第十九讲气体电介质的电导与击穿
第十九讲 气体电介质的电导与击穿
一电介质中的电荷输运1电导和击穿的一般概念电介质电导（漏导）：任何电介质都不是理想绝缘体，在电场作用下，总有一定电流流过，这就是电介质的电导。这种电流很小，因此也称电介质的漏导。电阻率：其中，A，R分别为电介质长度，截面积和电阻。电导率：VP理想介质：P→8实际介质：p~107~10182·m
一电介质中的电荷输运 1 电导和击穿的一般概念 电介质电导（漏导）：任何电介质都不是理想绝缘体，在电场作用下， 总有一定电流流过，这就是电介质的电导。这种电流很小，因此也称电 介质的漏导。 电阻率： 电导率： 理想介质 ： 实际介质： 1 = → 7 18 10 ~10 m 其中l，A，R分别为电介质长度，截面积和电阻
实际电介质中，或多或少存在一定的自由带电粒子，这些带电粒子运动可分为：热运动无电场时：7加电场E时：热运动+定性迁移电流2在电场作用下正负载流子的迁移平均速率为：V=UE其中u+和u-为正负载流子的迁移率，即平均电场强度作用下正负载流子在电场方向平均迁移速率。V=μE若正负载流子浓度为n.和n，且n+=n=n，载流子电量为q，则：电流：I =qn.V+A+qn_V_A= qn(+ +v_)A1= qn(v+ +v_)= qn(μ +μ_)E= yE电流密度：A上式中=qn（u+u）即电介质的电导率
实际电介质中，或多或少存在一定的自由带电粒子，这些带电粒子运动可分 为： ➢ 无电场时： 热运动 ➢ 加电场E时： 热运动+定性迁移 电流 在电场作用下正负载流子的迁移平均速率 为： v E + + = v− = − E I = qn+ v+ A+ qn− v− A = qn(v+ + v− )A qn v v qn E E A I j = = + = + = + − + − ( ) ( ) 其中µ+和µ-为正负载流子的迁移率，即平均电场强度作用下 正负载流子在电场方向平均迁移速率。 若正负载流子浓度为n+和n-，且n+=n-=n，载流子电量为q，则： 电流： 电流密度： 上式中γ=qn（µ++µ-）即电介质的电导率
载流子和电导种类：载流子种类包括：电子（空穴）、离子（格点）或胶粒。相应的电导分类：电子电导（包括空穴电导）：载流子是电子（空穴）。>离子电导（包括空格点电导）：载流子是正离子或负离子或空格点：离子电导是电介质电导的主要形式。电泳电导：载流子是液体电介质中的带电胶粒。S
载流子和电导种类： 载流子种类包括：电子（空穴）、离子（格点）或胶粒。 相应的电导分类： ➢ 电子电导（包括空穴电导）：载流子是电子（空穴）。 ➢ 离子电导（包括空格点电导）：载流子是正离子或负离子或 空格点；离子 电导 是电介质电导的主要形式。 ➢ 电泳电导：载流子是液体电介质中的带电胶粒
电介质电导与电场强度关系：在电场不太高的情况下n、q、μ+和u-是与电场E无关的常数，因此电导率也是与电场E无关的常数。电介质的电导服从欧姆定律。当电场强度相当高时，电介质的电导不服从欧姆定律，电导率不再是常数，电介质固有绝缘性被破坏，变成导体。这种由电场直接作用才生的电解质破坏，称为电击穿。发生击穿的理解电压称为击穿电压。相应的临街长枪称为击穿场强
电介质电导与电场强度关系： ➢ 在电场不太高的情况下 n 、q 、 µ+和µ- 是与电场E无关的 常数， 因此电导率γ也是与电场E无关的常数。电介质的电 导服从欧姆定律。 ➢ 当电场强度相当高时，电介质的电导不服从欧姆定律，电导 率不再是常数， 电介质固有绝缘性被破坏，变成导体。 这种由电场直接作用才生的电解质破坏，称为电击穿。发生 击穿的理解电压称为击穿电压。相应的临街长枪称为击穿 场强
2均匀电场和非均匀电场：电场大小和方向处处相同的电场称为均匀电场，否则称为非均匀电场。均匀场：平板电极中间电场电场（稍不均匀场：球状电极间距不大于半径的间隙电场非均匀场极不均匀场：针板和针针间隙电场电场不均匀系数：电场不均匀系数是表征电场均匀性的参数，定义为最大场强Emax与平均场强Eav的比值。f =Emax/EmaxavE, =U/d
2 均匀电场和非均匀电场： 电场大小和方向处处相同的电场称为均匀电场，否则称为非均匀电场。 max av f E E = Eav = U d 均匀场：平板电极中间电场 电场{ 稍不均匀场：球状电极间距不大于半径的间隙电场 非均匀场{ 极不均匀场：针板和针针间隙电场 电场不均匀系数： 电场不均匀系数是表征电场均匀性的参数，定义为最大场强Emax与平均场强Eav 的比值
