电弧的物理特性 PPT
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但电弧的输入功率增大，原因是要用来平衡散发功率的增 加（原因：温度升高、直径增大，散热面积增大）
电弧自动调节弧柱温度和直径以达到输入和散发功率平衡
这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）
阳极斑点
➢电子进入阳极的主要入口 ➢面积大（相对于阴极斑点），电流密度较小 ➢温度也可达到电极材料的沸点 ➢真空电弧中，阳极斑点有特殊的含义：若形成阳极斑点，容易导致开断失败
1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
真空电弧的阴极斑点（I =60A）
P=10Pa P=500Pa
P=100Pa P=1000Pa
1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
斑点的运动（高速摄像机）
➢阴极（连续运动）
➢阳极（跳跃运动）
斑点运动受电流、材料、磁场等因素的影响 电弧斑点处在不断熄灭和点燃中，旧斑点熄灭，新斑点产生。斑 点的连续运动与跳跃运动是根据新斑点与旧斑点的相对位置而言的。
PzPcdPdlPf s
1、电弧的物理特性
1.5 电弧的能量平衡
电弧产生→稳定燃烧的能量平衡过程（以长弧为例）
假定Ih 不变
1、电弧的物理特性 1.5 电弧的能量平衡
电电弧达到稳定燃烧状态时的电弧温度、电阻和直径与电 弧电流有密切的关系
电弧电流越大→弧柱温度越高→电弧直径越大→电弧电阻 越小→电弧电压越低（真空电弧不是这样！）
1.4 电弧的等离子流
电弧电流大于一定值时才能产生等离子体流
等离子体流中粒子流动的速度：10～100m/s，真空电弧中 可达104m/s
通过人工减小电弧半径的方法，也可以产生等离子体流
当两股等离子流在空间不相遇时，电弧不是在极间燃烧， 而是在等离子流间燃烧
等离子体流是高温且含有金属蒸汽的电离气体，不利于介 质恢复和电弧的熄灭
不存在空间电荷，类似于电阻
➢单位长度弧柱的压降基本相等 ➢电场强度沿轴向近似为常数
影响电场强度E的因素
➢电极材料 ➢电流大小 ➢气体介质种类 ➢气压 ➢介质对电弧的作用
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
弧柱区
弧柱电阻
Rz
Uz Iz
电弧电压
Uh=Uc+Ua+Uz
电弧的物理特性
一、电弧的物理特性
2014.11.27
1、电弧的物理特性
1.1 开断电路时电弧的产生过程
1、电弧的物理特性
1.1 开断电路时电弧的产生过程
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
以直流电弧为例
相关实验测得，电弧电压沿弧长 分布不均匀，由此将电弧分为三 个部分：
➢近阴极区：Cathode ➢近阳极区：Anode ➢弧柱区：Z
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
近阳极区
长度约为近阴极区的好几倍
有大量的电子
➢存在负空间电荷区 ➢形成阳极压降Ua（与阳极材料有关） ➢电场强度较低
稳点燃弧时，Uc 、Ua随I的变化不大，一般认为近极压降为常数
1、电弧wk.baidu.com物理特性
1.2 电弧的电压特性
弧柱区
弧柱的形状不一定是“圆柱形” 正负带电离子数相等，是等离子体
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
近阴极区
长度约等于电子的平均自由行程（10-6m）
➢电子近似无碰撞
有大量的正离子
➢存在正空间电荷区 ➢形成阴极压降Uc ➢电场强度高 ➢有利于二次发射和场致发射
阴极压降与阴极材料以及气体介质的特性有关
