第4章 电弧的基本理论

第4章电弧的基本理论

电弧的实质是高温等离子体。

等离子体：由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

等离子体分为：高温等离子体和低温等离子体。电弧是高温等离子体。

电弧的特点：导电性能强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变形等。

4．1电弧的形成与去游离

放电的形式：非自持式放电和自持式放电。

非自持式放电：需要外部游离因素来维持的放电形式，主要指在气体环境下，放电持续需要依靠外界游离因素所造成的原始游离才能实现。

它的特点：

1.外因影响放电，外界游离因素消失，放电也会衰减直至停止；

2.具有饱和性，稳定的外部因素单位时间里游离出的带电粒子数目是稳定的，于是形成饱和形式的放电现象。

自持式放电：指当电场强度（场强）达到或超过一定值时，出现的电子崩可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再依赖外界游离因素的放电现象。

电弧是一种自持式放电现象，即电极间的带电质点不断产生和消失，处于一种动态平衡状态。

自持式放电：

1.放电不再依赖外界游离因素；

2.自持放电的条件是：电源的能量足以维持电弧的燃烧；

3.放电电流迅速增加，放电间隙电压迅速降低；

4.伴随有强光和高温。

4.1.1介质中电弧形成的机理

电弧的形成过程：介质向等离子体态的转化过程；

电弧的产生和维持：弧隙里中性质点（分子和原子）被游离的结果，游离就是中性质点转化为带电质点的过程。

从电弧的形成过程来看，游离过程分三种形式：

1.强电场发射：是在弧隙间最初产生电子的原因；

2.碰撞游离》：由英国物理学家汤森德在1903年提出（汤森德机理）

3.热游离：电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加；具有足够动能的中性质点互相碰撞，又可能游离出电子和离子。

还有光游离、热电子发射、金属气化等。

4.1.2电弧的去游离过程

去游离的主要形式：复合和扩散。

1.复合去游离

复合：指正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和的过程。

2.扩散去游离

扩散：指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质的现象。

弧隙内的扩散去游离的形式：

浓度扩散和温度扩散。

游离和去游离是电弧燃烧中两个相反的过程。

游离过程使弧道中的带电离子增加，有助于电弧的燃烧；

去游离过程使弧道中的带电离子减少，有利于电弧的熄灭。

由焊接电源供给的，在两极间产生强烈而持久的气体放电现象—叫电弧。电弧是由于电场过强，气体发生电崩溃而持续形成等离子体，使得电流通过了通常状态下的绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花现象。1808年汉弗里·；戴维（Humphry Davy）利用此一现象发明第一盏“电灯”—电弧灯（voltaic

arc lamp）。

主要分类

〈1〉按电流种类可分为：交流电弧、直流电弧和脉冲电弧。

〈2〉按电弧的状态可分为：自由电弧和压缩电弧（如等离子弧）。

〈3〉按电极材料可分为：熔化极电弧和不熔化极电弧。

特点用途

导电性强、能量集中、温度高、亮度大、质量轻、易变性等。

电弧可作为强光源如弧光灯，紫外线源如太阳灯或强热源如电弧炉。电弧具有热效应。

主要作用

电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅对触头有很大的破坏作用，而且使断开电路的时间延长。

产生电流

当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于10—20伏，电流不小于80~100mA，电器的触头间便会产生电弧。

因此，在了解开关电器的结构和工作情况之前，首先来看看其是如何产生和熄灭的。

电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，电场强度E很高(E = U/d)。当电场强度超过3×10^6V/m时，阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为：强电场发射。

从阴极表面发射出来的自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，途中不断地和中性质点相碰撞。只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=1/2mv^2足够大，就可能从中性质子中打出电子，形成自由电子和正离子。这种现象称为碰撞游离。新形成的自由电子也向阳极作加速运动，同样地会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧，电路再次被导通。

触头间电弧燃烧的间隙称为弧隙。电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面的电子获得足够的能量而向外发射，形成热电场发射。同时在高温的作用下(电弧中心部分维持的温度可达10000℃以上)，气体中性质点的不规则热运动速度增加。当具有足够动能的中性质点相互碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。

随着触头分开的距离增大，触头间的电场强度E逐渐减小，这时电弧的燃烧主要是依靠热游离维持的。在开关电器的触头间，发生游离过程的同时，还发生着使带电质点减少的去游离过程。

电弧放电

两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。激发试样产生光谱。电弧放电主要发射原子谱线，是发射光谱分析常用的激发光源。通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。

气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体（见等离子体应用）。

电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的重要特点是电流增大时,极间电压下降,弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不过几百伏，有时在1伏以下。弧柱的电流密度很高,每平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。

电弧放电可分为3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电