電弧的基本特征

1、電電 器器 理理 論論 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)-第三章第三章電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) 概 述 背 景 知 識(shí) 3-1 氣體放電的物理過程 3-2 電弧的物理特征 3-3 直流電弧的燃燒與熄滅 3-4 交流電弧的特性 3-5 麥也耳電弧數(shù)學(xué)模型介紹 小 結(jié)第三章第三章 電弧的基本特征電弧的基本特征本章講授內(nèi)容本章講授內(nèi)容 （其中（其中紅色內(nèi)容紅色內(nèi)容是重點(diǎn)）是重點(diǎn)） 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)生的過程電弧產(chǎn)生的過程和電弧的溫度、直徑等特性。和電弧的溫度、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

2、滅條件和熄滅方法。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。 4 4交流電弧的特性；交流電弧的伏安特性及電弧電壓對電路電流的影交流電弧的特性；交流電弧的伏安特性及電弧電壓對電路電流的影響。響。5 5、麥也耳電弧數(shù)學(xué)模型介紹、麥也耳電弧數(shù)學(xué)模型介紹第三章第三章 電弧的基本特征電弧的基本特征實(shí)驗(yàn)室模擬磁環(huán)爆發(fā)磁環(huán)爆發(fā) 第三章第三章 電弧的基本特征電弧的基本特征空間空間天體等離子體天體等離子體第三章第三章 電弧的基本特征電弧的基本特征“電弧電弧”的定義：的定義： 定義定義 ：在大氣中開斷電路時(shí)，當(dāng)電源電壓：在大氣中開斷電路時(shí)，當(dāng)電源電壓U U0 =（1220），被開斷電流，被開斷電流（

3、0.251）時(shí)，觸頭間隙中產(chǎn)生的一團(tuán)）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)電的近似圓柱體的氣體。溫度極高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的近似圓柱體的氣體。 電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體（電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體（ Plasma Plasma ）。）。 電弧具有溫度高和發(fā)強(qiáng)光的性質(zhì)，被廣泛用于焊接、熔煉和強(qiáng)光源等各電弧具有溫度高和發(fā)強(qiáng)光的性質(zhì)，被廣泛用于焊接、熔煉和強(qiáng)光源等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。但是，在開關(guān)電器中，電弧的存在卻具有兩重性。個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。但是，在開關(guān)電器中，電弧的存在卻具有兩重性。 一方面它可給電路中磁能的泄放提供場所，從而降低電路開斷時(shí)產(chǎn)生的一方面它可給電路中磁能的

4、泄放提供場所，從而降低電路開斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓，過電壓， 另一方面它延遲電路的開斷、燒損觸頭，在嚴(yán)重的情況下甚至可能引另一方面它延遲電路的開斷、燒損觸頭，在嚴(yán)重的情況下甚至可能引起開關(guān)電器的著火和爆炸。起開關(guān)電器的著火和爆炸。 因此，在電器技術(shù)科學(xué)中研究電弧的目的，不在于如何利因此，在電器技術(shù)科學(xué)中研究電弧的目的，不在于如何利用電弧穩(wěn)定然燒的特性為生產(chǎn)服務(wù)，而在于采取怎樣的措施用電弧穩(wěn)定然燒的特性為生產(chǎn)服務(wù)，而在于采取怎樣的措施使其存在的時(shí)間盡量縮短，以減輕其危害?；蛘哒f，研究電使其存在的時(shí)間盡量縮短，以減輕其危害?；蛘哒f，研究電弧的目的是弧的目的是為了盡快的熄滅電弧為了盡快的熄滅電弧。 氣體放

5、電氣體放電: :是指氣體由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)，使電流通過的現(xiàn)象。是指氣體由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)，使電流通過的現(xiàn)象。 氣體放電的前提：氣體電離化。氣體放電的前提：氣體電離化。 電弧是氣體放電的一種形式。電弧是氣體放電的一種形式。 電子是按一定數(shù)量規(guī)律分布在其最低能級的軌道上。當(dāng)原子受到外界能量電子是按一定數(shù)量規(guī)律分布在其最低能級的軌道上。當(dāng)原子受到外界能量( (熱、光、碰撞等熱、光、碰撞等) )作用時(shí)，其外層軌道上的電子就可能吸收這些能量，克服作用時(shí)，其外層軌道上的電子就可能吸收這些能量，克服原子核的吸引力而躍遷到更外層較高能級的軌道上去。然而，電子處于外原子核的吸引力而躍遷到更外層較高能級的

6、軌道上去。然而，電子處于外層軌道上是不穩(wěn)定的，常因受原子核的吸引力作用而自動(dòng)跳回到原來的軌層軌道上是不穩(wěn)定的，常因受原子核的吸引力作用而自動(dòng)跳回到原來的軌道上去。在跳回的過程中，電子以量子輻射的形式放出多余的能量。道上去。在跳回的過程中，電子以量子輻射的形式放出多余的能量。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程一、激勵(lì)與電離：一、激勵(lì)與電離： 、激勵(lì)：、激勵(lì)：也叫激發(fā)，是指原子吸收能量后，使電子由低能量軌道也叫激發(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程跳向能量較高的軌道的過程 ( (激勵(lì)后原子仍是中性原子，但原子的能激勵(lì)后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了量