➢低沸点阴极：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位 ➢高沸点金属：大致等于气体介质的电离电位
1、电弧的物理特性
1.5 电弧的能量平衡
电弧相当于一纯电阻性发热元件 电弧燃弧的功率
P hIh U hIh(U 0 U z)
电弧的散热
短弧：主要通过电极向其他部件以及周围 介质散热 长弧：主要向周围介质散热
弧柱的散热方式：传导、对流、辐射
弧柱总的散发功率＝ 传导散发功率＋对流散发功率＋辐射散发功率
弧根（arc root）：电弧贴近电极的部分
弧根的截面积通常小于弧柱
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
阴极斑点
➢发射电子（热发射、场致发射、二次发射）、接收正离子 ➢具有很高的电流密度（104~107A/cm2） ➢温度高、蒸发、造成阴极表面烧蚀（Erosion） ➢也有无阴极斑点的电弧（高沸点阴极，如碳、钨） ➢稳定的阴极斑点（金属阴极在高气压下）、快速运动的阴极斑点（真空电弧）
1、电弧的物理特性
1.4 电弧的等离子流
电弧电流自生环向磁场（Bθ）作用于电弧，压缩弧柱， 产生压力（收缩压力）
弧柱截面压强：
P
Ih2
rh2
1
r2 rh2
103
Ih: 电弧电流（A） rh: 电弧半径（cm）
1、电弧的物理特性
1.4 电弧的等离子流
电弧电流自生环向磁场（Bθ）作用于电弧，压缩弧柱，产 生压力（收缩压力）
Uh=U0+EL
近极压降： 弧柱压降：
UU0z==EULc→+Ua
燃弧过程中基本不变 E：弧柱电场强度；L电弧长度
按U0、Uz 在Uh 中所占的比例将电弧分为短弧和长弧
短弧：L 很小，Uz可忽略，Uh 几乎与L无关 长弧：L很大，Uz>>U0，Uh 大致与E 成正比
1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
弧柱截面 P压 Irhh221强 rrh22： 1 03
收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大
弧柱中心压 P强 Irhh22： 103
电弧自由燃烧时，在弧根处半径最小，故该处弧柱中心压
力最大
➢因压力梯度，弧根等离子体向弧柱中部流动 ➢电极材料气化垂直于电极表面流动
等离子体流
1、电弧的物理特性
电弧自动调节弧柱温度和直径以达到输入和散发功率平衡
这一调节过程需要一定的时间（电弧的热惯性）
阳极斑点
➢电子进入阳极的主要入口 ➢面积大（相对于阴极斑点），电流密度较小 ➢温度也可达到电极材料的沸点 ➢真空电弧中，阳极斑点有特殊的含义：若形成阳极斑点，容易导致开断失败
1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
真空电弧的阴极斑点（I =60A）
P=10Pa P=500Pa
P=100Pa P=1000Pa
1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
斑点的运动（高速摄像机）
➢阴极（连续运动）
➢阳极（跳跃运动）
斑点运动受电流、材料、磁场等因素的影响 电弧斑点处在不断熄灭和点燃中，旧斑点熄灭，新斑点产生。斑 点的连续运动与跳跃运动是根据新斑点与旧斑点的相对位置而言的。
PzPcdPdlPf s
1、电弧的物理特性
1.5 电弧的能量平衡
电弧产生→稳定燃烧的能量平衡过程（以长弧为例）
假定Ih 不变
1、电弧的物理特性 1.5 电弧的能量平衡
电电弧达到稳定燃烧状态时的电弧温度、电阻和直径与电 弧电流有密切的关系
电弧电流越大→弧柱温度越高→电弧直径越大→电弧电阻 越小→电弧电压越低（真空电弧不是这样！）
1.4 电弧的等离子流
电弧电流大于一定值时才能产生等离子体流
等离子体流中粒子流动的速度：10～100m/s，真空电弧中 可达104m/s
通过人工减小电弧半径的方法，也可以产生等离子体流
