第4章電弧的基本特征

1、第第4 4章章 電弧的基本理論電弧的基本理論1 1氣體放電的物理基礎(chǔ)氣體放電的物理基礎(chǔ) ；氣體放電的理論。；氣體放電的理論。2 2電弧的物理特性；電弧的物理特性；電弧產(chǎn)生的過(guò)程電弧產(chǎn)生的過(guò)程和電弧的溫度、和電弧的溫度、直徑等特性。直徑等特性。3 3直流電弧的特性和熄滅原理；直流電弧的熄滅條直流電弧的特性和熄滅原理；直流電弧的熄滅條件和熄滅方法。件和熄滅方法。4 4交流電弧的特性；交流電弧的伏安特性及電弧電交流電弧的特性；交流電弧的伏安特性及電弧電壓對(duì)電路電流的影響。壓對(duì)電路電流的影響。本章講授內(nèi)容 （其中紅色內(nèi)容是重點(diǎn)）3 概述概述 4-1 4-1 概述概述 4-2 4-2 氣體放電的物理過(guò)程

2、氣體放電的物理過(guò)程 4-3 4-3 電弧的物理特征電弧的物理特征 4-4 4-4 直流電弧的特性與熄滅原理直流電弧的特性與熄滅原理 4-5 4-5 交流電弧的特性交流電弧的特性 4-6 4-6 交流電弧的熄滅原理交流電弧的熄滅原理 4-7 4-7 熄滅電弧的基本方法和基本裝置熄滅電弧的基本方法和基本裝置小小 結(jié)結(jié)實(shí)驗(yàn)室模擬磁環(huán)爆發(fā)磁環(huán)爆發(fā)概概 述述空間空間天體等離子體天體等離子體概概 述述概概 述述一、電弧電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體（子體（ PlasmaPlasma ）。）。 二、學(xué)習(xí)電弧知識(shí)的目的是掌握電弧規(guī)律，盡二、學(xué)習(xí)電弧知識(shí)的目的是掌握電弧

3、規(guī)律，盡快熄弧?？煜ɑ?。三、三、“電弧電弧”的定義：的定義： 1. 1. 定義定義 ：開(kāi)斷電路時(shí)，在觸頭間隙中：開(kāi)斷電路時(shí)，在觸頭間隙中出現(xiàn)的一團(tuán)出現(xiàn)的一團(tuán)溫度極高溫度極高、發(fā)強(qiáng)光發(fā)強(qiáng)光和和能夠?qū)щ姷哪軌驅(qū)щ姷慕茍A柱體的氣體近似圓柱體的氣體?？沙霈F(xiàn)于大氣、真空、。可出現(xiàn)于大氣、真空、油介質(zhì)和油介質(zhì)和SFSF6 6氣體介質(zhì)等中間。氣體介質(zhì)等中間。概概 述述 條件條件 ：在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)，：在大氣中開(kāi)斷電路時(shí)， 當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓U UU U0 0 = =（12122020），）， 被開(kāi)斷電流被開(kāi)斷電流 （0.250.251 1）時(shí)，）時(shí)， 觸頭間隙中產(chǎn)生的一團(tuán)溫度極高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)觸頭間隙

4、中產(chǎn)生的一團(tuán)溫度極高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的近似圓柱體的氣體。電的近似圓柱體的氣體。 2. 氣體放電：指氣體放電：指弧隙中氣體由弧隙中氣體由絕緣狀態(tài)絕緣狀態(tài)變?yōu)樽優(yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)導(dǎo)體狀態(tài)，使電流得以通過(guò)的現(xiàn)象。使電流得以通過(guò)的現(xiàn)象。概概 述述背 景 知 識(shí)“等離子體等離子體 Plasma Plasma”一、等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子一、等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除固、液、氣外的物質(zhì)存在的第四態(tài)。質(zhì)，它是除固、液、氣外的物質(zhì)存在的第四態(tài)。 看似看似“神秘神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一的等

5、離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見(jiàn)的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等種常見(jiàn)的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的離子體，它占了整個(gè)宇宙的9999。 固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C背 景 知 識(shí) 它是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系。非束縛性：異類(lèi)帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。粒子與電磁場(chǎng)的不可分割性：等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，不可分割。集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長(zhǎng)程的，每個(gè)粒子均與周?chē)S多粒子同

6、時(shí)發(fā)生作用。背 景 知 識(shí)二、等離子體分為兩種：高溫和低溫等離子體。二、等離子體分為兩種：高溫和低溫等離子體。 1 1、高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生的，例如、高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生的，例如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。太陽(yáng)和恒星不斷地發(fā)出焊工們用高溫等離子體焊接金屬。太陽(yáng)和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的這種等離子體，組成了宇宙的9999。它是高溫等離子體。它是高溫等離子體。 2 2、低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然、低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。電子的溫度很高）。背 景 知 識(shí) 低溫等離子體現(xiàn)在廣泛運(yùn)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域，如低溫等

7、離子體現(xiàn)在廣泛運(yùn)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域，如等離等離子電視子電視，嬰兒尿布表面防水涂層?jì)雰耗虿急砻娣浪繉樱黾悠【破孔韪粜栽黾悠【破孔韪粜?，更重，更重要的是在要的是在電腦芯片中的蝕刻運(yùn)用電腦芯片中的蝕刻運(yùn)用，讓網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。，讓網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。 低溫等離子體還可以被用于氧化、變性等表面處理或者低溫等離子體還可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機(jī)物和無(wú)機(jī)物上進(jìn)行沉淀涂層處理?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握在有機(jī)物和無(wú)機(jī)物上進(jìn)行沉淀涂層處理?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生來(lái)控制等離子體。利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生來(lái)控制等離子體。 背 景 知 識(shí) 人類(lèi)的生存伴隨著水，水存在的環(huán)境是地球文明得以人類(lèi)的生存伴隨著水，水

8、存在的環(huán)境是地球文明得以進(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)進(jìn)化、發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境，這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離普遍存在的狀態(tài)。因而，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。人群的地方，以閃電、極光的形式為人們所敬畏、所贊嘆。 由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見(jiàn)物質(zhì)的存由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見(jiàn)物質(zhì)的存在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)日在形式，大氣外側(cè)的電離層、日地空間的太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)日冕、太陽(yáng)內(nèi)部、星際空間、星云及星團(tuán)，毫無(wú)例外的都是冕、太陽(yáng)內(nèi)部、星際空間、星云

9、及星團(tuán)，毫無(wú)例外的都是等離子體。等離子體。背 景 知 識(shí) 地球上，人造的等離子體也越來(lái)越多地出現(xiàn)在我地球上，人造的等離子體也越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們的周?chē)?。們的周?chē)日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器氧發(fā)生器l典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理l高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器

10、鞘套與尾跡跡背 景 知 識(shí)16密度(cm-3)溫度(度)太陽(yáng)核心 磁約束聚 變霓虹燈 北極光 火 焰閃電日冕氫彈星際空間熒光氣體液 體固 體人類(lèi)居住環(huán)境慣性聚變星 云太陽(yáng)風(fēng)密度跨越了 30 個(gè)量級(jí)溫度跨越了 7 個(gè)量級(jí)等離子體參數(shù)空間：等離子體參數(shù)空間：火 焰星系：巨大的聚變反應(yīng)堆星系：巨大的聚變反應(yīng)堆背 景 知 識(shí)北極光北極光背 景 知 識(shí) 三、等離子體顯示技術(shù)三、等離子體顯示技術(shù) （Plasma Display)Plasma Display) 等離子體顯示技術(shù)之所以令人激動(dòng)，主要是以下兩原因：等離子體顯示技術(shù)之所以令人激動(dòng)，主要是以下兩原因： （1 1）可制造超大尺寸的平面顯示器（可制造超