7、提高了) )。此狀態(tài)只存在。此狀態(tài)只存在1010-9-91010-8-8秒。秒。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、電離：、電離： 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)而離開原子軌道形成自由電子，使原來的中性原子或分子態(tài)而離開原子軌道形成自由電子，使原來的中性原子或分子( (統(tǒng)稱中統(tǒng)稱中性粒子或中性質(zhì)子性粒子或中性質(zhì)子) ) 變成一個(gè)帶正電荷的粒子變成一個(gè)帶正電荷的粒子( (正離子正離子) )的過程。的過程。 電離能電離能( (ylyl) )： 指電離出一個(gè)電子所需的最低能量指電離出一個(gè)電子所需的最低能量(

8、(單位為：，單位為：，其值參見教材其值參見教材P58,P58,表表3-1)3-1)。為方便起見，電離能。為方便起見，電離能ylyl可以直接用電離可以直接用電離電壓表示，其單位由電壓表示，其單位由J J改為改為evev；ylylWeU191.6 10yleeCU電子的電量，電離電位 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程激勵(lì)一個(gè)電子所需的能量稱為激勵(lì)能，它的單位為激勵(lì)一個(gè)電子所需的能量稱為激勵(lì)能，它的單位為eVeV。一個(gè)原子可。一個(gè)原子可以有幾個(gè)激勵(lì)能，它們分別對應(yīng)于不同的外層軌道。一些氣體和金屬蒸汽以有幾個(gè)激勵(lì)能，它們分別對應(yīng)于不同的外層軌道。一些氣體和金屬蒸汽的激勵(lì)能也示于表的激勵(lì)能也

9、示于表3-13-1中。括號(hào)中的數(shù)字表示第二激勵(lì)能。中。括號(hào)中的數(shù)字表示第二激勵(lì)能。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 已被激勵(lì)的中性粒子比較容易電離，因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生電離所需已被激勵(lì)的中性粒子比較容易電離，因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生電離所需的能量小于正常中性粒子所需的能量，減少的數(shù)值即等于該的能量小于正常中性粒子所需的能量，減少的數(shù)值即等于該元素的激勵(lì)能。這種經(jīng)過激勵(lì)狀態(tài)再電離的現(xiàn)象叫做分級電元素的激勵(lì)能。這種經(jīng)過激勵(lì)狀態(tài)再電離的現(xiàn)象叫做分級電離。離。 激勵(lì)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，大量被激勵(lì)的中性粒子能以光量激勵(lì)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，大量被激勵(lì)的中性粒子能以光量子的形式釋放能量而自動(dòng)的回到正常狀態(tài)。子的形

10、式釋放能量而自動(dòng)的回到正常狀態(tài)。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 有一種特別的激勵(lì)狀態(tài)，在該狀態(tài)下，已經(jīng)跳到較外層軌道有一種特別的激勵(lì)狀態(tài)，在該狀態(tài)下，已經(jīng)跳到較外層軌道上的電子不能很快地返回原來的正常軌道。常常必須再由外上的電子不能很快地返回原來的正常軌道。常常必須再由外界加進(jìn)能量，使已處于較外層軌道上的電子跳到更外層軌道界加進(jìn)能量，使已處于較外層軌道上的電子跳到更外層軌道上去，然后電子才能跳回正常軌道，或者，電子在第二次外上去，然后電子才能跳回正常軌道，或者，電子在第二次外界能量的作用下發(fā)生電離。這種激勵(lì)狀態(tài)叫做界能量的作用下發(fā)生電離。這種激勵(lì)狀態(tài)叫做介穩(wěn)狀態(tài)介穩(wěn)狀態(tài)。中。中

11、性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間可達(dá)性粒子處于介穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間可達(dá)10-4-10-2s甚至更長，因而它甚至更長，因而它在中性電子電離的過程中起很大作用。在中性電子電離的過程中起很大作用。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程二、氣體電離方式：二、氣體電離方式： 氣體通常不導(dǎo)電，但是如果氣體中含有帶電粒子氣體通常不導(dǎo)電，但是如果氣體中含有帶電粒子-電子、電子、正離子和負(fù)離子，它就能導(dǎo)電。我們把這種氣體叫電離氣正離子和負(fù)離子，它就能導(dǎo)電。我們把這種氣體叫電離氣體。體。 氣體中被電離的原子數(shù)與總原子數(shù)之比叫做電離度。電離氣體中被電離的原子數(shù)與總原子數(shù)之比叫做電離度。電離度越高氣體導(dǎo)電率越大。度越高氣體

12、導(dǎo)電率越大。 氣體電離方式可以分為：氣體電離方式可以分為：表面發(fā)射和空間電離。表面發(fā)射和空間電離。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、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、高電場發(fā)射、光發(fā)射和二次發(fā)射。它包括了熱發(fā)射、高電場發(fā)射、光發(fā)射和二次發(fā)射。 熱發(fā)射：在熱發(fā)射：在200020002500K2500K范圍內(nèi)，金屬表面自由電子獲得足夠的范圍內(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造成的勢壘而逸出的現(xiàn)象。動(dòng)能，超越金屬表面晶格電場造成的勢壘而逸出的現(xiàn)象。 逸出功：記為逸出功：記為ycyc，是指一個(gè)電子逸出金屬

