表现出极性
电极
电介质
U
出现外电场后偶极子沿
E
电场方向转动，作较有
规则的排列， 因而显出
极性，这种极化称为偶
U
极子极化或转向极化。
6
偶极子极化
E 0
E0
7
特点：存在于极性电介质中，极化所需时间较长，
i3
R3
16
3. 电介质在直流电压作用下的吸收现象
i
i i1 i2 i3
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充吸 泄
电收 漏
高电压技术第二章-气体放电
当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生出 正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负 离子的情况(又称为：吸附效应[attachment])。 容易吸附电子形成负离子的 气体称为电负性气体，如氧、氯、 氟、水蒸气和六氟化硫气体等。 负离子的形成并未使气体 中带电粒子的数目改变，但却能 使自由电子数减少，因而对气体 放电的发展起抑制作用。
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
高电压技术课件 第二章 气体放电的物理过程
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，形成了负离子
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，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
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。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、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 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
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，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
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，称为电负性气体（如氧、氟、SF6等）
负离子的形成起着阻碍放电的作用
15
5、金属（阴极）的表面电离
阴极发射电子的过程 逸出功 ：金属的微观结构 、金属表面状态
41
4、击穿电压、巴申定律
根据自持放电条件推导击穿电压 ，先推导 的计算式
设电子在均匀电场中行经距离x而未发生碰撞，则此时电子 从电场获得的能量为eEx，电子如要能够引起碰撞电离， 必须满足条件
eEx Wi 或 Ex Ui
只有那些自由行程超过xi＝Ui／E的电子，才能与分子发生
碰撞电离
若电子的平均自由行程为，自由行程大于xi的概率为
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。通常放电过程中离子间的复合更为重要
一定空间内带电质点由于复合而减少的速度决定于其 浓度
21
§2.2 气体放电机理
气体放电的概述 汤逊放电理论 流注放电理论
22
一、气体放电的概述
（一）气体放电的主要形式
根据气体压强、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 管可以观察放电现象的变化
Ub
f
2
pS T
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，电子的扩 散过程比离子的要强得多
20
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相 中和、还原为分子的过程
在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射 在一定条件下又可能成为导致电离的因素
高电压技术复习总结
第2章气体放点的基本物理过程（这章比较重要,要记得知识点很多，要认真看）在第二章标题下面有一句话“与固体和液体相比·········”(1.电离是指电子脱离原子的束缚而形成自由电子、正离子的过程．电离是需要能量的，所需能量称为电离能Wi(用电子伏eV表示,也可用电离电位Ui=Wi/e表示)2。
根据外界给予原子或分子的能量形式的不同，电离方式可分为热电离、光电离、碰撞电离（最重要）和分级电离。
3.阴极表面的电子溢出：（1）正离子撞击阴极：正离子位能大于2倍金属表面逸出功。
（2)光电子发射：用能量大于金属逸出功的光照射阴极板。
光子的能量大于金属逸出功. （3)强场发射：阴极表面场强达到106V/cm（高真空中决定性）(4)热电子发射：阴极高温4。
气体中负离子的形成：电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程而形成负离子，并释放出能量(电子亲合能）。
电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易,越大则越易形成负离子。