当两股等离子流在空间不相遇时，电弧不是在极间燃烧， 而是在等离子流间燃烧
等离子体流是高温且含有金属蒸汽的电离气体，不利于介 质恢复和电弧的熄灭
不存在空间电荷，类似于电阻
➢单位长度弧柱的压降基本相等 ➢电场强度沿轴向近似为常数
影响电场强度E的因素
➢电极材料 ➢电流大小 ➢气体介质种类 ➢气压 ➢介质对电弧的作用
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
弧柱区
弧柱电阻
Rz
Uz Iz
电弧电压
Uh=Uc+Ua+Uz
电弧的物理特性
一、电弧的物理特性
2014.11.27
1、电弧的物理特性
1.1 开断电路时电弧的产生过程
1、电弧的物理特性
1.1 开断电路时电弧的产生过程
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
以直流电弧为例
相关实验测得，电弧电压沿弧长 分布不均匀，由此将电弧分为三 个部分：
➢近阴极区：Cathode ➢近阳极区：Anode ➢弧柱区：Z
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
近阳极区
长度约为近阴极区的好几倍
有大量的电子
➢存在负空间电荷区 ➢形成阳极压降Ua（与阳极材料有关） ➢电场强度较低
稳点燃弧时，Uc 、Ua随I的变化不大，一般认为近极压降为常数
1、电弧wk.baidu.com物理特性
1.2 电弧的电压特性
弧柱区
弧柱的形状不一定是“圆柱形” 正负带电离子数相等，是等离子体
1、电弧的物理特性
1.2 电弧的电压特性
近阴极区
长度约等于电子的平均自由行程（10-6m）
➢电子近似无碰撞
有大量的正离子
➢存在正空间电荷区 ➢形成阴极压降Uc ➢电场强度高 ➢有利于二次发射和场致发射
阴极压降与阴极材料以及气体介质的特性有关
➢低沸点阴极：大致等于阴极材料蒸汽的电离电位 ➢高沸点金属：大致等于气体介质的电离电位
1、电弧的物理特性
1.5 电弧的能量平衡
电弧相当于一纯电阻性发热元件 电弧燃弧的功率
P hIh U hIh(U 0 U z)
电弧的散热
短弧：主要通过电极向其他部件以及周围 介质散热 长弧：主要向周围介质散热
弧柱的散热方式：传导、对流、辐射
弧柱总的散发功率＝ 传导散发功率＋对流散发功率＋辐射散发功率
弧根（arc root）：电弧贴近电极的部分
弧根的截面积通常小于弧柱
斑点（arc spot）：弧根在电极表面形成的明亮圆点
阴极斑点
➢发射电子（热发射、场致发射、二次发射）、接收正离子 ➢具有很高的电流密度（104~107A/cm2） ➢温度高、蒸发、造成阴极表面烧蚀（Erosion） ➢也有无阴极斑点的电弧（高沸点阴极，如碳、钨） ➢稳定的阴极斑点（金属阴极在高气压下）、快速运动的阴极斑点（真空电弧）
1、电弧的物理特性
1.4 电弧的等离子流
电弧电流自生环向磁场（Bθ）作用于电弧，压缩弧柱， 产生压力（收缩压力）
弧柱截面压强：
P
Ih2
rh2
1
r2 rh2
103
Ih: 电弧电流（A） rh: 电弧半径（cm）
1、电弧的物理特性
1.4 电弧的等离子流
电弧电流自生环向磁场（Bθ）作用于电弧，压缩弧柱，产 生压力（收缩压力）
Uh=U0+EL
近极压降： 弧柱压降：
UU0z==EULc→+Ua
燃弧过程中基本不变 E：弧柱电场强度；L电弧长度
按U0、Uz 在Uh 中所占的比例将电弧分为短弧和长弧
短弧：L 很小，Uz可忽略，Uh 几乎与L无关 长弧：L很大，Uz>>U0，Uh 大致与E 成正比
1、电弧的物理特性
1.3 电弧的弧根和斑点
弧柱截面 P压 Irhh221强 rrh22： 1 03
收缩压力沿弧柱径向分布不均匀，在弧柱中心压力最大
弧柱中心压 P强 Irhh22： 103
电弧自由燃烧时，在弧根处半径最小，故该处弧柱中心压
力最大
➢因压力梯度，弧根等离子体向弧柱中部流动 ➢电极材料气化垂直于电极表面流动
等离子体流
1、电弧的物理特性