新电器学原理 教学课件 曹云东 04气体放电的物理基础2
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气体放电基础分解PPT学习教案
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气体放电物理基础
核辐射引起的电离： （1）射线、质子和氘核
它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生 的第一类非弹性碰撞。
（2）射线
它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一 类非弹性碰撞。
（3）射线
射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电 离，主要产生康普顿效应。
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气体放电物理基础
带电粒子的热运动 （1）带电粒子的速度分布与平均动能 麦克斯韦分布：
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气体放电物理基础
三种统计速度：
最可几速度
p
2kT m
平均速度
8kT
m
1.13 p
方均根速度
s
2
3kT
m
1.22p
带电粒子的平均动能：
1 2
mese 2
1 2
M isi 2
2．带电粒子的复合 • 电子和正离子间的复合
假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前
，电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子
速度为u。中性原子的质量则为m＋M。eUi为其电离
能。
m v (m M )u
根据动量守恒有
根据动量守恒有
1 2
mv 2
eU i
1 2
(m
M )u2
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气体放电物理基础
气体放电物理基础
带电粒子的双极性扩散运动
带电粒子的浓度分布随时间的变化
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气体放电物理基础
气体放电的伏安特性
Va(V)
非自持放电 汤生
放电
1000
自持 暗放电
800
Vf 600
气体放电物理基础
核辐射引起的电离： （1）射线、质子和氘核
它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生 的第一类非弹性碰撞。
（2）射线
它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一 类非弹性碰撞。
（3）射线
射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电 离，主要产生康普顿效应。
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气体放电物理基础
带电粒子的热运动 （1）带电粒子的速度分布与平均动能 麦克斯韦分布：
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气体放电物理基础
三种统计速度：
最可几速度
p
2kT m
平均速度
8kT
m
1.13 p
方均根速度
s
2
3kT
m
1.22p
带电粒子的平均动能：
1 2
mese 2
1 2
M isi 2
2．带电粒子的复合 • 电子和正离子间的复合
假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前
，电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子
速度为u。中性原子的质量则为m＋M。eUi为其电离
能。
m v (m M )u
根据动量守恒有
根据动量守恒有
1 2
mv 2
eU i
1 2
(m
M )u2
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气体放电物理基础
气体放电物理基础
带电粒子的双极性扩散运动
带电粒子的浓度分布随时间的变化
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气体放电物理基础
气体放电的伏安特性
Va(V)
非自持放电 汤生
放电
1000
自持 暗放电
800
Vf 600
气体放电的物理基础.ppt