11、大尺寸的平面顯示器（5050英寸甚至更大）；英寸甚至更大）； （2 2）與陰極射線(xiàn)管顯示器不同，它沒(méi)有彎曲的視覺(jué)表面，）與陰極射線(xiàn)管顯示器不同，它沒(méi)有彎曲的視覺(jué)表面，從而使視角擴(kuò)大到了從而使視角擴(kuò)大到了160160度以上。換句話(huà)說(shuō)，利用惰性氣體度以上。換句話(huà)說(shuō)，利用惰性氣體（NeNe、HeHe、XeXe等）放電時(shí)所產(chǎn)生的紫外光來(lái)激發(fā)彩色熒光粉等）放電時(shí)所產(chǎn)生的紫外光來(lái)激發(fā)彩色熒光粉發(fā)光，然后將這種光轉(zhuǎn)換成人眼可見(jiàn)的光。發(fā)光，然后將這種光轉(zhuǎn)換成人眼可見(jiàn)的光。背 景 知 識(shí) 1 1、所謂等離子彩電所謂等離子彩電 PDP（Plasma Display Panel），是指基于在兩張薄玻璃板之間充填混合

12、氣體，施加電），是指基于在兩張薄玻璃板之間充填混合氣體，施加電壓使之產(chǎn)生壓使之產(chǎn)生等等離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中的熒光體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生彩色影像的原理而設(shè)計(jì)的一種彩電。的熒光體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生彩色影像的原理而設(shè)計(jì)的一種彩電。 2 2、等離子體顯示器：又稱(chēng)電漿顯示器，是繼、等離子體顯示器：又稱(chēng)電漿顯示器，是繼CRT(CRT(陰極陰極射線(xiàn)管）、射線(xiàn)管）、LCDLCD（液晶顯示器）后的最新一代顯示器。其特（液晶顯示器）后的最新一代顯示器。其特點(diǎn)是厚度極薄，分辨率佳。可以當(dāng)壁掛電視使用，占用極少點(diǎn)是厚度極薄，分辨率佳?？梢援?dāng)壁掛電視使用，占用極少的空間

13、，代表未來(lái)顯示器的發(fā)展趨勢(shì)。的空間，代表未來(lái)顯示器的發(fā)展趨勢(shì)。 背 景 知 識(shí) 3 3、等離子體顯示技術(shù)的基本原理、等離子體顯示技術(shù)的基本原理 顯示屏上排列有上千個(gè)密封的小低壓氣體室（一般都是顯示屏上排列有上千個(gè)密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見(jiàn)的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍(lán)三色見(jiàn)的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍(lán)三色熒光體，發(fā)出在顯示器上能看到的可見(jiàn)光。熒光體，發(fā)出在顯示器上能看到的可見(jiàn)光。 背 景 知 識(shí)四、等離子體隱身技術(shù)四、等離子體隱身技術(shù) 在飛機(jī)、艦船等武器

14、表面產(chǎn)生一層等離子體，這層在飛機(jī)、艦船等武器表面產(chǎn)生一層等離子體，這層等離子體可以和雷達(dá)波等相互作用，使這些物體無(wú)法被感等離子體可以和雷達(dá)波等相互作用，使這些物體無(wú)法被感知或探測(cè)到。這種等離子體外殼由等離子體電流構(gòu)成。知或探測(cè)到。這種等離子體外殼由等離子體電流構(gòu)成。 等離子體電流就是當(dāng)電子在金屬物質(zhì)的表面上有規(guī)等離子體電流就是當(dāng)電子在金屬物質(zhì)的表面上有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電子密度波。當(dāng)入射光頻率與等離子律地運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電子密度波。當(dāng)入射光頻率與等離子體電流的諧振頻率接近時(shí)，光線(xiàn)將被這層等離子體電流外體電流的諧振頻率接近時(shí)，光線(xiàn)將被這層等離子體電流外殼反向散射，向外則幾乎不散射光線(xiàn)，物體即不可

15、見(jiàn)。殼反向散射，向外則幾乎不散射光線(xiàn)，物體即不可見(jiàn)。背 景 知 識(shí)軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用l等離子體天線(xiàn)等離子體天線(xiàn)l等離子體雷達(dá)隱身等離子體雷達(dá)隱身l飛行器減阻飛行器減阻l假目標(biāo)及誘餌假目標(biāo)及誘餌高技術(shù)高技術(shù)l大功率微波器件大功率微波器件l強(qiáng)強(qiáng)X X射線(xiàn)源及射線(xiàn)源及X X射線(xiàn)激光射線(xiàn)激光l強(qiáng)流束技術(shù)強(qiáng)流束技術(shù)l等離子體推進(jìn)等離子體推進(jìn)l磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用背 景 知 識(shí) 主要參數(shù)Pf = 500MWQ 10T = 500 sR = 6.2 mA = 2.0 mIp = 15 MAB = 5.3 TV = 837 m3S = 678 m2Pin= 73

16、MWITER：托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆背 景 知 識(shí)聚變等離子體聚變等離子體20052005年年6 6月月2828日日 ITERITER：CadaracheCadarache背 景 知 識(shí)26美國(guó)Nova激光聚變裝置1985年建成，10路45000焦耳，1納秒2倍頻/3倍頻聚變等離子體27美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火（NIF）激光聚變裝置2003年建成, 192束180萬(wàn)焦耳，3納秒500TW，近紫外光聚變等離子體 4-2 氣體放電的物理過(guò)程氣體放電：是指氣體由氣體放電：是指氣體由絕緣狀態(tài)絕緣狀態(tài)變成變成導(dǎo)電狀態(tài)導(dǎo)電狀態(tài)，使電流，使電流通過(guò)的現(xiàn)象。通過(guò)的現(xiàn)象。氣體放電的前提：氣體氣體放電的前提：氣體游離化游離化。一

17、、激勵(lì)與電離：一、激勵(lì)與電離： 1. 1. 激勵(lì)激勵(lì)：也叫激發(fā)，是指原子吸收能量后，使電子由：也叫激發(fā)，是指原子吸收能量后，使電子由低能量軌道跳向能量較高的軌道的過(guò)程低能量軌道跳向能量較高的軌道的過(guò)程 ( (激勵(lì)后原子仍是激勵(lì)后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了中性原子，但原子的能量提高了) )。此狀態(tài)的存在一般低于。此狀態(tài)的存在一般低于1010-9-91010-8-8秒。秒。 2. 2. 電離電離： 定義：電離是指原子吸收足夠大的能量后，電定義：電離是指原子吸收足夠大的能量后，電子被激發(fā)到自由態(tài)而離開(kāi)原子軌道形成自由電子，使原來(lái)子被激發(fā)到自由態(tài)而離開(kāi)原子軌道形成自由電子，使原來(lái)的的中性原子

18、或分子中性原子或分子( (統(tǒng)稱(chēng)中性粒子或中性質(zhì)子統(tǒng)稱(chēng)中性粒子或中性質(zhì)子) ) 變成一個(gè)變成一個(gè)帶帶正電荷的粒子正電荷的粒子( (正離子正離子) )的過(guò)程。的過(guò)程。 電離能電離能( (yl)yl)： 指游離出指游離出一個(gè)電子一個(gè)電子所需的最所需的最低能量低能量( (單位為：，其值參見(jiàn)教材單位為：，其值參見(jiàn)教材) )。為方便起見(jiàn)，游離。為方便起見(jiàn)，游離能能y y可以直接用游離電壓表示，其單位由可以直接用游離電壓表示，其單位由J J改為改為eVeV； 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 1eV1eV一個(gè)電子在真空中經(jīng)過(guò)一個(gè)電子在真空中經(jīng)過(guò)1V1V的電位差所獲得的動(dòng)能。的電位差所獲得的動(dòng)能。 例：例： 13.