13、所需的最低能量，單位為，是指一個(gè)電子逸出金屬所需的最低能量，單位為evev。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 高電壓發(fā)射：也叫場致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面的電場強(qiáng)度高電壓發(fā)射：也叫場致發(fā)射，是常溫下當(dāng)金屬表面的電場強(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。 隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 光發(fā)射：光線光發(fā)射：光線( (紅外線、紫外線及其他射線紅外線、紫外線及其他射線) )照在金屬表面，引起電子從表照在金屬表面，引起電子從表面逸出的現(xiàn)象。面逸出的現(xiàn)象。光電效應(yīng)光電效應(yīng) 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陽極，引起金屬表

14、是指正離子高速撞擊陰極或電子高速撞擊陽極，引起金屬表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。面發(fā)射電子的現(xiàn)象。 在氣壓較高的放電間隙中，通常陰極表面附近比陽極表面附近的電場強(qiáng)度較在氣壓較高的放電間隙中，通常陰極表面附近比陽極表面附近的電場強(qiáng)度較高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)并在氣體放電過程中起著重要的作用。高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)并在氣體放電過程中起著重要的作用。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 、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。 空間電離的方式有光電離、電場電離和熱電離；它

15、們可能同空間電離的方式有光電離、電場電離和熱電離；它們可能同時(shí)存在。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 (h) 大于大于等于原子或分子的電離能時(shí)，發(fā)生的電離。等于原子或分子的電離能時(shí)，發(fā)生的電離。( h：普朗克常數(shù)，：普朗克常數(shù)，h6.62410-34，單位是，單位是js；：光子的頻率，：光子的頻率，S-1)。 光電離作用的大小，與光頻成正比，所以光電離作用的大小，與光頻成正比，所以X射線、射線、 、宇宙射線和紫外線都有較強(qiáng)的電離作用。宇宙射線和紫外線都有較強(qiáng)的電離作用。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、 、電場電離：、電場

16、電離：也叫碰撞電離。是一個(gè)質(zhì)量為也叫碰撞電離。是一個(gè)質(zhì)量為mm的帶電粒子的帶電粒子( (由光電離或由光電離或表面發(fā)射所產(chǎn)生表面發(fā)射所產(chǎn)生) )在電場的作用下被加速到后，如其動(dòng)能在電場的作用下被加速到后，如其動(dòng)能 MVMV大于大于ylyl，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，使它脫離原子核的引力范圍成為自由電子。電子，使它脫離原子核的引力范圍成為自由電子。 動(dòng)能超過電離能的電子，不是每次碰撞中性粒子都能使之電離的，而存在一動(dòng)能超過電離能的電子，不是每次碰撞中性粒子都能使之電離的，而存在一定幾率。

17、電離幾率的大小既取決于動(dòng)能的大小，又取決于電子和中性粒子兩定幾率。電離幾率的大小既取決于動(dòng)能的大小，又取決于電子和中性粒子兩者電磁場相互作用時(shí)間。有可能碰撞使中性粒子處于激勵(lì)狀態(tài)，然后再碰撞者電磁場相互作用時(shí)間。有可能碰撞使中性粒子處于激勵(lì)狀態(tài)，然后再碰撞才電離。有時(shí)碰撞后既不電離也不激勵(lì)，而是附著在中性粒子上而構(gòu)成負(fù)離才電離。有時(shí)碰撞后既不電離也不激勵(lì)，而是附著在中性粒子上而構(gòu)成負(fù)離子。子。 負(fù)電性氣體：對電子的粘合作用特強(qiáng)的氣體，多為氟原子及其化合物。負(fù)電性氣體：對電子的粘合作用特強(qiáng)的氣體，多為氟原子及其化合物。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 、熱電離：、熱電離：當(dāng)氣體溫度

18、在當(dāng)氣體溫度在300030004000K4000K以上時(shí)，氣體粒子因高速以上時(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。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：5 8 0 01 .2 521 .5 51 01 3 3y lWTTeP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)，WWylyl是中性粒子的電離能是中性粒子的電離能(J)(J)。 溫度越高，氣體的電離度越高。溫度越高，氣體的電離度越高。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 由圖由圖3-13-1知，金屬蒸汽的電離能比一般氣體

19、小得多，所以相同溫度知，金屬蒸汽的電離能比一般氣體小得多，所以相同溫度下，前者的電離度大于后者。氣體中混有金屬蒸汽時(shí)，其電離度要比純下，前者的電離度大于后者。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。氣體的高，即電導(dǎo)率要大。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程三、去電離及其方式：三、去電離及其方式： 、去電離：也叫消電離；是指電離氣體中的帶電粒子離開電離區(qū)、去電離：也叫消電離；是指電離氣體中的帶電粒子離開電離區(qū)域，或帶電粒子失去電荷變成中性粒子的現(xiàn)象。域，或帶電粒子失去電荷變成中性粒子的現(xiàn)象。 、去電離方式：包括復(fù)合與擴(kuò)散。、去電離方式：包括復(fù)合與擴(kuò)散。 、復(fù)合復(fù)合