2、电离 (1) 定义：如果外界加到原子上的能量足够大，使其电子得以跳出原子核 吸引力的作用范围而自由活动，而原来的中性原子或分子（中性粒子）变成 一带有正电荷的离子——正离子。 (2) 电离能：电离出一个自由电子所需的能量，叫做电离能Wi，为一个电 子的电量与一电位差的乘积，即
Wi eVi
e — 电子的电量, e＝1.6×10-19C； Vi — 电离电位。
4
§3.1气体放电的物理基础
3) 介稳状态（亚稳状态）: 在该状态下，已经跳到较外层轨道上的电子不能很快地返回原来的正常
轨道。 常常必须再由外界加进能量，使已处于较外层轨道上的电子跳到更外层
轨道上去，然后才能跳回正常轨道；或在第二次外界能量的作用下发生电离。 中性粒子处于介稳状态的时间可达10-4～10-2s甚至更长，因而它在中性粒
负离子，而氟原子及其化合物的分子对电子的亲合作用特别强。
氟原子及其化合物
负电性气体
18
§3.1气体放电的物理基础
复合的过程总是伴随着能量的释放。 表面复合下，释放出的能量多用以加热电极、金属或绝缘构的表 面； 空间复合下，释放出的能量常以光的形式向周围空间辐射，或者 一部分用以增加形成的中性粒子的速度。
2、扩散 电离气体中的带电粒子，由于热运动从浓度较高的区域向浓度较
低的周围气体中移动的现象。 扩散使电极间电离气体中带电粒子减少，从而其电离度下降。
等离子体：电离气体中正负带电粒子数相等。
19
20
2
§3.1气体放电的物理基础
一些气体和金属蒸汽的电离能和激励能
元素 碳C 氧H 氢O 氮N 氟F 铝 Al 银 Ag 铜 Cu 铁 Fe 钨W
电离能/eV 11.3 (24.4, 48, 65) 13.5(35, 55, 77) 13.54 14.55 (29.5, 47, 73) 17.4 (35, 63, 87, 114) 5.98 7.57 7.72 7.9 7.98
气体放电的物理过程PPT课件
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bpd
deUb
ln(1
1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
Ub f1pd
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电 极13 间距离的乘积pd的函数
• 实验求得均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系
325V
Umin不是出 现在常压 下，而是 出现在低 气压，即 空气相对 密度很小 的情况下。
23
1—主电子崩 2—二次电子崩
3—流注
23
（2） 流注阶段
二次电子崩中的电子进入主电子崩头 部的正空间电荷区（电场强度较小）， 大多形成负离子。大量的正、负带电 质点构成了等离子体，这就是正流注
流注通道导电性良好，其头部又是二 次电子崩形成的正电荷，因此流注头 部前方出现了很强的电场
流注头部的电离放射出大量光子，继 续引起空间光电离。流注前方出现新 的二次电子崩，它们被吸引向流注头 部，延长了流注通道
E 电场大大削弱，有助于发
生复合过程，发射出光子 ex 这些光子将导致空间光电离
0
22
E ex
合成电场
dx
光电离的作用：二次电子崩
当电子崩走完整个间 隙后，大密度的头部 空间电荷大大加强了 后部的电场，并向周 围放射出大量光子
光子引起空间光电离， 在受到畸变而加强了 的电场中，造成了新 的电子崩，称为二次 电子崩
a 阴极表面二次发射 正离子 电子崩（ 过程）
（ 过程）
当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所 示7 的循环不息的状态，放电就能自己维持下去
• 总结： 1. 将电子崩和阴极上的γ过程作为气体自持放电
高电压技术-第02章-气体放电的物理过程PPT课件
-
5
③ 光电离：
概念：光子给予气体质点足够的能量，使气体质点发生 的电离。
条件：光子能量不小于气体的电离能。
光电子：由光电离产生的自由电子。
光的来源：
➢ 外界自然光（紫外射线、伦琴射线、 射线、宇宙射 线等高能射线）
➢ 气体本身的反激励或复合释放出的光子。
紫外射线一般不能直接导致光电离，但通过分级光
升了通道的温度，导致热电离； ➢ 整个流注通道转化为火花通道，气隙的击穿完成。
⑤ 负流注的发展速度比正流注慢。
⑥ 概念： 由初崩辐射出的光子，在崩头、崩尾外围空间局部
强场中衍生出二次电子崩并汇合到主崩通道中来，使主 崩通道不断高速向前、后延伸的过程称为流注。
-
22
⑦ 均匀电场形成流注就能自持发展，直至击穿。
电晕层：这个晕光层叫作电晕层或起晕层。
外围区间：电晕层外，场强已较弱，不发生撞击电离。
-
24
电晕产生条件：极间距离对起晕电极表面最小曲率半径 的比值大于一定值。