19、45eV13.45eV13.4513.451.61.61010-19-19。 電離電位電離電位y y：y yyl/eyl/e，其中，其中e e：電子電荷，：電子電荷，e e1.61.61010-19-19。3. 3. 分級(jí)游離：指經(jīng)過(guò)激勵(lì)狀態(tài)再游離的過(guò)程。分級(jí)游離：指經(jīng)過(guò)激勵(lì)狀態(tài)再游離的過(guò)程。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程二、氣體電離方式：二、氣體電離方式：表面發(fā)射表面發(fā)射和和空間游離空間游離。 1. 1. 表面發(fā)射表面發(fā)射：指由金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象；：指由金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象； 它包括了熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射、光發(fā)射和二次發(fā)射。它包括了熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射、光發(fā)射和二次發(fā)射。 熱發(fā)射熱發(fā)射：在：

20、在200020002500K2500K范圍內(nèi)，金屬表面自由范圍內(nèi)，金屬表面自由電子獲得足夠的動(dòng)能，超越金屬表面晶格電場(chǎng)造成的勢(shì)壘電子獲得足夠的動(dòng)能，超越金屬表面晶格電場(chǎng)造成的勢(shì)壘而逸出的現(xiàn)象。而逸出的現(xiàn)象。 逸出功：記為逸出功：記為ycyc，是指一個(gè)電子逸出金屬所需的最，是指一個(gè)電子逸出金屬所需的最低能量，單位為低能量，單位為eVeV。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 高電壓發(fā)射高電壓發(fā)射：也叫場(chǎng)致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面：也叫場(chǎng)致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面的電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)強(qiáng)度10106 6(v/cm)(v/cm)時(shí)，自由電子逸出金屬的現(xiàn)象。時(shí)，自由電子逸出金屬的現(xiàn)象。 光發(fā)射光發(fā)射：光線(xiàn)：光線(xiàn)(

21、(紫外線(xiàn)及其他射線(xiàn)紫外線(xiàn)及其他射線(xiàn)) )照在金屬表面，引照在金屬表面，引起電子從表面逸出的現(xiàn)象。起電子從表面逸出的現(xiàn)象。 二次發(fā)射二次發(fā)射：是指正離子高速撞擊陰極或電子高速撞擊：是指正離子高速撞擊陰極或電子高速撞擊陽(yáng)極，引起金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。主要考慮陰極表面的陽(yáng)極，引起金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。主要考慮陰極表面的二次發(fā)射。二次發(fā)射。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 2. 2. 空間電離空間電離：是指電極間氣體受外力影響，其分子及原子：是指電極間氣體受外力影響，其分子及原子分裂成自由電子和正離子的現(xiàn)象。分裂成自由電子和正離子的現(xiàn)象。 空間游離的方式有空間游離的方式有光電離光電離、電場(chǎng)電離電場(chǎng)電離

22、和和熱電離熱電離；它們可；它們可能同時(shí)存在。能同時(shí)存在。 光電離光電離：中性粒子受光照作用，當(dāng)光子能量：中性粒子受光照作用，當(dāng)光子能量 ( ) ( ) 原子或分子的游離能時(shí)，發(fā)生的游離。原子或分子的游離能時(shí)，發(fā)生的游離。( h( h：普朗克常數(shù)，：普朗克常數(shù)，h h6.6246.6241010-34-34，單位是，單位是JsJs； ：光子的頻率，：光子的頻率，s s-1-1) )。光游。光游離作用的大小，與光頻成正比。離作用的大小，與光頻成正比。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程h 電場(chǎng)電離電場(chǎng)電離：也叫：也叫碰撞電離碰撞電離。是一個(gè)質(zhì)量為。是一個(gè)質(zhì)量為m m的帶電粒的帶電粒子子( (由光游離或表面

23、發(fā)射所產(chǎn)生由光游離或表面發(fā)射所產(chǎn)生) )在電場(chǎng)的作用下被加速到在電場(chǎng)的作用下被加速到后，如其動(dòng)能后，如其動(dòng)能 大于大于ylyl，那么，當(dāng)其與中性粒子發(fā)生，那么，當(dāng)其與中性粒子發(fā)生碰撞時(shí)，此動(dòng)能就可以被傳遞給中性粒子的外層電子，使它碰撞時(shí)，此動(dòng)能就可以被傳遞給中性粒子的外層電子，使它脫離原子核的引力范圍成為自由電子。脫離原子核的引力范圍成為自由電子。 負(fù)離子：是因電子吸附在中性粒子上形成的帶負(fù)電荷的負(fù)離子：是因電子吸附在中性粒子上形成的帶負(fù)電荷的離子。離子。 負(fù)電性氣體：對(duì)電子的粘合作用特強(qiáng)的氣體，多為氟原負(fù)電性氣體：對(duì)電子的粘合作用特強(qiáng)的氣體，多為氟原子及其化合物。子及其化合物。 4-2 氣體

24、放電的物理過(guò)程212mv 熱電離熱電離：當(dāng)氣體溫度在：當(dāng)氣體溫度在300030004000K4000K以上時(shí)，氣體粒子以上時(shí)，氣體粒子因高速熱運(yùn)動(dòng)而互相碰撞所產(chǎn)生的電離。因高速熱運(yùn)動(dòng)而互相碰撞所產(chǎn)生的電離。氣體的熱電離度可用沙哈公式計(jì)算：氣體的熱電離度可用沙哈公式計(jì)算：58001.2521.5510133ylWTTeP式中，式中，P P是壓力（是壓力（PaPa），），T T是氣體溫度是氣體溫度(K)(K)，W Wylyl是中性粒子的是中性粒子的電離能電離能(J)(J)。氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，其電離度要比純氣體的高，氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，其電離度要比純氣體的高，即電導(dǎo)率要大。即電導(dǎo)率要大。 4-

