焊接电弧
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✓ 产生热解离所需要的最 低能量称解离能。
✓ 热解离不但影响带电粒 子的产生过程，还对电 弧的电性能和热性能产 生影响。
14
电弧电离度
➢ 一般维持电弧，电子密度为1014cm-3，即实效电离度为10-4 数量级（万分之一中性粒子电离）。
➢ 常规电弧，电离度 0.1×10-3～0.12×10-2 数量级。 ➢ 强冷电弧或大电流，电离度 10-1～1数量级。
带电粒子从电场中获得能量：Wk Ee
电子 中性粒子 产生电离
弧柱区 E=10V/cm 热电离为主 两极区 E=105～107V/cm 电场电离为主
(3) 光电离
16 中性粒子接受光辐射的作用而产生电 离的现象称为光电离。
h eU i, c e h U ci 1 2 3 6U 1 i(n m )
• 可见光波长为400～700nm，不会产生光电离 • 电弧光波长为170～500nm，部分可引来自百度文库K、Na等的电离
6
电弧
能量转换器 电能
图2-2 电弧示意图
电弧是在一定条件下，电荷通过两极之 间气体空间的导电过程。是一种气体 放电现象。
热能 机械能 光能
特点：
低电压（几～几十V） 大电流（几十～千A） 高温（5000～30000K）
7
二、带电粒子的产生
外加能量
1、电离和激励
M e M ee
在一定的条件下，中性气体分子或原子分离 成电子和正离子的现象称为电离。
等离子体
由于弧柱温度在5000～3000K,所以热电离是弧柱部分产生带 电粒子的最主要途径。
15
(2) 电场电离
当带电粒子的动能在电场的影响下， 增加到足够高的程度，则可能与中 性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，
称电场作用下的电离。
中性粒子、离子、电子自由行程之比：
e:i:gr 1 g 2 n g:4r 1 g 2 n g:42 1 r g 2 n g 42 : 2 :1
例1（Fe（7.8V)+K(4.3V)
例2 5000K,1atm
Ca(6.1)+Fe(7.8)+O2(12.2)+ N2(15.5)
xC a:xF e:xo2:xN 2 1:1.74102:3.24108:6.631011
热解离
13
✓ 由于弧柱温度高，电弧 中多原子气体，由于热 的作用，将分解为原子， 称热解离。
（1）碰撞传递
非弹性碰撞（破坏性碰撞）
电子－－中性粒子 产生电离
（2）光辐射传递
hWe eUe 激励条件
hWi eUi 电离条件
碰撞是传递能量的主要途径 光辐射是能量传递的次要途径
11
3、电离的种类
由于热运动而引起的碰撞，从而产生 电离称为热电离
（1）热电离
电离度：气体中单位体积内被电离的粒子数与
使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为
第一电离能。
第二电离能
电离能以电子伏特来计量 1ev1.61019j
第三电离能 。。。
Wi=eUi
电离能
电离电压
常见气体粒子的电离电压
电离电压
8
➢ 金属电离电压低 ➢ 分子状态可直接电
离 ➢ 电离电压的高低－
产生带电粒子的难 易
Cs 3.9V H 13.5V
光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径。
17
电极表面受到外加能量的作用，使其
4、电子发射
内部的电子冲破电极表面的束缚而飞
到电弧空间的现象称为电子发射。
使一个电子从金属表面飞
出所需要的最低外加能量 称为逸出功（Ww）
逸出电压 Uw=Ww/e（V）
➢ 金属表面有氧化膜时，其逸出功降低。 ➢ 钨合金比纯钨逸出功低。
体放电
雷电 辉光放电 电弧放电
5
气体放电规律
在较小的电流区间， 气体导电所需要的带电 粒子不能通过导电过程 本身产生，而需要外加 措施来造成带电粒子。
非自持放电 自持放电
当电流大于一定数值时，在气体放电开 始时需要外加措施制造带电粒子，进行诱发， 一旦放电开始，取消外加诱发措施，放电过 程仍可以继续下去，放电过程自身能够产生 维持放电所需要的带电粒子。
2
Chep.5 焊接电弧
5.1 电弧的物理基础
一、气体放电 二、带电粒子的产生
1、电离和激励 2、外部施加能量途径 3、电离的种类 4、电子发射 5、负离子的产生
三、带电粒子的消失
1、扩散 2、复合
3 一、气体放电
金属导电－－－欧姆定律