电晕特性：
➢ 电晕放电是极不均匀电场中的一种自持放电形式； ➢ 电晕放电不能扩展很大，只能局限于电极附近； ➢ 电晕放电有明显的极性效应。
电子能量越大。 激励：电子从近轨道向远轨道跃迁时，需要一定能量，
这个过程叫激励。
-
2
激励能：激励所需能量叫激励能 W
，其值等于两轨道能
e
级之差。
电离：当外界给予的能量很大时，电子可以跳出原子轨 道成为自由电子。原来的中性原子变成一个自由 电子和一个带正电荷的离子，这个过程叫电离。
电离能：达到电离所需的最小能量称为电离能 W i 。 反激励：电子从远轨道向近轨道跃迁时，原子发射单色
气体放电灯PPT课件
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3、负离子形成的方式
a) e A A hv
中性原子俘获电子
辐射吸附
b) e+A+B A B
三体碰撞，A吸附形成负离子，电子多余能量转为B的动能。 c) e+xy (xy)* x y
分子分解吸附，形成的激发态负离子不稳定分解。
d) e+xy x y e
分子碰撞后产生离子对
因为dx范围内产生的电子数为： dne = neαdx ie eneVde
所以ne = ne0eax
ie（x）=ioead
或ne（d）=neoead
指数式增长，称为雪崩。
当ne0 （剩余电离源产生）= 0时， ne = 0，即 非自持。
第34页/共87页
c）自持放电T2区（有三种理论）
（1）正离子碰撞引起电离（早期理论） ( 0, 0,ri 0)
e
B (A* hv)
A+ + B +
= A* +
（是电子复合的主要过程，特别在高气压放电条件下容易发生。）
2、正离子——负离子的复合
x+ + y- → xy + hv （复合辐射）
x+ + y- → x + y
（电荷交换）
x+ + y- + z → xy +第z26页/共87页（三体复合）
六、负离子的形成
A+ + e （光电离）
A* + hv
A + 2hv (光致发射)
第5页/共87页
4) 其他非弹性碰撞
（位能
位能）
A + B*
A* + B ( 激发转移)
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
电器学原理教学课件曹云东01概论
HOME
§1-1 电器的定义和分类
2. 电器的分类
1）按工作职能分: 手动、自动、起动调速、 稳压与调压、 测量放大与变换、 牵引与传动;
2）按结构工艺和生产部门分: 高压、 低压、自动电磁元件、 成套电器与自动化装置;
3）按元件与使用系统的关系分： 电力网系统用、 电力拖动系统用、 自动化通讯用；
主触头装配于密封的 SF6 灭弧室内部。
HOME
15
§1-3 典型电器结构及工作原理
6. 隔离开关
结构特点： 通常无专门设置的灭 弧系统；
在分闸位置时有明显 可见的断口。
HOME
16
§ 1-4 电器学涉及的主要理论
1. 电器发热理论 2. 电器电动力理论 3. 电弧理论； 4. 电接触理论； 5. 电磁机构理论。
y
y1
x
y
继电器
y0
0
xf xd
x
注意：输出状态改变时其动作值xd大于其返回值xf！
HOME
§1-3 典型电器结构及工作原理
(2) 返回系数 （恢复系数） 继电器输入返回值xf与动作值xd之比。
K
x f
fx
d
返回系数的大小反映了继电器继电特性的明显程度。
电磁式继电器的返回系数通常小于1。
HOME
§1-3 典型电器结构及工作原理
激磁线圈： 交流或直流。
HOME
11
§1-3 典型电器结构及工作原理
（2）交流接触器 主触头： 用于通断交流电路。 激磁线圈： 交流或直流。
HOME 12
§1-3 典型电器结构及工作原理
3. 真空接触器
结构特点： 采用电磁（或永磁）操动机构； 装配真空灭弧室，采用真空作 为灭弧及绝缘介质；
§1-1 电器的定义和分类
2. 电器的分类
1）按工作职能分: 手动、自动、起动调速、 稳压与调压、 测量放大与变换、 牵引与传动;
2）按结构工艺和生产部门分: 高压、 低压、自动电磁元件、 成套电器与自动化装置;
3）按元件与使用系统的关系分： 电力网系统用、 电力拖动系统用、 自动化通讯用；
主触头装配于密封的 SF6 灭弧室内部。
HOME
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§1-3 典型电器结构及工作原理
6. 隔离开关
结构特点： 通常无专门设置的灭 弧系统；
在分闸位置时有明显 可见的断口。
HOME
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§ 1-4 电器学涉及的主要理论
1. 电器发热理论 2. 电器电动力理论 3. 电弧理论； 4. 电接触理论； 5. 电磁机构理论。