25、2 氣體放電的物理過(guò)程三、消電離及其方式：三、消電離及其方式：1. 1. 消電離消電離：也叫去游離；是指電離氣體中的帶電粒子：也叫去游離；是指電離氣體中的帶電粒子自身消失或者失去電荷變?yōu)橹行粤Ｗ拥默F(xiàn)象。自身消失或者失去電荷變?yōu)橹行粤Ｗ拥默F(xiàn)象。2. 2. 消電離方式：包括消電離方式：包括復(fù)合復(fù)合與與擴(kuò)散擴(kuò)散。 復(fù)合：兩個(gè)帶異性電荷的粒子相遇后，相互作用引復(fù)合：兩個(gè)帶異性電荷的粒子相遇后，相互作用引起電荷消失，形成中性粒子的現(xiàn)象。具體有以下兩種方式：起電荷消失，形成中性粒子的現(xiàn)象。具體有以下兩種方式： a. a. 表面復(fù)合表面復(fù)合：有四種方式。此時(shí)，釋放的能量多用：有四種方式。此時(shí)，釋放的能量多用

26、以加熱電極、金屬或絕緣材料的表面。以加熱電極、金屬或絕緣材料的表面。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 圖圖4-1 4-1 在金屬表面的復(fù)合過(guò)程在金屬表面的復(fù)合過(guò)程a) a) 正離子和電子復(fù)合成一個(gè)中性粒子正離子和電子復(fù)合成一個(gè)中性粒子b) b) 正離子和負(fù)離子復(fù)合成兩個(gè)中性粒子正離子和負(fù)離子復(fù)合成兩個(gè)中性粒子 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 圖圖4-2 4-2 間接空間復(fù)合的過(guò)程間接空間復(fù)合的過(guò)程 b. b. 空間復(fù)合：有直接復(fù)合和間接復(fù)合空間復(fù)合：有直接復(fù)合和間接復(fù)合( (電子粘在中性粒電子粘在中性粒子上，子上， 再與正離子相遇復(fù)合成為兩個(gè)中性粒子再與正離子相遇復(fù)合成為兩

27、個(gè)中性粒子) )。 對(duì)空間復(fù)合而言，促使空間復(fù)合的決定因素是冷卻，因?qū)臻g復(fù)合而言，促使空間復(fù)合的決定因素是冷卻，因?yàn)槔鋮s促使帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度減小。為冷卻促使帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度減小。 擴(kuò)散擴(kuò)散：弧柱中的帶電粒子，由于熱運(yùn)動(dòng)，從弧柱中濃度高：弧柱中的帶電粒子，由于熱運(yùn)動(dòng)，從弧柱中濃度高的區(qū)域移到濃度低的區(qū)域的現(xiàn)象。的區(qū)域移到濃度低的區(qū)域的現(xiàn)象。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程四、氣體放電四、氣體放電 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 圖圖4-4 4-4 氣體放電間隙的伏安特性氣體放電間隙的伏安特性 圖圖4-3 4-3 試驗(yàn)氣體放電的電路試驗(yàn)氣體放電的電路REU12IFEDCBA UI010-1110-610

28、-310-11(V)(A) 1. 1. 氣體放電的幾個(gè)階段：氣體放電的幾個(gè)階段： 見(jiàn)圖見(jiàn)圖4-44-4。 非自持放電階段非自持放電階段：是指當(dāng)外界因素去除后，放電：是指當(dāng)外界因素去除后，放電無(wú)法維持的階段，即圖中的無(wú)法維持的階段，即圖中的C C段。段。OA段：電場(chǎng)強(qiáng)度較小，帶電粒子僅由宇宙射線(xiàn)、段：電場(chǎng)強(qiáng)度較小，帶電粒子僅由宇宙射線(xiàn)、射射線(xiàn)等產(chǎn)生，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)線(xiàn)等產(chǎn)生，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)U時(shí)，到達(dá)陰極的帶電粒子時(shí)，到達(dá)陰極的帶電粒子成比例增加；成比例增加；AC段：電壓較高，間隙電場(chǎng)強(qiáng)度較大，段：電壓較高，間隙電場(chǎng)強(qiáng)度較大，I繼續(xù)增加，繼續(xù)增加，可產(chǎn)生電場(chǎng)電離，并出現(xiàn)二次發(fā)射；因去掉外加電離因素可

29、產(chǎn)生電場(chǎng)電離，并出現(xiàn)二次發(fā)射；因去掉外加電離因素后，放電停止，故稱(chēng)之為非自持放電階段。后，放電停止，故稱(chēng)之為非自持放電階段。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程FEDCBA UI010-1110-610-310-11(V)(A) 自持放電階段自持放電階段：圖：圖4-44-4中的中的CFCF段。段。 a. a. 定義：是指當(dāng)外界因素去除后，放電能夠維持的定義：是指當(dāng)外界因素去除后，放電能夠維持的階段，階段， 即圖中的即圖中的CFCF段。段。 b. b. 自持放電的條件：自持放電的條件：發(fā)生了間隙擊穿發(fā)生了間隙擊穿 ( (放電電流雪放電電流雪崩般增加，即放電突變的現(xiàn)象崩般增加，即放電突變的現(xiàn)象) )。 間

30、隙擊穿電壓主要決定于氣體壓力和電極間距離間隙擊穿電壓主要決定于氣體壓力和電極間距離的乘積，即的乘積，即jcjc f(pl)f(pl)，其也稱(chēng)為，其也稱(chēng)為巴申曲線(xiàn)巴申曲線(xiàn)。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程FEDCBA UI010-1110-610-310-11(V)(A) 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 圖圖4-5 4-5 銅電極時(shí)空氣的銅電極時(shí)空氣的UjcUjc和和plpl的試驗(yàn)曲線(xiàn)（實(shí)線(xiàn)）和計(jì)算曲線(xiàn)（虛線(xiàn)）的試驗(yàn)曲線(xiàn)（實(shí)線(xiàn)）和計(jì)算曲線(xiàn)（虛線(xiàn)）“巴申曲線(xiàn)巴申曲線(xiàn)”分析，結(jié)果：分析，結(jié)果： 除除pl很小外，實(shí)線(xiàn)與虛線(xiàn)很接近；很小外，實(shí)線(xiàn)與虛線(xiàn)很接近； pl很高（提高氣壓）或很低（真空）時(shí)，很高（提高氣壓

31、）或很低（真空）時(shí)，Ujc較大；較大； p在特定位置在特定位置(pl)min時(shí)，時(shí)，Ujc最?。ㄗ钚。║jcmin）。）。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 c. c. 舉例：將舉例：將BF段分為段分為BD區(qū)和區(qū)和EF區(qū)。其中，區(qū)。其中，#C點(diǎn)點(diǎn)附近的附近的BD區(qū)的特征：通道是常溫，電流密度小，陰極壓區(qū)的特征：通道是常溫，電流密度小，陰極壓降高（幾百伏），呈輝光，稱(chēng)為輝光放電區(qū)。電流降高（幾百伏），呈輝光，稱(chēng)為輝光放電區(qū)。電流0.1左右，無(wú)明顯發(fā)熱。左右，無(wú)明顯發(fā)熱。帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)射和帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)射和陰極區(qū)的碰撞電離。陰極區(qū)的碰撞電離。維持輝光放

32、電的重要條件是陰極的低溫。維持輝光放電的重要條件是陰極的低溫。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程#EF區(qū)：在外加電壓作用下，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供區(qū)：在外加電壓作用下，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)犭婋x，最后由電子進(jìn)入陽(yáng)電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)犭婋x，最后由電子進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)而被陽(yáng)極所吸收。極區(qū)而被陽(yáng)極所吸收。游離方式有熱游離與光游離；游離方式有熱游離與光游離；形式：電?。恍问剑弘娀?；特征：溫度極高（特征：溫度極高（6000k以上），電流密度很大（幾千以上），電流密度很大（幾千安安/平方厘米），陰極壓降很?。◣资?。平方厘米），陰極壓降很?。◣资?4-2 氣體放電的物理過(guò)程 2.