20、：兩個(gè)帶異性電荷的粒子相遇后，相互作用引起電荷消失，：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：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：四種。、表面復(fù)合：四種。電子進(jìn)入陽極；正離子接近陰極后從陰極取電子進(jìn)入陽極；正離子接近陰極后從陰極取得電子，自身變?yōu)橹行粤Ｗ?；?fù)離子接近陽極后將電子移給陽極，得電子，自身變?yōu)橹行粤Ｗ?；?fù)離子接近陽極后將電子移給陽極， 自身自身變?yōu)橹行粤Ｗ?。變?yōu)橹行粤Ｗ?。還有，走向未帶電金屬的帶電粒子在金屬表面感應(yīng)出相反的電荷，還有，走向未帶電金屬的帶電粒子在金屬表面感應(yīng)出相反的電荷，由于庫倫力的作用它被吸附到

21、金屬表面。如果此時(shí)再有另一異號(hào)帶電粒由于庫倫力的作用它被吸附到金屬表面。如果此時(shí)再有另一異號(hào)帶電粒子也走向金屬表面，則兩個(gè)粒子通過金屬分別交出和取得電子而變成一子也走向金屬表面，則兩個(gè)粒子通過金屬分別交出和取得電子而變成一個(gè)或兩個(gè)中性粒子。個(gè)或兩個(gè)中性粒子。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 b b、空間復(fù)合、空間復(fù)合：兩種：兩種直接復(fù)合：直接復(fù)合：正離子和電子在空間相遇后形成一個(gè)中性粒子正離子和電子在空間相遇后形成一個(gè)中性粒子間接復(fù)合：間接復(fù)合：電子粘在中性粒子上形成負(fù)離子，電子粘在中性粒子上形成負(fù)離子， 再與正離子相遇復(fù)再與正離子相

22、遇復(fù)合成為兩個(gè)中性粒子。合成為兩個(gè)中性粒子。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 復(fù)合概率和氣體的性質(zhì)及純度有關(guān)。例如，惰性氣體和純凈復(fù)合概率和氣體的性質(zhì)及純度有關(guān)。例如，惰性氣體和純凈的氫氣及氮?dú)舛疾粫?huì)與電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟原子及其化的氫氣及氮?dú)舛疾粫?huì)與電子結(jié)合成為負(fù)離子，而氟原子及其化合物（合物（SFSF6 6）就具有極強(qiáng)的捕獲電子的能力。因此）就具有極強(qiáng)的捕獲電子的能力。因此SFSF6 6被被稱為負(fù)電性氣體，是一種良好的滅弧介質(zhì)。稱為負(fù)電性氣體，是一種良好的滅弧介質(zhì)。 帶電粒子在復(fù)合過程中要釋放部分能量，后者被用以加熱物體帶電粒子在復(fù)合過程中要釋放部分能量，后者被用以加熱物

23、體的表面（表面復(fù)合時(shí)）；或被用以增大所形成中性粒子的運(yùn)動(dòng)的表面（表面復(fù)合時(shí)）；或被用以增大所形成中性粒子的運(yùn)動(dòng)速度及以光量子的形式向周圍空間輻射（空間復(fù)合時(shí)）。速度及以光量子的形式向周圍空間輻射（空間復(fù)合時(shí)）。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、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。它使電離空間內(nèi)帶電高的區(qū)域移到濃度低的區(qū)域的現(xiàn)象。它使電離空間內(nèi)帶電粒子減少，從而降低電離度，有助于熄滅電弧。粒子減少，從而降低電離度，有助于熄滅電弧。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 當(dāng)電離氣體中

24、正負(fù)帶電粒子數(shù)相等當(dāng)電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等( (這種電離氣體稱為等這種電離氣體稱為等離子體離子體) )時(shí)，擴(kuò)散必然是所謂雙極性擴(kuò)散，亦即在同一時(shí)時(shí)，擴(kuò)散必然是所謂雙極性擴(kuò)散，亦即在同一時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散的正離子數(shù)和負(fù)帶電粒子數(shù)相等。否則，擴(kuò)間內(nèi)，擴(kuò)散的正離子數(shù)和負(fù)帶電粒子數(shù)相等。否則，擴(kuò)散不能繼續(xù)進(jìn)行。散不能繼續(xù)進(jìn)行。例：假設(shè)多擴(kuò)散了一個(gè)負(fù)離子，則電離氣體中相對多了一例：假設(shè)多擴(kuò)散了一個(gè)負(fù)離子，則電離氣體中相對多了一個(gè)正離子，于是電離氣體中將形成一正電場，他它對正個(gè)正離子，于是電離氣體中將形成一正電場，他它對正離子進(jìn)行排斥而對負(fù)帶電粒子進(jìn)行吸引。結(jié)果加速正離離子進(jìn)行排斥而對負(fù)帶電粒子進(jìn)行吸引。