IU R
带电粒子的定向移动
电流
4
气体放电
当气体中 存在带电粒 子，在电场 作用下，也 会产生导电 现象，称气
9 当气体中性粒子受外来能量作用
其数量不足以使电子完全脱离 气体原子或分子，而可能使电 子从较低的能级转移到较高的 能级时，中性粒子的内部稳定 状态被破坏，但对外仍呈电中 性，这种状态称为激励。
激励电压低于电离电压
10
2、外部施加能量途径
弹性碰撞（非破坏性碰撞）
中性粒子－－中性粒子 只引起能量再分配，不产生电离
*2. 材料Uw －－热发射 *3. 材料T －－热发射
钨(5950K),碳(4200K) 热阴极
钢(3008K),铜(2868K),铝(2770K), 镁(1375K)
冷阴极
(2) 电场发射
19
当金属表面存在一定强度的正电场时， 金属内的电子承受此电场静电库仑力 的作用，当此力达到一定程度时，电 子飞出金属表面，这种现象称电场发 射。
H 13.5V H2 15.4V
O 13.5V O2 12.2V
➢ 一次电离电压低者， Cs
二次电离电压不一
Ca
定低
➢ 混合气体中，低电 离电压者优先电离
激励
使中性粒子激励所需的最 低外加能量成为最低激励 能。激励能小于电离能， 也用电压值来表示，称为 激励电压。
接受能量－－电离 辐射－－回复稳定 碰撞－－传递
(1) 热发射
电子发射
18 热发射 电场发射 粒子碰撞发射 光发射
金属表面承受热作用而产生电 子发射现象称热发射。
m
e
v
2 e
2
eU w
iA T2exp(eU w/kT)
当一个电子从金属表面飞出，从电极上 带走能量eUw,对金属表面产生冷气作 用。带走总能量为IUw。
*1. 热发射与材料表面状态有关（A）
x Me Me
原始气体粒子总数的比值。
（忽略二次电离）
T
Saha公式
x2 P3.161017T2.5exp(eU i)
P
x
1x2
K T
Ui
实效电离度
12
如果某气体中混有其他气体成分时，则电 离后电子密度与电离前中性粒子密度 之比称实效电离度。
混合气体的电离电压称实效电离电压。
理论与实践证明，混合气体的实效电离电压取决于低电离电 压的物质
✓ 热解离不但影响带电粒 子的产生过程，还对电 弧的电性能和热性能产 生影响。
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电弧电离度
➢ 一般维持电弧，电子密度为1014cm-3，即实效电离度为10-4 数量级（万分之一中性粒子电离）。
➢ 常规电弧，电离度 0.1×10-3～0.12×10-2 数量级。 ➢ 强冷电弧或大电流，电离度 10-1～1数量级。
带电粒子从电场中获得能量：Wk Ee
电子 中性粒子 产生电离
弧柱区 E=10V/cm 热电离为主 两极区 E=105～107V/cm 电场电离为主
(3) 光电离
16 中性粒子接受光辐射的作用而产生电 离的现象称为光电离。
h eU i, c e h U ci 1 2 3 6U 1 i(n m )
• 可见光波长为400～700nm，不会产生光电离 • 电弧光波长为170～500nm，部分可引来自百度文库K、Na等的电离
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电弧
能量转换器 电能
图2-2 电弧示意图
电弧是在一定条件下，电荷通过两极之 间气体空间的导电过程。是一种气体 放电现象。
热能 机械能 光能
特点：
低电压（几～几十V） 大电流（几十～千A） 高温（5000～30000K）
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二、带电粒子的产生
外加能量
1、电离和激励
M e M ee
在一定的条件下，中性气体分子或原子分离 成电子和正离子的现象称为电离。
等离子体
由于弧柱温度在5000～3000K,所以热电离是弧柱部分产生带 电粒子的最主要途径。
15
(2) 电场电离
当带电粒子的动能在电场的影响下， 增加到足够高的程度，则可能与中 性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，
称电场作用下的电离。
中性粒子、离子、电子自由行程之比：
e:i:gr 1 g 2 n g:4r 1 g 2 n g:42 1 r g 2 n g 42 : 2 :1
例1（Fe（7.8V)+K(4.3V)
例2 5000K,1atm