33、2. 氣體放電的幾種氣體放電的幾種形式形式： . . 輝光放電輝光放電：圖：圖4-44-4的的B B段；段；0.10.1左右，無(wú)左右，無(wú)明顯發(fā)熱；帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)明顯發(fā)熱；帶電粒子產(chǎn)生的主要原因是陰極的二次電子發(fā)射和陰極區(qū)的碰撞游離；維持輝光放電的重要條件是陰極射和陰極區(qū)的碰撞游離；維持輝光放電的重要條件是陰極的低溫。的低溫。 . . 弧光放電弧光放電：圖：圖4-44-4的的F F段；是在外加電壓作用下，段；是在外加電壓作用下，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)嵊坞x，由陰極壓降區(qū)連續(xù)提供電子流，在弧柱區(qū)產(chǎn)生高溫?zé)嵊坞x，最后由電子進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)而被陽(yáng)極所吸收。最后

34、由電子進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)而被陽(yáng)極所吸收。 等粒子體：是正、負(fù)帶電粒子數(shù)相等的游離氣體。等粒子體：是正、負(fù)帶電粒子數(shù)相等的游離氣體。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程FEDCBA UI010-1110-610-310-11(V)(A)五、氣體間隙的擊穿理論：五、氣體間隙的擊穿理論：1.氣體間隙擊穿即是由絕緣變?yōu)閷?dǎo)電。氣體間隙擊穿即是由絕緣變?yōu)閷?dǎo)電。2.湯遜放電理論：湯遜放電理論： 1）表達(dá)式）表達(dá)式1：電離的條件是：電離的條件是 eeyleylEWEU或y ley lUE式中式中：是電子平均自由行程是電子平均自由行程.3）電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不考慮實(shí)際的）電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不考慮實(shí)際的“Z”字形軌跡特征。字形軌

35、跡特征。 2 2）表達(dá)式）表達(dá)式2 2： 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 3.3. 湯遜第一系數(shù)湯遜第一系數(shù)：即空間游離系數(shù)：即空間游離系數(shù)，是一個(gè)電，是一個(gè)電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電子沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在單位距離內(nèi)由電場(chǎng)電離而產(chǎn)生的帶電粒子對(duì)數(shù)（一個(gè)電子和一個(gè)正離子為一對(duì)），其表達(dá)式為：粒子對(duì)數(shù)（一個(gè)電子和一個(gè)正離子為一對(duì)），其表達(dá)式為：00B PTEA PeT 其中，其中，P P是氣壓，是氣壓，mmHgmmHg； T T：氣溫，：氣溫，K K； A A0 0、B B0 0：是經(jīng)：是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。驗(yàn)數(shù)據(jù)。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程4.間隙擊穿條件間隙擊穿條件：分均勻電場(chǎng)和不均

36、勻電場(chǎng)考慮。：分均勻電場(chǎng)和不均勻電場(chǎng)考慮。 1）均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)： （1）氣體間隙擊穿條件氣體間隙擊穿條件：l（e -1）=1式中式中是表面游離系數(shù)，又叫湯遜游離第二系數(shù)，見(jiàn)下表，是表面游離系數(shù)，又叫湯遜游離第二系數(shù)，見(jiàn)下表，例如銅電極的例如銅電極的0.025； 湯遜第一系數(shù)湯遜第一系數(shù)是是空間游離空間游離系數(shù)。系數(shù)。 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 4-2 氣體放電的物理過(guò)程陰極材料陰極材料空氣空氣氫氫H2氮氮N2鋁鋁Al0.0350.10.1銅銅Cu0.0250.050.065鐵鐵Fe0.020.060.06不同氣體和不同電極材料時(shí)不同氣體和不同電極材料時(shí)的數(shù)值的數(shù)值 式中，式中，A、B是常數(shù)

37、，查手冊(cè)知。另外，是常數(shù)，查手冊(cè)知。另外，“pl”應(yīng)看應(yīng)看作一個(gè)參數(shù)。作一個(gè)參數(shù)。銅電極在空氣下的銅電極在空氣下的Ujc對(duì)對(duì)pl試驗(yàn)曲線(xiàn)（實(shí)線(xiàn)）與令試驗(yàn)曲線(xiàn)（實(shí)線(xiàn)）與令r=0.025、按上式作出的、按上式作出的Ujc對(duì)對(duì)pl的關(guān)系曲線(xiàn)（虛線(xiàn)）的關(guān)系曲線(xiàn)（虛線(xiàn)）如圖巴申曲線(xiàn)所示。如圖巴申曲線(xiàn)所示。lnlnjcBplUApl1（ 1+）r（2）間隙擊穿電壓間隙擊穿電壓Ujc： 4-2 氣體放電的物理過(guò)程將上式對(duì)將上式對(duì)pl求極值，可得銅電極在空氣中的最小擊穿求極值，可得銅電極在空氣中的最小擊穿電壓：電壓：minmin()248jcUBplV實(shí)際上，對(duì)空氣為實(shí)際上，對(duì)空氣為327V327V。 4-2

38、 氣體放電的物理過(guò)程最小擊穿電壓計(jì)算：最小擊穿電壓計(jì)算：l0dx（e-1）=1jcminminelnU=B (pl)=B1（1+）A2）不均勻電場(chǎng)的氣體間隙擊穿條件不均勻電場(chǎng)的氣體間隙擊穿條件： 4-2 氣體放電的物理過(guò)程當(dāng)帶電粒子變化當(dāng)帶電粒子變化，電弧燃燒趨熱；當(dāng)，電弧燃燒趨熱；當(dāng)時(shí)，時(shí)，電弧燃燒趨于穩(wěn)定；當(dāng)電弧燃燒趨于穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)，電弧燃燒趨于熄滅。時(shí)，電弧燃燒趨于熄滅。dNdNdNdNdNdtdtdtdtdtrcfq（） （） （）-（）0dNdt0dNdt0dNdt5. 弧隙中帶電粒子的變化情況可用離子平衡方程式弧隙中帶電粒子的變化情況可用離子平衡方程式 4-2 氣體放電的物理過(guò)程 4

39、-3 電弧的物理特征一、開(kāi)斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程一、開(kāi)斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過(guò)程1.最小生弧電流最小生弧電流和和最小生弧電壓最小生弧電壓當(dāng)被開(kāi)斷的電流和電壓超過(guò)觸頭材料的最小生弧電當(dāng)被開(kāi)斷的電流和電壓超過(guò)觸頭材料的最小生弧電流和最小生弧電壓（直流見(jiàn)表流和最小生弧電壓（直流見(jiàn)表4-2-2，交流見(jiàn)表，交流見(jiàn)表4-3-3）時(shí)，）時(shí)，弧隙中將產(chǎn)生電弧?；∠吨袑a(chǎn)生電弧。 4-3 電弧的物理特征 4-3 電弧的物理特征 2. 2. 電弧產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程：電弧產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程： 1 1） 電壓、電流大于最小生弧電壓和最小生弧電流時(shí)，電壓、電流大于最小生弧電壓和最小生弧電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電??；會(huì)產(chǎn)生電?。?2 2）