25、結(jié)果加速正離子的擴(kuò)散而阻礙負(fù)帶電粒子的擴(kuò)散，使電離氣體中粒子子的擴(kuò)散而阻礙負(fù)帶電粒子的擴(kuò)散，使電離氣體中粒子數(shù)趨于新的平衡。數(shù)趨于新的平衡。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程氣體放電方式氣體放電方式表面發(fā)射表面發(fā)射熱發(fā)射熱發(fā)射場致發(fā)射場致發(fā)射光發(fā)射光發(fā)射二次發(fā)射二次發(fā)射空間電離空間電離光電離光電離電場電離電場電離熱電離熱電離氣體消電離方式氣體消電離方式復(fù)合復(fù)合擴(kuò)散擴(kuò)散表面復(fù)合表面復(fù)合空間復(fù)合空間復(fù)合 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程四、氣體放電四、氣體放電 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、氣體放電的幾個(gè)階段：氣體放電的幾個(gè)階段： 見圖見圖3-53-5。 、

26、非自持放電階段：非自持放電階段：是指間隙中最初的的自由電子是由外加因素產(chǎn)生的，當(dāng)是指間隙中最初的的自由電子是由外加因素產(chǎn)生的，當(dāng)外界因素去除后，間隙中無自由電子存在不能進(jìn)行導(dǎo)電，放電無法維持。所外界因素去除后，間隙中無自由電子存在不能進(jìn)行導(dǎo)電，放電無法維持。所以圖中的以圖中的C C段稱為非自持放電階段：段稱為非自持放電階段： OAOA段：此時(shí)電壓過低，間隙電場強(qiáng)度過小，外加電離因素（宇宙射線、段：此時(shí)電壓過低，間隙電場強(qiáng)度過小，外加電離因素（宇宙射線、 射射線等）產(chǎn)生的帶電粒子不能全部達(dá)到陽極，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)線等）產(chǎn)生的帶電粒子不能全部達(dá)到陽極，屬漫游狀態(tài)，當(dāng)UU時(shí)，到達(dá)陰時(shí)，到達(dá)陰極的帶電粒

27、子成比例增加；極的帶電粒子成比例增加； 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、非自持放電階段：非自持放電階段： ABAB段段：此時(shí)加到電極上的電壓在間隙中產(chǎn)生的電場強(qiáng)度較小，不足以產(chǎn)生高：此時(shí)加到電極上的電壓在間隙中產(chǎn)生的電場強(qiáng)度較小，不足以產(chǎn)生高電場發(fā)射和電場電離，間隙中帶電粒子僅由外加電離因素（宇宙射線、電場發(fā)射和電場電離，間隙中帶電粒子僅由外加電離因素（宇宙射線、 射射線等）產(chǎn)生，在電壓數(shù)值超過線等）產(chǎn)生，在電壓數(shù)值超過A A點(diǎn)時(shí)，他們能夠全部達(dá)到陽極，而呈現(xiàn)點(diǎn)時(shí)，他們能夠全部達(dá)到陽極，而呈現(xiàn) 電流大小與電壓數(shù)值無關(guān)的特性。電流大小與電壓數(shù)值無關(guān)的特性。 BC BC段：段：此時(shí)電

28、壓數(shù)值較高，間隙電場強(qiáng)度較大，此時(shí)電壓數(shù)值較高，間隙電場強(qiáng)度較大，自由電子在此電場作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，足以產(chǎn)生電場自由電子在此電場作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，足以產(chǎn)生電場電離。由此產(chǎn)生的正離子在電場作用下向陰極運(yùn)電離。由此產(chǎn)生的正離子在電場作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，并在到達(dá)陰極時(shí)轟擊陰極使之產(chǎn)生二次發(fā)射。動(dòng)，并在到達(dá)陰極時(shí)轟擊陰極使之產(chǎn)生二次發(fā)射。發(fā)射出的電子進(jìn)入氣體間隙，再繼續(xù)進(jìn)行電場電發(fā)射出的電子進(jìn)入氣體間隙，再繼續(xù)進(jìn)行電場電離，因而隨著電壓的升高離，因而隨著電壓的升高, , 電流增長較快。電流增長較快。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、自持放電階段：自持放電階段：圖圖3-53-5中的中的CFCF段。段

29、。 a a、定義：電壓升到、定義：電壓升到C C點(diǎn)時(shí)，由高壓電點(diǎn)時(shí)，由高壓電場發(fā)射和二次發(fā)射產(chǎn)生的電子數(shù)已足場發(fā)射和二次發(fā)射產(chǎn)生的電子數(shù)已足夠多，此時(shí)去除外界因素后，也能由夠多，此時(shí)去除外界因素后，也能由電子通過電場電離產(chǎn)生正離子，再由電子通過電場電離產(chǎn)生正離子，再由正離子通過二次發(fā)射產(chǎn)生電子這一往正離子通過二次發(fā)射產(chǎn)生電子這一往復(fù)作用維持間隙的放電，放電能夠維復(fù)作用維持間隙的放電，放電能夠維持的階段，持的階段， 即圖中的即圖中的CFCF段。段。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 C C點(diǎn)附件的點(diǎn)附件的BDBD區(qū)，因?yàn)闇愤d區(qū)，因?yàn)闇愤d最早對其進(jìn)行研究，故常稱為湯最早對其進(jìn)行研究

