电弧阳极的物理过程

电弧阳极的物理过程

1 电弧阳极的物理特性

电弧阳极电位降与阳极材料、阳极温度、气体压力有关，也与近阳极的等离子区的成分和温度有关。

近阳极的等离子区温度基本上决定于等离子区的电功率转换、热传导和辐射，因而与阳极附近弧柱收缩有很大关系。

阳极的电流密度对于均质或纯碳阳极的小电流碳弧，在没有咝声时是常数，一般等于40A/cm 2。在电流增加时，有可能在阳极端表面发生弧柱的收缩，电流密度增加，造成电弧发生咝声的条件。对于大电流金属蒸气（真空）电弧，阳极斑点形成的标志是局部出现强烈光亮的区域和在阳极上有熔化痕迹。阳极斑点的形成与阳极表面温度之间有密切的关系。阳极表面熔化的极限电流密度(j 0)m 可从下列公式求出：

]/)(][95.0/)2/([)(2/12/10an m n m u c T J j λρω= （1-1）

其中，T m ——阳极材料的熔点；λ——阳极材料的导热系数；ρ——阳极材料的密度；c ——阳极材料的比热；u an ——阳极电位降；J n ——热功当量。

由电子输入阳极的能量包括两个部分：

（1）动能，为IU an ，假定电子自由通过阳极电位降U an ；

（2）位能，每个电子给阳极以eφ能量。

还可以有中性和受激励的原子撞击阳极所给入的能量。阳极的附加能量可以是热气体的传导的辐射，以及化学反应和焦耳热能。

阳极的能量消耗有以下几部分：

（1）金属原子的蒸发；

（2）从阳极跑出的相当大的金属粒子；

（3）从阳极表面上热斑点的辐射；

（4）在加热阳极表面上气体分子的分解；

（5）阳极的传导散热；

（6）阳极对周围气体的对流散热；

（7）由于离子发射。

在空气或其他氧化气体中，金属电极的电弧，一般形成强烈收缩的阳极斑点。阳极斑点

常以高速度在阳极表面移动，并分裂成许多单个基点。高熔点金属阳极的阳极表面的氧化层微小凹凸促使斑点快速运动。斑点上电流密度相当高，因此常从阳极放出蒸气。

2 阳极过程的理论

在阴极电位降区域，包括阴极表面，有大约99%的电子将电荷转移到弧柱，而基本的离子部分将电荷转移到直接靠近阴极的表面。因此，在讨论阴极电位降区域过程时，载流子形成的问题是应注意的中心。在阳极，情况就完全不一样了。大约99%的电子降落在阳极表面，是从弧柱进入阳极电位降区域。在阳极电位降区域内，大致仅有1%的电荷以电子的形式向阳极运动和以离子的形式向弧柱运动。

通常我们将准中性热等离子区的任何区域称为弧柱，其温度在很多倍自由行程的长度上保持不变。在阳极电位降区域应当实现三个过程：（1）此处应当形成离子，经过弧柱扩散到阴极；（2）在此区域中，被阳极电位降加速的离子运动的能量应当转变为热运动的能量。因此，离子进入弧柱，其速度分布相应于温度分布；（3）在此区域应当实现从阳极的较低温度转变为弧柱的高温。

2.1 阳极电位降区域的场游离

在下列两个条件下场游离是可能的：第一，区域的长度应大致等于电子自由行程长度；第二，由与中性粒子碰撞所决定的理子自由行程长度应当比电子自由行程长度小得多。阳极电位降区域可以分为四个地带：与弧柱接界的地带、过渡地带、加速地带和游离地带。这些地带各不相同，与在其中的电子和离子的行动有关。在与弧柱接界的地带，电场强度从相应于弧柱的很小值开始缓慢上升，同时开始实现从电子的漂动过渡到电子自由运动的条件。相应于电子的行动，过度地带和加速地带并无区别。运动的电子自由通过这两个地带，一直到在加速地带的终端得到足够的游离能量为止。在游离地带，在场游离过程中形成离子。相应于这些离子的行动，情况就不同了，因为离子的自由行程比电子的要小。离子还以自由运动通过加速地带。在过渡地带，它们和中性粒子相碰撞。此时，有规则运动的能量逐渐转变成无规则的热运动的能量。在与弧柱接界的地带，热运动与等离子区的温度完全一致。

电子的自由行程长度随阳极附近的等离子区温度上升而减小，这是因为游离程度增加了，离子同电子碰撞的有效截面也增加了；而由与中性原子、分子碰撞所决定的离子自由行程长度此时反而增加，因为温度的上升使气体密度下降，而游离程度的增加使中性原子的分量减少。所以存在一个临界温度，高于此温度时场游离就不能发生。这临界温度与气体种类和等离子区气压有关，因为它们决定碰撞的有效截面和游离程度。

2.2 阳极电位降区域的热游离

当近阳极的等离子区温度超过临界温度时，电子在运动中受到碰撞，阻碍定向运动速度的上升。与此同时，在阳极电位降区域运动的离子开始在很大范围内使近阳极的弧柱边界加热。这时热游离起很大作用。近阳极的游离是靠电子来实现，而电子的能量超过游离能量。因此，阳极电位降可以下降到显著低于游离电位。在电流平稳上升时，电弧电压突然下降几伏的大量事例，可以用在阳极电位降区域从场游离过渡到热游离来解释。阳极电位降的热特性可以说明阳极电位降值减小的情况，特别是对于高气压和相当小电流的电弧，因为在气压大于15个大气压时，场游离一般是不可能的。