40、 觸頭閉合過(guò)程中，因動(dòng)觸頭觸頭閉合過(guò)程中，因動(dòng)觸頭“彈跳彈跳”，在一定條件，在一定條件下產(chǎn)生電??；下產(chǎn)生電弧； 3 3） 觸頭分離時(shí)，電弧產(chǎn)生過(guò)程。觸頭分離時(shí)，電弧產(chǎn)生過(guò)程。 4-3 電弧的物理特征 3. 3. 觸頭分離：觸頭分離： 1 1）開(kāi)始分離開(kāi)始分離：接觸面積減小，電流密度增大，強(qiáng)烈發(fā)熱；：接觸面積減小，電流密度增大，強(qiáng)烈發(fā)熱； 2 2）分離瞬間分離瞬間：接觸處的金屬先熔化，產(chǎn)生液態(tài)金屬橋及金：接觸處的金屬先熔化，產(chǎn)生液態(tài)金屬橋及金屬蒸汽，然后由熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射產(chǎn)生大量電子，再由電屬蒸汽，然后由熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射產(chǎn)生大量電子，再由電場(chǎng)游離產(chǎn)生電子和正離子，由復(fù)合作用維持熱發(fā)射。場(chǎng)游離

41、產(chǎn)生電子和正離子，由復(fù)合作用維持熱發(fā)射。 結(jié)果：弧隙溫度升高，熱電離起主導(dǎo)作用，氣體帶電離子結(jié)果：弧隙溫度升高，熱電離起主導(dǎo)作用，氣體帶電離子增多，氣體電導(dǎo)率增大，弧隙兩端電壓降低，直至帶電粒子增多，氣體電導(dǎo)率增大，弧隙兩端電壓降低，直至帶電粒子達(dá)到平衡，電弧穩(wěn)定燃燒。達(dá)到平衡，電弧穩(wěn)定燃燒。 注意：高電場(chǎng)發(fā)射是電弧產(chǎn)生的根本原因。注意：高電場(chǎng)發(fā)射是電弧產(chǎn)生的根本原因。 4-3 電弧的物理特征二、電弧近極區(qū)和弧柱區(qū)的特征：二、電弧近極區(qū)和弧柱區(qū)的特征： 1. 直流電弧電弧壓降直流電弧電弧壓降Uh的三個(gè)區(qū)域：的三個(gè)區(qū)域：（1）近陰極區(qū)：聚集大量正離子，是一個(gè)正空間電荷；）近陰極區(qū)：聚集大量正離子

42、，是一個(gè)正空間電荷；陰極壓降陰極壓降Uc較大，其值與陰極材料和氣體介質(zhì)有關(guān)，數(shù)較大，其值與陰極材料和氣體介質(zhì)有關(guān)，數(shù)值見(jiàn)表值見(jiàn)表4-4。（2）近陽(yáng)極區(qū)：聚集大量電子，屬負(fù)空間電荷區(qū)；陽(yáng)）近陽(yáng)極區(qū)：聚集大量電子，屬負(fù)空間電荷區(qū)；陽(yáng)極壓降極壓降Ua，其值與陽(yáng)極材料有關(guān)；，其值與陽(yáng)極材料有關(guān)； 4-3 電弧的物理特征（3）弧柱區(qū)弧柱區(qū)：近似圓柱：近似圓柱形；電離氣體中正負(fù)帶電粒形；電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體，類(lèi)子數(shù)相等，為等離子體，類(lèi)似金屬導(dǎo)體；似金屬導(dǎo)體；E沿弧長(zhǎng)可看沿弧長(zhǎng)可看作是常數(shù)，其值與電極材料、作是常數(shù)，其值與電極材料、氣壓、介質(zhì)對(duì)電弧的作用等氣壓、介質(zhì)對(duì)電弧的作用等有關(guān)；弧

43、柱電壓有關(guān)；弧柱電壓UzIhRh。 4-3 電弧的物理特征Za)CA-+UaUzUcUh0b)xEUE 圖4-6 電弧的特性a) 劃分為三個(gè)區(qū)域 b）各區(qū)域的電壓和電場(chǎng)強(qiáng)度 式中，式中，U U0 0是近極壓降；是近極壓降； E E是弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度是弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度V/cmV/cm； l l是電是電弧長(zhǎng)度。弧長(zhǎng)度。 按按U Ua a和和U Uc c在電弧電壓中所占比例不同，可將電弧分在電弧電壓中所占比例不同，可將電弧分為短?。O間距離很短的電?。┖烷L(zhǎng)?。O間距離很長(zhǎng)，為短?。O間距離很短的電?。┖烷L(zhǎng)?。O間距離很長(zhǎng)，U Uh hUU0 0，且，且U Uh hE E的電?。５碾娀。?。0( )hcazU

44、UUUUEl V2. 2. 直流電弧電壓直流電弧電壓： 4-3 電弧的物理特征三、電弧長(zhǎng)度：與發(fā)熱及氣流有關(guān)。三、電弧長(zhǎng)度：與發(fā)熱及氣流有關(guān)。四、弧柱的溫度：用光學(xué)方法測(cè)量。四、弧柱的溫度：用光學(xué)方法測(cè)量。 常用的測(cè)量方法是光譜分析法常用的測(cè)量方法是光譜分析法 4-3 電弧的物理特征12000K10000K1000K2000K8000K6000K4000K500K陰極陽(yáng)極圖圖4-7 200A碳電極碳電極 電弧的溫度場(chǎng)電弧的溫度場(chǎng)開(kāi)關(guān)電器：開(kāi)關(guān)電器： 燃弧溫度：燃弧溫度：600020000K； 趨向熄滅溫度：趨向熄滅溫度：30004000k。 4-3 電弧的物理特征050100200246810

45、Ih17A26A36ATh /10 K3150圖4-8 交流弧柱溫度 隨電流相角的變化 弧柱溫度的變化要滯后電流一定的時(shí)間，這種現(xiàn)象主要是由于電弧的熱慣性所決定的。 所以呈現(xiàn)這一現(xiàn)象，是因?yàn)闃?gòu)成電弧的氣體具有一定的熱容量，要使溫度升高或降低，必須供給或從中散發(fā)一定的熱量，而熱量的供給或散發(fā)需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間。 溫度的變化滯后于電流的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電弧的熱慣性 五、弧柱的直徑。五、弧柱的直徑。 弧柱直徑的大小與觸頭材料、電流大小、氣體弧柱直徑的大小與觸頭材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類(lèi)、氣壓以及氣體介質(zhì)與弧柱的作用強(qiáng)烈介質(zhì)種類(lèi)、氣壓以及氣體介質(zhì)與弧柱的作用強(qiáng)烈程度有關(guān)。程度有關(guān)。 弧柱直徑隨電流