30、，故常稱為湯姆遜放電區(qū)。姆遜放電區(qū)。 在在DEDE區(qū)，氣體成輝光，故稱為區(qū)，氣體成輝光，故稱為輝光放電輝光放電區(qū)。此時(shí)間隙中的電離區(qū)。此時(shí)間隙中的電離方式主要是電場電離。輝光放電方式主要是電場電離。輝光放電的特征為：放電通道的溫度為常的特征為：放電通道的溫度為常溫，電流密度小，陰極壓降較高。溫，電流密度小，陰極壓降較高。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 EFEF區(qū)的放電形勢為區(qū)的放電形勢為弧光放電弧光放電，即間隙中產(chǎn)生電弧?；」夥烹娞丶撮g隙中產(chǎn)生電弧?；」夥烹娞卣魇牵悍烹娡ǖ烙忻黠@邊界，通征是：放電通道有明顯邊界，通道中的溫度極高，電流密度很大，道中的溫度極高，電流密度很大，陰極

31、壓降很小，電離方式主要是陰極壓降很小，電離方式主要是熱電離。熱電離。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程、自持放電階段：自持放電階段：圖圖3-53-5中的中的CFCF段。段。 b b、自持放電的條件：發(fā)生了間、自持放電的條件：發(fā)生了間隙擊穿隙擊穿 ( (放電電流雪崩般增加，放電電流雪崩般增加，即放電突變的現(xiàn)象即放電突變的現(xiàn)象) )。間隙擊穿。間隙擊穿電壓主要決定于氣體壓力和電電壓主要決定于氣體壓力和電極間距離的乘積，即極間距離的乘積，即jcjc f(pl)f(pl)，其也稱為巴申曲線。，其也稱為巴申曲線。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 3-1 氣體放電的物理過程氣體放

32、電的物理過程 由圖由圖3-53-5的伏的伏- -安特性可以看到，在電壓升高的過程中，間安特性可以看到，在電壓升高的過程中，間隙中氣體一進(jìn)入自持放電階段，則由于伏隙中氣體一進(jìn)入自持放電階段，則由于伏- -安特性是隨著電安特性是隨著電流的增大而迅速下降的，若與間隙串聯(lián)的的電阻數(shù)值不是流的增大而迅速下降的，若與間隙串聯(lián)的的電阻數(shù)值不是很大，間隙中將流過較大的電流而進(jìn)入輝光或弧光放電區(qū)，很大，間隙中將流過較大的電流而進(jìn)入輝光或弧光放電區(qū)，亦即氣體間隙由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為亦即氣體間隙由絕緣狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。這一現(xiàn)象稱為氣氣體間隙的擊穿體間隙的擊穿 以下主要分析氣體間隙的以下主要分析氣體間

33、隙的擊穿條件擊穿條件以及以及擊穿電壓與氣體間擊穿電壓與氣體間隙參數(shù)的關(guān)系隙參數(shù)的關(guān)系。 五、氣體間隙的擊穿理論：五、氣體間隙的擊穿理論： 按照湯遜氣體放電理論，假定按照湯遜氣體放電理論，假定: :1.1.當(dāng)電子的動(dòng)能小于氣體粒子的電離能時(shí)，兩者碰撞后不發(fā)當(dāng)電子的動(dòng)能小于氣體粒子的電離能時(shí)，兩者碰撞后不發(fā)生電離，反之一定電離，生電離，反之一定電離，2.2.電子和氣體粒子碰撞時(shí)，放出全部動(dòng)能，然后再從零速開電子和氣體粒子碰撞時(shí)，放出全部動(dòng)能，然后再從零速開始下一次行程始下一次行程3.3.電子沿電場方向運(yùn)動(dòng)，不考慮其實(shí)際軌跡為電子沿電場方向運(yùn)動(dòng)，不考慮其實(shí)際軌跡為“之之”字形的字形的特征。特征。 1

34、 1、湯遜第一系數(shù)、湯遜第一系數(shù) ：即空間電離系數(shù)，是一個(gè)電子沿電：即空間電離系數(shù)，是一個(gè)電子沿電場運(yùn)動(dòng)時(shí)，在單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對場運(yùn)動(dòng)時(shí)，在單位距離內(nèi)由電場電離而產(chǎn)生的帶電粒子對數(shù)（一個(gè)電子和一個(gè)正離子為一對），其表達(dá)式為：數(shù)（一個(gè)電子和一個(gè)正離子為一對），其表達(dá)式為：00B PT EA 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)驗(yàn)數(shù)據(jù)。：是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程2 2、間隙擊穿條件：分均勻電場和不均勻電場考慮。、間隙擊穿條件：分均勻電場和不均勻電場考慮。

35、1 1）均勻電場：）均勻電場： （1 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 是表面電離系數(shù)，又叫湯遜電離第二系數(shù)，見表是表面電離系數(shù)，又叫湯遜電離第二系數(shù)，見表3-33-3，例如銅，例如銅電極的電極的 0.0250.025； 湯遜第一系數(shù)湯遜第一系數(shù) 是空間電離系數(shù)。是空間電離系數(shù)。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程式中，式中，A A、B B是常數(shù)，見表是常數(shù)，見表3-43-4。（2 2）間隙擊穿電壓）間隙擊穿電壓U Ujcjc： 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程)11ln(lnAplBpl