二气体的电导和放电1带电粒子的产生和消失1）气体中带电粒子的产生和消失：a)激发和电离：激发：处于正常状态的原子、分子和离子，当获得一定能量时，其电子，通常为最外层价电子跃迁到较高能级上的过程。激发所需要的能量称为激发能（W）。激发能也可用激发电位(U)。表示，U=W/e。电离：当原子、分子和离子获得足够能量，价电子挣脱原子核束缚变为自由电子的过程。电离所需的能量成为电离能（W）。光子能量：hv≥W光辐射电离1234hchc辐射电离光电离临界波长：W.eU,U.电离热辐射电离1碰撞电离my≥W2
二 气体的电导和放电 1 带电粒子的产生和消失 1）气体中带电粒子的产生和消失： a) 激发和电离： 激发：处于正常状态的原子、分子和离子，当获得一定能量时，其电 子，通常为最外层价电子跃迁到较高能级上的过程。激发所需要的能 量称为激发能（We）。激发能也可用激发电位(U)e表示，Ue=We /e 。 电离：当原子、分子和离子获得足够能量，价电子挣脱原子核束缚变 为自由电子的过程。电离所需的能量成为电离能（ Wi）。 0 2 1234 1 2 i i i i e e i h W hc hc W eU U m v W = = = 光子能量： 光辐射电离 辐射电离 光电离临界波长： 电离 热辐射电离 碰撞电离
b）附着：当电子与分子碰撞时，电子有可能被吸引而附着在分子上形成负离子，这个过程称附着。由于离子的电离能力不如电子，附着对放电过程其阻碍作用。c）复合：正离子和负离子相碰撞而恢复成为分子的过程称为复合，伴随光辐射现象，复合是带电粒子消失的过程。d）扩散：电子或离子自发地由浓度较高的区域向浓度较低的区域转移的过程，带电粒子的扩散是由热运动造成的，是热力学第二定律的必然结果
b）附着：当电子与分子碰撞时，电子有可能被吸引而附着 在分子上形成负离子，这个过程称附着。由于离子的电 离能力不如电子，附着对放电过程其阻碍作用。 c）复合：正离子和负离子相碰撞而恢复成为分子的过程称 为复合，伴随光辐射现象，复合是带电粒子消失的过程。 d）扩散：电子或离子自发地由浓度较高的区域向浓度较低 的区域转移的过程，带电粒子的扩散是由热运动造成的， 是热力学第二定律的必然结果
2）电极表面发射：为使气体放电中有电荷循环，还必然有阴极金属发射电子的过程，且一定条件下，印记发射电子是放电中带电粒子的重要来源。逸出功：金属表面的电子从金属中脱离出来所需的能量。逸出功取决于金属原子结构和表面状态。阴极表面发射电子类型：正离子碰撞阴极，使金属表面释放出电子。光电效应：金属表面受光辐射（光子能量>逸出功），发射电子。。热电子发射：阴极被加热到很高温度，金属中的电子获得巨大的动能而逸出，形成热电子发射。强场发射：当阴极附近电场强度很高时，阴极也发射电子，称场致发射或冷发射
2）电极表面发射： 为使气体放电中有电荷循环，还必然有阴极金属发射电子的过程，且一 定条件下，印记发射电子是放电中带电粒子的重要来源。 逸出功：金属表面的电子从金属中脱离出来所需的能量。逸出功取决于金属 原子结构和表面状态。 阴极表面发射电子类型： ➢ 正离子碰撞阴极，使金属表面释放出电子。 ➢ 光电效应：金属表面受光辐射（光子能量>逸出功），发射电子。 ➢ 热电子发射：阴极被加热到很高温度，金属中的电子获得巨大的动能而 逸出，形成热电子发射。 ➢ 强场发射：当阴极附近电场强度很高时，阴极也发射电子，称场致发射 或冷发射
2气体的i-E特性和放电现象1）气体的i-E特性：j个自持放电非自持放电EE2EEB第一部分：电流密度随电场强度呈正比增加，大致符合欧姆定律。第二部分：场强增加到E附近，电流密度不再随电场强度发生变化，其饱和电流密度值极小，处于良好绝缘状态。第三部分：场强增至E，附近，电流又增长，气体的绝缘性能尚未遭破坏，气隙并没有击穿。当电场增加到临界电场强度E时，急剧增大，伴有明显的声、光现象，绝缘性被破坏，气体击穿
2 气体的j-E特性和放电现象 1） 气体的j-E特性： 第一部分：电流密度随电场强度呈正比增加，大致符合欧姆定律。 第二部分：场强增加到E1附近，电流密度j不再随电场强度发生变化，其饱和电流 密度值极小，处于良好绝缘状态。 第三部分：场强增至 E2附近，电流又增长，气体的绝缘性能尚未遭破坏，气隙并没 有击穿。当电场增加到临界电场强度EB时，j急剧增大，伴有明显的声、光现象， 绝缘性被破坏，气体击穿。 j s 1 2 3 E1 E2 EB j E 自持放电 非自持放电