46、大小改變的情況，其原因也是由于弧柱具有熱慣性。 4-3 電弧的物理特征 六、電弧的弧根和斑點(diǎn)：六、電弧的弧根和斑點(diǎn)： 1. 弧根：弧柱貼近電極的部分；弧根：弧柱貼近電極的部分； 2. 斑點(diǎn)：弧根在電極表面上形成的圓形明亮點(diǎn)。斑點(diǎn)：弧根在電極表面上形成的圓形明亮點(diǎn)。 4-3 電弧的物理特征（1）陰極斑點(diǎn)：是維持電弧存在的電子發(fā)射處，其電流）陰極斑點(diǎn)：是維持電弧存在的電子發(fā)射處，其電流密度高（密度高（104A/cm2，甚至達(dá)，甚至達(dá)107A/cm2），導(dǎo)致電），導(dǎo)致電極材料迅速汽化，形成金屬蒸汽進(jìn)入弧隙。同時(shí)斑點(diǎn)區(qū)極材料迅速汽化，形成金屬蒸汽進(jìn)入弧隙。同時(shí)斑點(diǎn)區(qū)通過(guò)熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射和二次發(fā)射提供

47、大量的電子；通過(guò)熱發(fā)射、高電場(chǎng)發(fā)射和二次發(fā)射提供大量的電子；結(jié)果陰極表面逐漸燒損，形成凹坑。結(jié)果陰極表面逐漸燒損，形成凹坑。（2）陽(yáng)極斑點(diǎn)陽(yáng)極斑點(diǎn)：是電子進(jìn)入陽(yáng)極的入口，面積大于陰極：是電子進(jìn)入陽(yáng)極的入口，面積大于陰極斑點(diǎn)，故電流密度較小。斑點(diǎn)，故電流密度較小。 4-3 電弧的物理特征3. 3. 電弧的能量平衡電弧的能量平衡： （1 1）電弧的發(fā)熱功率電弧的發(fā)熱功率： hhhhPU II0z（U +U ）ScddlfsPPPP（2 2）電弧的散熱功率（傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射）電弧的散熱功率（傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射）： 4-3 電弧的物理特征式中式中 WQ是電弧的含熱量，是電弧的含熱量，J； Ps：弧柱總散

48、熱量；：弧柱總散熱量； Ph：電弧功率。：電弧功率。當(dāng)當(dāng)時(shí)，電弧燃燒趨于燃燒；當(dāng)時(shí)，電弧燃燒趨于燃燒；當(dāng)時(shí)，時(shí)，電弧穩(wěn)定燃燒；當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒；當(dāng)時(shí)，電弧趨于熄滅。時(shí)，電弧趨于熄滅。QhhsdWU IPdt0QdWdt0QdWdt0QdWdt（3）由上兩式，可得）由上兩式，可得電弧的動(dòng)態(tài)能量平衡方程電弧的動(dòng)態(tài)能量平衡方程： 4-3 電弧的物理特征三、維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：三、維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理： 1. 1. 前提：前提： 假定電弧是一個(gè)純電阻性的發(fā)熱元件。假定電弧是一個(gè)純電阻性的發(fā)熱元件。 電弧燃燒時(shí)，從電源輸入到電弧內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)變成熱電弧燃燒時(shí)，從電源輸入到電

49、弧內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)變成熱能，通過(guò)傳導(dǎo)能，通過(guò)傳導(dǎo)(cd)(cd)、對(duì)流、對(duì)流(dl)(dl)和輻射和輻射(fs)(fs)三種方式散失。三種方式散失。 4-3 電弧的物理特征 2. 2. 用能量平衡的觀點(diǎn)，分析維持電弧燃燒或促使電弧用能量平衡的觀點(diǎn)，分析維持電弧燃燒或促使電弧熄滅的基本原理：熄滅的基本原理： 令：令：h h：輸入弧隙的功率；：輸入弧隙的功率；s s：散失功率；：散失功率； h h s s： h h增加，增加，t th h增加，弧徑變粗，電弧趨增加，弧徑變粗，電弧趨于燃燒；于燃燒； h h s s： I Ih h恒定，弧徑不變，電弧穩(wěn)定燃燒；恒定，弧徑不變，電弧穩(wěn)定燃燒； h h 2

50、2 ： h h增加增加, ,電弧燃燒更劇烈；電弧燃燒更劇烈； 1 1 2 2 ： h h恒定，電弧穩(wěn)定燃燒；恒定，電弧穩(wěn)定燃燒； 1 1 l1Uhl2l1IhO圖4-11 不同弧長(zhǎng)時(shí)直流電弧的靜態(tài)伏安特性 直流電弧的靜態(tài)伏安特性 （1）概念概念：在電弧長(zhǎng)度維持不變的情況下，對(duì)應(yīng)每一個(gè)：在電弧長(zhǎng)度維持不變的情況下，對(duì)應(yīng)每一個(gè)直流電流直流電流Ih，當(dāng)電弧中的發(fā)熱和散熱過(guò)程達(dá)到平衡后，弧隙，當(dāng)電弧中的發(fā)熱和散熱過(guò)程達(dá)到平衡后，弧隙兩端都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的電壓兩端都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的電壓Uh，則稱(chēng)，則稱(chēng)Uh與與Ih的關(guān)系為的關(guān)系為直流電弧的靜態(tài)伏安特性，是非線(xiàn)性、反時(shí)限特性。直流電弧的靜態(tài)伏安特性，是

51、非線(xiàn)性、反時(shí)限特性。（2）弧長(zhǎng)改變時(shí)，直流電弧靜態(tài)特性曲線(xiàn)將上下近似平移；）弧長(zhǎng)改變時(shí)，直流電弧靜態(tài)特性曲線(xiàn)將上下近似平移；（3）特性與電極材料、介質(zhì)的種類(lèi)、氣壓、溫度、相對(duì)）特性與電極材料、介質(zhì)的種類(lèi)、氣壓、溫度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。（4）電弧電阻電弧電阻Rh的計(jì)算公式的計(jì)算公式： hhhURtgI 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅3. 直流電弧伏安特性曲線(xiàn)分析：直流電弧伏安特性曲線(xiàn)分析： 計(jì)算直流電弧靜伏安特性電壓與電流間的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算直流電弧靜伏安特性電壓與電流間的經(jīng)驗(yàn)公式 ：式中式中 0 0：電弧近極壓降，；：電弧近極壓降，； l：電弧長(zhǎng)度，：電弧長(zhǎng)度，cmcm； n n和

52、和c c：常數(shù)，：常數(shù)，n n0.250.25； I Ih h：電弧電流，；：電弧電流，； 靜伏安特性曲線(xiàn)靜伏安特性曲線(xiàn)/ /動(dòng)伏安特性曲線(xiàn)、動(dòng)伏安特性曲線(xiàn)、3 3、：、： 如圖如圖4-124-12所示所示. . 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅0hnhclUUI 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅U0U0I1I12345hhdIh/dt=0dIh/dtdIh/dtdIh/dt0- 圖4-12 直流電弧的伏安特性1電弧靜態(tài)伏安特性 2、3、4、5電弧動(dòng)態(tài)伏安特性 圖中，圖中，I Ih h時(shí)，時(shí)，U Uh h，原因是：，原因是：I Ih h時(shí)，輸入功率時(shí)，輸入功率I Ih hU Uh h，溫度，溫度TT，