36、Ujc 另外，另外，“pl”pl”應(yīng)看作一個(gè)參數(shù)。銅電極在空氣下的應(yīng)看作一個(gè)參數(shù)。銅電極在空氣下的U Ujcjc對對plpl試驗(yàn)曲線試驗(yàn)曲線（實(shí)線）與令（實(shí)線）與令r=0.025r=0.025、按上式作出的、按上式作出的U Ujcjc對對plpl的關(guān)系曲線（虛線）如的關(guān)系曲線（虛線）如圖圖3-73-7所示，稱為所示，稱為“巴申曲線巴申曲線”。（2 2）間隙擊穿電壓）間隙擊穿電壓U Ujcjc： 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程)11ln(lnAplBplUjc“巴申曲線巴申曲線”分析，結(jié)果：分析，結(jié)果： 除除plpl很小外，實(shí)線與虛線很接近；很小外，實(shí)線與虛線很接近； plpl很高

37、（提高氣壓）或很低（真空）時(shí)，很高（提高氣壓）或很低（真空）時(shí)，U Ujcjc較大；較大； p p在特定位置在特定位置 （plpl）minmin 時(shí)，時(shí)，U Ujcjc最小（最?。║ Ujcminjcmin）。）。 當(dāng)當(dāng)plpl大于或小于大于或小于 （plpl）minmin 時(shí)，時(shí)，U Ujcjc將隨著將隨著PlPl的增大或減小而增大。這就說明：提高的增大或減小而增大。這就說明：提高間隙的氣壓或?qū)㈤g隙放在高度真空中，都間隙的氣壓或?qū)㈤g隙放在高度真空中，都可以提高其擊穿電壓?？梢蕴岣咂鋼舸╇妷?。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 將上式對將上式對plpl求極值，可得銅電極在空氣中的最

38、小擊穿電壓：求極值，可得銅電極在空氣中的最小擊穿電壓： jcminminU=B (pl)248V實(shí)際空氣中的最小擊穿電壓為實(shí)際空氣中的最小擊穿電壓為327V327V，氫氣為，氫氣為220v220v。 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程最小擊穿電壓計(jì)算：最小擊穿電壓計(jì)算： 0ldx（e-1）=1jcminminelnU=B (pl)=B1（1+）A2 2）不均勻電場的氣體間隙擊穿條件：）不均勻電場的氣體間隙擊穿條件： 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 按照湯遜理論可以解釋氣體間隙擊穿的機(jī)理，但是，用它來按照湯遜理論可以解釋氣體間隙擊穿的機(jī)理，但是，用它來解釋長間隙氣體放電過

39、程的發(fā)展時(shí)間，并不與實(shí)驗(yàn)完全符合。解釋長間隙氣體放電過程的發(fā)展時(shí)間，并不與實(shí)驗(yàn)完全符合。為此有基于光電離作用的所謂為此有基于光電離作用的所謂流注理論流注理論作為補(bǔ)充。作為補(bǔ)充。 按照按照流注理論，流注理論，氣體間隙擊穿過程如下：從陰極發(fā)射的電子，氣體間隙擊穿過程如下：從陰極發(fā)射的電子，在電場作用下向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中經(jīng)過一系列碰撞，在其途在電場作用下向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中經(jīng)過一系列碰撞，在其途徑上產(chǎn)生大量正離子和負(fù)離子。由于徑上產(chǎn)生大量正離子和負(fù)離子。由于電子運(yùn)動(dòng)速度較快，大量集中電子運(yùn)動(dòng)速度較快，大量集中在前進(jìn)方向的前部，而正離子在前進(jìn)方向的前部，而正離子分布在其后部。這樣就形成了分布在其后部。這

40、樣就形成了如圖如圖3-8 A3-8 A所示的正電子和負(fù)所示的正電子和負(fù)電子的集合體電子的集合體A-A-電子崩。電子崩。 隨著電子崩向陽極的移動(dòng)，其中的電子和陽離子越積越多。隨著電子崩向陽極的移動(dòng)，其中的電子和陽離子越積越多。一方面改變了間隙中電場分布情況，使崩頭和崩尾電場強(qiáng)度一方面改變了間隙中電場分布情況，使崩頭和崩尾電場強(qiáng)度增大，另一方面，由于崩頭和崩尾得電荷削弱了電子崩內(nèi)部增大，另一方面，由于崩頭和崩尾得電荷削弱了電子崩內(nèi)部的電場，使得其中的復(fù)合作用加強(qiáng)。復(fù)合過程中放出大量的的電場，使得其中的復(fù)合作用加強(qiáng)。復(fù)合過程中放出大量的光子。如果這些光子在距電子崩光子。如果這些光子在距電子崩A A頭