y
y1
x
y
继电器
y0
0
xf xd
x
注意：输出状态改变时其动作值xd大于其返回值xf！
HOME
§1-3 典型电器结构及工作原理
(2) 返回系数 （恢复系数） 继电器输入返回值xf与动作值xd之比。
K
x f
fx
d
返回系数的大小反映了继电器继电特性的明显程度。
电磁式继电器的返回系数通常小于1。
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§1-3 典型电器结构及工作原理
激磁线圈： 交流或直流。
HOME
11
§1-3 典型电器结构及工作原理
（2）交流接触器 主触头： 用于通断交流电路。 激磁线圈： 交流或直流。
HOME 12
§1-3 典型电器结构及工作原理
3. 真空接触器
结构特点： 采用电磁（或永磁）操动机构； 装配真空灭弧室，采用真空作 为灭弧及绝缘介质；
04气体放电的物理基础2
6
§3.1 气体放电的物理基础
一个电子沿电场运动时， 一个电子沿电场运动时，行径单位距离由于电场电离而产生 的带电粒子对数（一个电子和一个正离子为一对） 为 的带电粒子对数（一个电子和一个正离子为一对）α为:
0 A0 p − TE α= e T
B p
α—空间电离系数，又称汤逊第一系数。 空间电离系数，又称汤逊第一系数。 空间电离系数
表面电离系数（汤逊第二系数）γ： 表面电离系数 一个正离子使阴极由于二次发射而产生的电子数。 均匀电场产生气体间隙击穿的条件为： 均匀电场产生气体间隙击穿的条件
γN + = γN 0 (eαd − 1) = N 0
γ (eαd − 1) = 1
对于均匀电场的间隙可得击穿电压Ujc为： B0 pl U jc = A0 pl T ln 1 T ln1 + γ
5
§3.1 气体放电的物理基础
五、气体间隙的击穿理论 汤逊气体放电理论 流注理论 1、汤逊气体放电理论 按照汤逊气体放电理论，假定： 按照汤逊气体放电理论，假定： 当电子的动能小于气体粒子的电离能时， (1) 当电子的动能小于气体粒子的电离能时，两者碰撞后不发 生电离，反之，则一定电离； 生电离，反之，则一定电离； 电子和气体粒子碰撞时，放出全部动能， (2) 电子和气体粒子碰撞时，放出全部动能，然后再从零速开 始下一次行程； 始下一次行程； 电子沿电场方向运动，不考虑其实际轨迹为“ (3) 电子沿电场方向运动，不考虑其实际轨迹为“Z”字形的 特征。 特征。
dN —由于复合作用带电粒子数随时间的变化率； 由于复合作用带电粒子数随时间的变化率； 由于复合作用带电粒子数随时间的变化率 dt f dN —由于扩散作用带电粒子数随时间的变化率。 由于扩散作用带电粒子数随时间的变化率。 由于扩散作用带电粒子数随时间的变化率 dt q
第一章-气体放电的基本物理过程PPT课件
质点的平均自由行程
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
-
5
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
反映了带电质点自由运动的能力
-
6
1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
-
61
1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
-
62
1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
-
32
1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
-
33
1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
-
34
1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
-
69
1.5.1 电晕放电
：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞 次数的倒数 。
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1.1.1 带电粒子在气体中的运动
质点的平均自由行程
的性质
λ∝ T P
受温度和气压影响
电子的要比分子和离子的大得多
反映了带电质点自由运动的能力
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1.1.1 带电粒子在气体中的运动
带电质点的迁移率
正离子
负极
电子
E
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1.5 电晕放电和沿面放电