负离子的形成使自由电子数减少，因而对放电发展起抑制作用。
SF6气体含F,其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的电气强度。
5.带点质点的消失:（1)带电质点的扩散：带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域的移动，使带电质点浓度变得均匀.电子的热运动速度高、自由行程大,所以其扩散比离子的扩散快得多。
(2)带电质点的复合：带异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递和中和而还原为中性质点的过程，称为复合。
带电质点复合时会以光辐射的形式将电离时获得的能量释放出来,这种光辐射在一定条件下能导致间隙中其他中性原子或分子的电离。
6。
气体间隙中电流与外施电压的关系：第一阶段：电流随外施电压的提高而增大，因为带电质点向电极运动的速度加快复合率减小第二阶段：电流饱和，带电质点全部进入电极，电流仅取决于外电离因素的强弱(良好的绝缘状态）第三阶段：电流开始增大，由于电子碰撞电离引起的电子崩第四阶段自持放电：电流急剧上升放电过程进入了一个新的阶段（击穿)外施电压小于U0时的放电是非自持放电.电压到达U0后，电流剧增,间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素.自持放电7.电子碰撞电离系数α：代表一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数。
2高电压技术第二章
23
电子雪崩的示意图
d
-
-
-
+
24
电子崩的电荷分布
+ + + + + + + + + + +
+
+
+ + +
+
+ + + + + + +
-
-
-------- +
d
25
汤森德理论分析：
新产生的电子参加电离过程
1
e s
If s=10 Then es=2.2×104
26
汤森德理论分析：
碰撞电离系数
初 始 电 子 崩 的 方 向 流 注 发 展 的 方 向 41
流注理论
形成流注的条件:
初崩头部的电荷达到一定的数量，使电场得到足 够的畸变和加强并造成足够的空间光电离。一般认为 当S=20时便可以满足上述条件。
42
不均匀电场中气隙的放电特性
在大多数的电力工程绝缘结构中，电场都是不均匀的。
研究不均匀电场中气体放电的规律
这些光子在附近的气体中导致光电离，在空间产生 二次电子。它们在正空间电荷所畸变和加强了的电场的 作用下，又形成新的电子崩叫二次崩。
初 始 电 子 崩 的 方 向
流 注 发 展 的 方 向 40
流注理论
二次崩头部的电子跑向初崩的正空间负荷，与之汇 合成为充满正负带电粒子的混合通道。这个电离通道称 为流注。 流注导电性能良好，其端部又有二次崩留下的正电 荷，因此大大加强了前方的电场，促使更多的新电子崩 相继产生并与之汇合，从而使流注向前发展（阳到阴）。 到流注通道把两极接通时将导致间隙的完全击穿。
高电压技术-第二章-xueyd
频率提高时，转向跟不上电场变化，极化率减小
有能量损耗
空间电荷极化
电子式、离子式、偶极子式极化的机理：都是由 带电质点的弹性位移或转向形成 空间电荷极化的机理：由带电质点（电子或正负 离子）的位移形成的。 空间电荷极化的过程：
多数绝缘结构中，电介质往往呈层式结构 电场作用下，带电质点位移时，可能被晶格缺陷捕获， 或在两层介质界面上堆积 形成电荷在介质空间的新分布，从而产生电矩。
夹层介质界面极化
一种典型的空间电荷极化 电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大 电荷的堆积是通过介质电导完成的 完成时间很长，几十秒~几分钟。
只有在低频下才有意义
有能量损耗
介电常数（1）
真空中的介电常数
D 0 8.854 *10 12 ( F / m) E
E为场强矢量，V/m D为电位移矢量，即电通量密度矢量，C/m2
被掩盖的气体放电
液体分子间存在“空穴”
油中易挥发的成分（自身蒸气）+溶于油中外来气体+碰撞分解物空穴（气 穴）
油分解和碰撞电离→离子浓度上升→离子电导电流上升→发热→形成 气泡 气泡电场强度大→气泡电离→电导率↑→电场分布畸变→ 气泡电子崩→崩头场强大→电、热作用下使油隙击穿 本质：油中气泡诱发，液体自身很难直接电离击穿
固体介质的表面电导：取决于表面吸附电杂质（水、污染 物等）的能力和分布状态
对应概念：体积电导 有时，表面电导远大于体积电导：表面的杂质膜电导很大
推论：测量泄漏电流和绝缘电阻时，须排除表面电导影响
介质电导在工程上的意义
多层介质中，需注意其绝缘配合，使电场分布合 理
电压的稳态分布与电导成反比 暂态过程与介电常数有关
介质损耗P不适合作为评价介质品 质好坏的标准。
有能量损耗
空间电荷极化
电子式、离子式、偶极子式极化的机理：都是由 带电质点的弹性位移或转向形成 空间电荷极化的机理：由带电质点（电子或正负 离子）的位移形成的。 空间电荷极化的过程：
多数绝缘结构中，电介质往往呈层式结构 电场作用下，带电质点位移时，可能被晶格缺陷捕获， 或在两层介质界面上堆积 形成电荷在介质空间的新分布，从而产生电矩。
夹层介质界面极化
一种典型的空间电荷极化 电荷在夹层界面上的堆积和等值电容增大 电荷的堆积是通过介质电导完成的 完成时间很长，几十秒~几分钟。
只有在低频下才有意义
有能量损耗