53、結(jié)果直徑，結(jié)果直徑dd，導(dǎo)致，導(dǎo)致P Ps s,R,Rh h，最終，最終U Uh h,即即R Rh h。 曲線(xiàn)低于曲線(xiàn)的原因：熱慣性作用，即對(duì)同樣曲線(xiàn)低于曲線(xiàn)的原因：熱慣性作用，即對(duì)同樣的電弧電流，曲線(xiàn)的弧隙溫度相對(duì)偏高些，使得對(duì)應(yīng)的的電弧電流，曲線(xiàn)的弧隙溫度相對(duì)偏高些，使得對(duì)應(yīng)的電弧電阻偏小些，對(duì)應(yīng)有電弧電阻偏小些，對(duì)應(yīng)有h h偏小些。偏小些。 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅 任取圖任取圖4-124-12的穩(wěn)定燃燒曲線(xiàn)的穩(wěn)定燃燒曲線(xiàn)1 1中一點(diǎn)（中一點(diǎn)（I=II=I1 1）分析圖中曲）分析圖中曲線(xiàn)的變化情況：線(xiàn)的變化情況：123(),hhhhhhhhhhIRI RIRI RdIITdt hhh

54、hh、 快速 ， 來(lái)不及減小，則U新穩(wěn)態(tài)時(shí)的U 值；、 快速 ， 來(lái)不及增大，則U新穩(wěn)態(tài)時(shí)的U 值；、變化期間，弧柱的 、直徑保持不變，R 也不變，為直線(xiàn)。 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅二、直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)與熄滅條件：二、直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)與熄滅條件： . .直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)：直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)： (1) (1) 對(duì)比直流電弧的對(duì)比直流電弧的靜伏安特性曲線(xiàn)靜伏安特性曲線(xiàn)與與電路的伏安特電路的伏安特性曲線(xiàn)性曲線(xiàn)的關(guān)系：的關(guān)系： (2) (2) 直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)：也叫直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)：也叫“工作點(diǎn)工作點(diǎn)”，它們，它們滿(mǎn)足：滿(mǎn)足： 。 (3) (3) 用圖解法求直流電弧的穩(wěn)定燃燒

55、點(diǎn)并分析之：用圖解法求直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)并分析之： 點(diǎn)點(diǎn)1 1：視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)；點(diǎn)；點(diǎn)2 2：穩(wěn)定燃燒點(diǎn)穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。 原因是：原因是：- -f f（）與（）與h hf f（）間的大（）間的大小關(guān)系。小關(guān)系。 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅hhEI RUhhUEI R 4-4 直流電弧的燃燒與熄滅圖圖4-14 直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)直流電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn). . 直流電弧的熄滅條件：直流電弧的熄滅條件：E-IRUE-IRPPs s，R Rh h迅速減小，迅速減小，i ih h迅速增大。迅速增大。在在i ih h半波末了時(shí)，半波末了時(shí)，i ih h減小，減小，u uh h上升；當(dāng)上升；當(dāng)u

56、 u下降至低于下降至低于u uxhxh時(shí)，電弧時(shí)，電弧u uh h又隨又隨u u變化變化（電弧完全熄滅）（電弧完全熄滅）。 一、交流電弧的伏安特性一、交流電弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形： （2）電感性電感性負(fù)載下，交流電弧的熄滅過(guò)程：負(fù)載下，交流電弧的熄滅過(guò)程： ih落后落后電源電壓電源電壓u約約90。當(dāng)。當(dāng)ih過(guò)零時(shí)，電過(guò)零時(shí)，電弧熄滅，弧熄滅，u約為幅值。因約為幅值。因Rh迅速增大，電路相當(dāng)迅速增大，電路相當(dāng)于完全開(kāi)斷，于完全開(kāi)斷，uh將以很快的速度（比電阻性負(fù)將以很快的速度（比電阻性負(fù)載快得多）趨向載快得

57、多）趨向u的幅值，故的幅值，故urh出現(xiàn)較早出現(xiàn)較早，弧，弧熄中通過(guò)較大負(fù)載電流的時(shí)間也將提前。熄中通過(guò)較大負(fù)載電流的時(shí)間也將提前。一、交流電弧的伏安特性一、交流電弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形： （3 3）在開(kāi)斷同一交流電流時(shí)，電阻性負(fù)載電路中的）在開(kāi)斷同一交流電流時(shí)，電阻性負(fù)載電路中的電弧比電感性負(fù)載電路中的電弧容易熄滅的原因：電弧比電感性負(fù)載電路中的電弧容易熄滅的原因： 一是：一是：“電壓比較電壓比較”的結(jié)果。的結(jié)果。在在ih過(guò)零前的一段時(shí)間內(nèi)，過(guò)零前的一段時(shí)間內(nèi)，PhPs，弧柱是變冷、，弧柱是變冷、變細(xì)的

58、。如變細(xì)的。如ih過(guò)零后加在弧熄上的過(guò)零后加在弧熄上的電壓緩慢上升電壓緩慢上升，則，則在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電弧的在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電弧的PhPs，弧柱將變冷、變細(xì)，弧柱將變冷、變細(xì)，Rh將更加增大，也使將更加增大，也使urh更加增高。如更加增高。如urh的增高大的增高大于于u的幅值，的幅值，Rh將不再迅速下降，因此電弧將不再重將不再迅速下降，因此電弧將不再重燃。燃。一、交流電弧的伏安特性一、交流電弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：二是：二是：“零休期時(shí)間零休期時(shí)間”的長(zhǎng)短對(duì)電弧的熄滅的長(zhǎng)短對(duì)電弧的熄滅影響很大。影響很大。零休期時(shí)

59、間越長(zhǎng)，弧柱會(huì)越細(xì)越冷，甚至?xí)阈萜跁r(shí)間越長(zhǎng)，弧柱會(huì)越細(xì)越冷，甚至?xí)?，電弧熄滅也越容易。由于消失，電弧熄滅也越容易。由于電阻性?fù)載的零電阻性負(fù)載的零休期時(shí)間比電感性負(fù)載的零休期時(shí)間長(zhǎng)休期時(shí)間比電感性負(fù)載的零休期時(shí)間長(zhǎng)，故熄滅，故熄滅電弧越容易。電弧越容易。一、交流電弧的伏安特性一、交流電弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形： （4 4）交流電弧與直流電弧相比，交流電弧容易熄）交流電弧與直流電弧相比，交流電弧容易熄滅：滅： 交流電路中，電流在交流電路中，電流在1s1s內(nèi)要通過(guò)零點(diǎn)內(nèi)要通過(guò)零點(diǎn)2f2f（電源（電源頻率）

60、次頻率）次。過(guò)零附近一段時(shí)間內(nèi)，。過(guò)零附近一段時(shí)間內(nèi)，P Ph hPPs s，弧柱要變，弧柱要變冷、變細(xì)，甚至可能由導(dǎo)體狀態(tài)變?yōu)榻^緣狀態(tài)。冷、變細(xì)，甚至可能由導(dǎo)體狀態(tài)變?yōu)榻^緣狀態(tài)。 直流電路中，直流電路中，電流不隨時(shí)間變化而變化電流不隨時(shí)間變化而變化，不改，不改變外部條件時(shí)，電弧穩(wěn)定燃燒。變外部條件時(shí)，電弧穩(wěn)定燃燒。一、交流電弧的伏安特性一、交流電弧的伏安特性( )huf t( )hif t2. 電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：電弧電壓和電流隨時(shí)間變化的波形：1. 1. 零休現(xiàn)象：零休現(xiàn)象： (1) (1) 電阻性負(fù)載：電阻性負(fù)載： u ur rh h到來(lái)之前，到來(lái)之前，R Rh h很大很大，