1.5.1 电晕放电
1.概念 2.物理过程和效应 3.直流输电线上的电晕 4.交流输电线上的电晕 5.输电线路电晕的抑制方法 6.电晕的应用
1.5.2 沿面放电
1.概念
2.类型及特点
3.放电电压提高方法
4.湿闪现象
5.污闪放电
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1.5.1 电晕放电
1、电晕放电的概念
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1.2 汤逊理论
1.2.4.汤逊理论
汤逊的理论推导
击穿电压U表示为：
U
Bpd
f ( pd )
ln
Apd ln(1 1 )
汤逊理论的适用条件： 均匀电场 pd 26.66kPacm
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1.2 汤逊理论
汤逊理论的不足：
放电时间较长 放电特征呈丝状
阴极的作用
无法解释长间隙放电的物理现象
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1.3 流注放电
2、电晕放电的物理过程和效应 效应：
2)、电风的作用
电子和离子高速运动 与气体交换能量 形成电风
空气对电风的反作用 使电晕电极舞动
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1.5.1 电晕放电
《气体放电器》课件
《气体放电器》ppt课件
CONTENTS
• 气体放电器的概述 • 气体放电器的种类 • 气体放电器的特性 • 气体放电器的优缺点 • 气体放电器的未来发展
01
气体放电器的概述
气体放电器的定义
总结词：基本概念
详细描述：气体放电器是一种利用气体放电现象的装置，通常包含两个电极之间 的高压电场，使气体介质中的自由电子获得足够的能量，从而引发气体放电。
寿命
气体放电管的寿命取决于工作气体的化学性质、 工作条件以及生产工艺等因素。
气体放电器的物理特性
热特性
气体放电管在工作过程中会产 生热量，其热特性包括热传导
、热对流和热辐射等。
光学特性
在某些情况下，气体放电会产 生可见的光辐射，其光谱、亮 度等特性与放电条件和工作气 体有关。
机械特性
气体放电管的结构设计应能承 受一定的机械应力，如压力、 振动等。
气体放电器的原理
总结词：工作机制
详细描述：气体放电器的原理基于气体放电现象。在高压电场的作用下，气体中的自由电子获得足够 的能量，与气体分子碰撞，产生更多的电子和离子，形成电流。这个过程需要特定的气体介质和电压 条件。
气体放电器的应用领域
总结词：应用范围
详细描述：气体放电器在许多领域都有广泛的应用，如高能物理实验、激光技术、等离子体技术、电弧焊接、气体照明等。 它们在各种应用中发挥着重要的作用，如产生等离子体、产生高能粒子等。
价格较高
由于气体放电管的结构和生产工艺较 为复杂，因此其价格相对较高。
不适合频繁使用
由于其工作原理是基于气体放电，因 此不适用于需要频繁触发保护的场合 。
05
气体放电器的未来发展
气体放电器的技术改进方向
CONTENTS
• 气体放电器的概述 • 气体放电器的种类 • 气体放电器的特性 • 气体放电器的优缺点 • 气体放电器的未来发展
01
气体放电器的概述
气体放电器的定义
总结词：基本概念
详细描述：气体放电器是一种利用气体放电现象的装置，通常包含两个电极之间 的高压电场，使气体介质中的自由电子获得足够的能量，从而引发气体放电。
寿命
气体放电管的寿命取决于工作气体的化学性质、 工作条件以及生产工艺等因素。
气体放电器的物理特性
热特性
气体放电管在工作过程中会产 生热量，其热特性包括热传导
、热对流和热辐射等。
光学特性
在某些情况下，气体放电会产 生可见的光辐射，其光谱、亮 度等特性与放电条件和工作气 体有关。
机械特性
气体放电管的结构设计应能承 受一定的机械应力，如压力、 振动等。
气体放电器的原理
总结词：工作机制
详细描述：气体放电器的原理基于气体放电现象。在高压电场的作用下，气体中的自由电子获得足够 的能量，与气体分子碰撞，产生更多的电子和离子，形成电流。这个过程需要特定的气体介质和电压 条件。
气体放电器的应用领域
总结词：应用范围
详细描述：气体放电器在许多领域都有广泛的应用，如高能物理实验、激光技术、等离子体技术、电弧焊接、气体照明等。 它们在各种应用中发挥着重要的作用，如产生等离子体、产生高能粒子等。
价格较高
由于气体放电管的结构和生产工艺较 为复杂，因此其价格相对较高。
不适合频繁使用
由于其工作原理是基于气体放电，因 此不适用于需要频繁触发保护的场合 。
05
气体放电器的未来发展
气体放电器的技术改进方向