介电常数（1）
真空中的介电常数
D 0 8.854 *10 12 ( F / m) E
E为场强矢量，V/m D为电位移矢量，即电通量密度矢量，C/m2
被掩盖的气体放电
液体分子间存在“空穴”
油中易挥发的成分（自身蒸气）+溶于油中外来气体+碰撞分解物空穴（气 穴）
油分解和碰撞电离→离子浓度上升→离子电导电流上升→发热→形成 气泡 气泡电场强度大→气泡电离→电导率↑→电场分布畸变→ 气泡电子崩→崩头场强大→电、热作用下使油隙击穿 本质：油中气泡诱发，液体自身很难直接电离击穿
固体介质的表面电导：取决于表面吸附电杂质（水、污染 物等）的能力和分布状态
对应概念：体积电导 有时，表面电导远大于体积电导：表面的杂质膜电导很大
推论：测量泄漏电流和绝缘电阻时，须排除表面电导影响
介质电导在工程上的意义
多层介质中，需注意其绝缘配合，使电场分布合 理
电压的稳态分布与电导成反比 暂态过程与介电常数有关
介质损耗P不适合作为评价介质品 质好坏的标准。
2.高电压技术第二章讲稿
14
(4). 夹层式极化
夹层式极化：由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质， 叫做夹层电介质。由于各层的介电系数和电导系数不同，在电场 作用下， 各层中的电位，最初按介电系数分布 (即按电容分布)， 以后逐渐过渡到按电导系数分布(即按电阻分布)。
此时，在各层电介质交界面上的电荷必然移动，以适应电位 的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累， 称为夹层介质界面板化。
7
第一节 电介质的极化
二. 极化基本形式
➢ 电子式极化 ➢ 离子式极化 ➢ 偶极式极化 ➢ 空间电荷极化 ➢ 夹层式极化
8
第一节 电介质的极化
电子式极化 电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向 作有限位移。
9
电子式极化
+-
+
-
E=0
电子式极化
E
特点： 一是极化所需要的时间极短，约10－15S； 即它在各种频
24
3.吸收现象
R1
d1 1S
R2
d2 2S
C1
1 0 S d1
C
2
2 0S d2
1, 1, d1 2, 2, d2
R1 U1 R2 U2
C1
U1
U
C2 C1 C2
C2
U2
U
C1 C1 C2
U1 U
R1 R1 R2
U2
U
R2 R1 R2
25
3.吸收现象
i U
U
t
eT
Rr
r RC
C
R R1 R2
r
R1R 2 R1
R 2 C 1
C
2
2
R 1C
1
R 2C
(4). 夹层式极化
夹层式极化：由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质， 叫做夹层电介质。由于各层的介电系数和电导系数不同，在电场 作用下， 各层中的电位，最初按介电系数分布 (即按电容分布)， 以后逐渐过渡到按电导系数分布(即按电阻分布)。
此时，在各层电介质交界面上的电荷必然移动，以适应电位 的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累， 称为夹层介质界面板化。
7
第一节 电介质的极化
二. 极化基本形式
➢ 电子式极化 ➢ 离子式极化 ➢ 偶极式极化 ➢ 空间电荷极化 ➢ 夹层式极化
8
第一节 电介质的极化
电子式极化 电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向 作有限位移。
9
电子式极化
+-
+
-
E=0
电子式极化
E
特点： 一是极化所需要的时间极短，约10－15S； 即它在各种频
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3.吸收现象
R1
d1 1S
R2
d2 2S
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1 0 S d1
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1, 1, d1 2, 2, d2
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3.吸收现象
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1.带电质点电场作用下流入电极并中 和电量
带电质点产生以后，在外电场作用下将作 定向运动，形成电流： 带电质点在一定的电场强度下运动达到某 种稳定状态，保持平均速度，即上述的带 电质点的驱引速度
电子迁移率比离子迁移率大两个数量级
2、带电质点的扩散
带电质点的扩散是由于热运动造成，带电质点 的扩散规律和气体的扩散规律相似 气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体 压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 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，电子的扩散过程比离子的要强得多
刷状放电