Ca(6.1)+Fe(7.8)+O2(12.2)+ N2(15.5)
xC a:xF e:xo2:xN 2 1:1.74102:3.24108:6.631011
热解离
13
✓ 由于弧柱温度高，电弧 中多原子气体，由于热 的作用，将分解为原子， 称热解离。
（1）碰撞传递
非弹性碰撞（破坏性碰撞）
电子－－中性粒子 产生电离
（2）光辐射传递
hWe eUe 激励条件
hWi eUi 电离条件
碰撞是传递能量的主要途径 光辐射是能量传递的次要途径
11
3、电离的种类
由于热运动而引起的碰撞，从而产生 电离称为热电离
（1）热电离
电离度：气体中单位体积内被电离的粒子数与
使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为
第一电离能。
第二电离能
电离能以电子伏特来计量 1ev1.61019j
第三电离能 。。。
Wi=eUi
电离能
电离电压
常见气体粒子的电离电压
电离电压
8
➢ 金属电离电压低 ➢ 分子状态可直接电
离 ➢ 电离电压的高低－
产生带电粒子的难 易
Cs 3.9V H 13.5V
光电离是电弧中产生带电粒子的次要途径。
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电极表面受到外加能量的作用，使其
4、电子发射
内部的电子冲破电极表面的束缚而飞
到电弧空间的现象称为电子发射。
使一个电子从金属表面飞
出所需要的最低外加能量 称为逸出功（Ww）
逸出电压 Uw=Ww/e（V）
➢ 金属表面有氧化膜时，其逸出功降低。 ➢ 钨合金比纯钨逸出功低。
体放电
雷电 辉光放电 电弧放电
5
气体放电规律
在较小的电流区间， 气体导电所需要的带电 粒子不能通过导电过程 本身产生，而需要外加 措施来造成带电粒子。
非自持放电 自持放电
当电流大于一定数值时，在气体放电开 始时需要外加措施制造带电粒子，进行诱发， 一旦放电开始，取消外加诱发措施，放电过 程仍可以继续下去，放电过程自身能够产生 维持放电所需要的带电粒子。
2
Chep.5 焊接电弧
5.1 电弧的物理基础
一、气体放电 二、带电粒子的产生
1、电离和激励 2、外部施加能量途径 3、电离的种类 4、电子发射 5、负离子的产生
三、带电粒子的消失
1、扩散 2、复合
3 一、气体放电
金属导电－－－欧姆定律
IU R
带电粒子的定向移动
电流
4
气体放电
当气体中 存在带电粒 子，在电场 作用下，也 会产生导电 现象，称气
9 当气体中性粒子受外来能量作用
其数量不足以使电子完全脱离 气体原子或分子，而可能使电 子从较低的能级转移到较高的 能级时，中性粒子的内部稳定 状态被破坏，但对外仍呈电中 性，这种状态称为激励。
激励电压低于电离电压
10
2、外部施加能量途径
弹性碰撞（非破坏性碰撞）
中性粒子－－中性粒子 只引起能量再分配，不产生电离
*2. 材料Uw －－热发射 *3. 材料T －－热发射
钨(5950K),碳(4200K) 热阴极
钢(3008K),铜(2868K),铝(2770K), 镁(1375K)
冷阴极
(2) 电场发射
19
当金属表面存在一定强度的正电场时， 金属内的电子承受此电场静电库仑力 的作用，当此力达到一定程度时，电 子飞出金属表面，这种现象称电场发 射。
H 13.5V H2 15.4V
O 13.5V O2 12.2V
➢ 一次电离电压低者， Cs
二次电离电压不一
Ca
定低
➢ 混合气体中，低电 离电压者优先电离
激励
使中性粒子激励所需的最 低外加能量成为最低激励 能。激励能小于电离能， 也用电压值来表示，称为 激励电压。
接受能量－－电离 辐射－－回复稳定 碰撞－－传递
(1) 热发射
电子发射
18 热发射 电场发射 粒子碰撞发射 光发射
金属表面承受热作用而产生电 子发射现象称热发射。
m
e
v
2 e
2
eU w
iA T2exp(eU w/kT)
当一个电子从金属表面飞出，从电极上 带走能量eUw,对金属表面产生冷气作 用。带走总能量为IUw。
*1. 热发射与材料表面状态有关（A）
x Me Me
原始气体粒子总数的比值。
（忽略二次电离）
T
Saha公式
x2 P3.161017T2.5exp(eU i)
P
x
1x2
K T
Ui
实效电离度
12
如果某气体中混有其他气体成分时，则电 离后电子密度与电离前中性粒子密度 之比称实效电离度。
混合气体的电离电压称实效电离电压。
理论与实践证明，混合气体的实效电离电压取决于低电离电 压的物质