电极间距较大、电场极不均匀情况下，如电压 继续升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细 线状光束，称为刷状放电 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或 电弧放电，最后整个间隙被击穿 电场稍不均匀则可能不出现刷状放电，而由电 晕放电直接转入击穿
2、汤森德气体放电理论
������ 汤森德（Townsend）放电理论 ������ 流注（Streamer）放电理论 这两种理论互相补充，可以说明广阔的δ⋅S （δ为气体的相对密度，以标准大气条件下 的大气密度为基准；S为气隙距离）范围内 气体放电的现象
4、负离子的形成
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，形成了负离子 形成负离子时可释放出能量 有些气体容易形成负离子，称为电负性气体 （如氧、氟、氯等），SF6在工业上有典型应用 负离子的形成起着阻碍放电的作用
5、金属（阴极）的表面电离
金属阴极表面发射电子 逸出功：与金属的微观结构、表面状态有 关 金属的逸出功一般比气体的电离能小得多， 在气体放电中起重要作用 金属表面电离所需能量获得的方式 正离子碰撞阴极（二次发射）
质点的平均自由行程
气体中电子和离子的自由行程是它们和气体分 子发生碰撞时的行程 电子的平均自由行程要比分子和离子的自由行 程大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程 越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体 的密度成正比，空气中电子λe=10-5 cm λ ∝ T/p
质点的平均自子碰撞阴极时把能量（主要是势能） 传递给金属中的电子，使其逸出金属 正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产 生自由电子 正离子与电子复合时发出的势能起作用 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
第一节 气体中带电质点的产生和消失
������ 气体中带电质点的消失 （一）带电质点电场作用下流入电极并中和 电量 （二）带电质点的扩散 （三）带电质点的复合
电介质的极化
一． 二． 三．
四．
电子位移极化 离子位移极化 转向极化 空间电荷计划
电介质的极化特点
电子位移极化 时间短 ，不引起能量损耗 ，在所有的电介质内都存在 与温度无关 离子位移极化 时间较短，有极微量的能量损耗，在离子结合成的介质 内，温度升高极化率增大 转向极化 时间较长，伴有能量损耗，在极性电介质，受温度影响 空间电荷极化 时间缓慢，伴随能量损耗，带电质点（电子或正、负离 子）的在层式结构的电介质中移动形成
1、气体放电的主要形式
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。利用放电管可以观察放电现象的 变化
������ ������ ������ ������ 辉光放电 电弧放电 火花放电 电晕放电 刷状放电
辉光放电
当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中 串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后， 回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极 间整个空间忽然出现发光现象 特点是放电电流密度较小，放电区域通常占据 了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉 光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色 也不同
火花放电
在较高气压（例如大气压力）下，击穿后总是 形成收细的发光放电通道，而不再扩散于间隙 中的整个空间。当外回路中阻抗很大，限制了 放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明 亮细火花 火花放电的特征是具有收细的通道形式，并且 放电过程不稳定
电弧放电
减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流 增大到一定值后，放电通道收细，且越来 越明亮，管端电压则更加降低，说明通道 的电导越来越大 电弧通道和电极的温度都很高，电流密度 极大，电路具有短路的特征
3、带电质点的复合
正离子和负离子或电子相遇，发生电荷的传递 而互相中和、还原为分子的过程 在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种 光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素 参与复合的质点的相对速度愈大，复合概率愈 小。通常放电过程中离子间的复合更为重要 带电质点浓度越大，复合速度越大，强烈的电 离区也是强烈的复合区
电子迁移率比离子迁移率大两个数量级
2、带电质点的扩散
带电质点的扩散是由于热运动造成，带电质点 的扩散规律和气体的扩散规律相似 气体中带电质点的扩散和气体状态有关，气体 压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱 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，电子的扩散过程比离子的要强得多
2、光电离
光辐射引起的气体分子的电离过程称为光 电离 自然界、人为照射、气体放电过程。 光子能量满足下面条件，将引起光电离， 分解成电子（光电子）和正离子
光辐射能够引起光电离的临界波长（即最 大波长）：
2、光电离
铯蒸汽的电离电位最小（3.88V），产生直 接光电离的波长应小于318 nm（紫外） 对所有气体来说，在可见光（400∼750nm） 的作用下，一般是不能发生直接光电离的 分级电离（先激励，再电离） 光电离在气体放电中起重要作用 反激励、复合释放具有一定能量的光子(具有 较大的初始速度)
自持放电
非自持放电和自持放电
由非持放电转入自持放电的电场强称为临界场 强( Ecr )，相应的电压称为临界电压( Ucr ) 如电场比较均匀，则间隙将被击穿，此后根据 气压、外回路阻抗等条件形成辉光放电、火花 放电或电弧放电，而间隙的击穿电压Ub也就 是形成自持放电的临界电压Ucr 如电场极不均匀，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，这时临界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
在外界因素作用下，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 电离过程所需要的能量称为电离能Wi (ev)， 也可用电离电位Ui（v） 分级电离 通过亚稳激励态
质点的平均自由行程
自由行程 一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的行 程 平均自由行程（λ） 自由行程具有统计性，λ 定义为质点自由行程的平均值
第二节 气体放电机理
气体放电的主要形式 非自持放电和自持放电 汤森德气体放电理论 流注放电理论
第二节气体放电机理
1、气体放电的主要形式
外电离因数：宇宙线、地面上的放射性辐射、 太阳光中的紫外线等 1cm3 气体介质中每秒产生一对离子，达到平 衡状态，离子浓度约为500~1000对/cm3
第二章 气体放电的物理过程
气体放电
研究在电场作用下，气体间隙中带电粒子 的形成和运动过程 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 气隙中导电通道形成后是如何维持持续放 电的
主要内容
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气体中带电质点的产生和消失 气体放电机理 电晕放电 不均匀电场中气体击穿的发展过程 雷电放电
名词解释
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激励 电离 电子平均自由行程 复合 电子崩
原子激励
原子能级以电子伏为单位 1eV＝1V×1. 6×10-19C＝1.6×10-19J 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 ，原子处于激励态 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υ ，h 普朗克常数
非自持放电
外施电压小于U0 时，间 隙电流远小于微安级，此 阶段气体绝缘性能完好 电流要依靠外电离因素来 维持。如果取消外电离因 素，那么电流也将消失 U0 以前的放电形式称为
非自持放电
自持放电
当电压达到U0后，气体 中发生了强烈的电离，电 产生电子崩，电流剧增 气体中电离过程只靠电场 作用可自行维持，不再需 要外电离因素了 U0 以后的放电形式称为
We= υ h
原子激励
原子处于激励态的平均寿命只有10-7~10-8 秒 ������ 激励电位：Ue = We / e 几种气体和金属蒸汽的第一激励电位 N：6.3 V，N2 ：6.1 V O：9.1V,，O2：没有 原子具有亚稳激励态，其寿命长10-4~10-2 秒
原子电离
3、热电离
因气体热状态引起的电离过程称为热电离
分子的热运动所固有的动能不足以产生碰撞 电离20oC时，气体分子平均动能约0.038eV。 热电离起始温度为103K 在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光 子能量大，会引起光电离
3、热电离
热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的 综合 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，高温下高能热辐射光子也能造成气体的 电离
光电效应 金属表面受到短波光的照射。同样的光辐射引 起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多 强场放射（冷放射） 当阴极附近所加外电场足够强时，可使阴极发射 出电子。场强在106V/cm左右，一般气体击穿 场强远低于此值此情况会出现在高气压间隙和高 真空间隙放电中 热电子放射 当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得 巨大动能，逸出金属表面 对于某些电弧放电的过程有重要的意义