41、部不遠(yuǎn)處使氣體粒子電頭部不遠(yuǎn)處使氣體粒子電離產(chǎn)生了電子，那么這些電子離產(chǎn)生了電子，那么這些電子 將在較強(qiáng)的電場作用下向陽將在較強(qiáng)的電場作用下向陽極移動(dòng)，通過電場電離經(jīng)較短極移動(dòng)，通過電場電離經(jīng)較短的時(shí)間又產(chǎn)生第二個(gè)電子崩的時(shí)間又產(chǎn)生第二個(gè)電子崩B B。繼續(xù)發(fā)展又產(chǎn)生電子崩繼續(xù)發(fā)展又產(chǎn)生電子崩C C 。 每個(gè)電子崩的頭部和尾部分別向陽極和陰極發(fā)展，很快它們每個(gè)電子崩的頭部和尾部分別向陽極和陰極發(fā)展，很快它們就連成一個(gè)氣體電離通道，使間隙擊穿。因?yàn)檫@一理論是基就連成一個(gè)氣體電離通道，使間隙擊穿。因?yàn)檫@一理論是基于光子的輻射作用使氣體逐段電離，然后連成一片，不需要于光子的輻射作用使氣體逐段電離，然后

42、連成一片，不需要從陰極發(fā)射的電子跑完整個(gè)極間的距離，這就能很好地解釋從陰極發(fā)射的電子跑完整個(gè)極間的距離，這就能很好地解釋了長間隙擊穿過程的了長間隙擊穿過程的快速性快速性。在開關(guān)電器中，氣體間隙擊穿后，通常立即發(fā)生弧光放電?；∠对陂_關(guān)電器中，氣體間隙擊穿后，通常立即發(fā)生弧光放電?；∠吨袔щ娏Ｗ拥淖兓闆r可用離子平衡方程式表示：中帶電粒子的變化情況可用離子平衡方程式表示：qfcrdtdNdtdNdtdNdtdNdtdN 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程弧隙中帶電粒子數(shù)隨時(shí)間的變化率?；∠吨袔щ娏Ｗ訑?shù)隨時(shí)間的變化率。光、熱發(fā)射和電離作用光、熱發(fā)射和電離作用高電場發(fā)射、二次發(fā)射和電場電離作

43、用高電場發(fā)射、二次發(fā)射和電場電離作用復(fù)合作用帶電粒子數(shù)隨時(shí)間的變化率，復(fù)合作用帶電粒子數(shù)隨時(shí)間的變化率，擴(kuò)散作用帶電粒子數(shù)隨時(shí)間的變化率。擴(kuò)散作用帶電粒子數(shù)隨時(shí)間的變化率。rdNdtcdNdtfdNdtdNdtqdNdt當(dāng)帶電粒子變化當(dāng)帶電粒子變化 ，帶電粒子趨于增多，電離作用加強(qiáng)，帶電粒子趨于增多，電離作用加強(qiáng)，電弧燃燒趨熱；電弧燃燒趨熱；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 電弧燃燒趨于穩(wěn)定；電弧燃燒趨于穩(wěn)定；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，電弧燃燒趨于熄滅。時(shí)，電弧燃燒趨于熄滅。 0dNdt0dNdt0dNdt 3-1 氣體放電的物理過程氣體放電的物理過程 3-2 電弧的物理特征一、開斷電路時(shí)電弧的產(chǎn)生過程 1、最小生弧電流和最小

44、生弧電壓 當(dāng)被開斷的電流和電壓超過觸頭材料的最小生弧電流和最小生弧電壓（直流見表4-6，交流見表4-7）時(shí)，弧隙中將產(chǎn)生電弧。 如果電流或電壓小于表4-6中所列的數(shù)值，則開斷時(shí)只能產(chǎn)生一為時(shí)極短的弧光放電通常稱為火花。 2、電弧產(chǎn)生的場合： 1） 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)生電弧； 2） 觸頭閉合過程中，因動(dòng)觸頭“彈跳”，在一定條件下產(chǎn)生電?。?3） 觸頭分離時(shí)，電弧產(chǎn)生過程。 3-2 電弧的物理特征開關(guān)電器工作時(shí)，在大多情況下，被開斷的電路的電壓、電流都大于生弧電壓和生弧電流，所以開斷電路元件觸頭之間不可避免的的會(huì)產(chǎn)生電弧。 3、電弧產(chǎn)生和發(fā)展的過程： 1）開始分離：）

45、開始分離：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）分離瞬間：）分離瞬間：接觸處的金屬先熔化，接觸處的金屬先熔化，產(chǎn)生液態(tài)金屬橋及金屬產(chǎn)生液態(tài)金屬橋及金屬蒸汽蒸汽，然后由熱發(fā)射、高電場發(fā)射產(chǎn)生大量電子，再由電場，然后由熱發(fā)射、高電場發(fā)射產(chǎn)生大量電子，再由電場游離產(chǎn)生電子和正離子，由復(fù)合作用維持熱發(fā)射。游離產(chǎn)生電子和正離子，由復(fù)合作用維持熱發(fā)射。電子進(jìn)入電子進(jìn)入陽極與正電荷復(fù)合并放出能量加熱陽極表面。正離子走向陰陽極與正電荷復(fù)合并放出能量加熱陽極表面。正離子走向陰極，一方面在陰極附近產(chǎn)生高的電場和轟擊陰極，一方面從極，一方面在陰極附近產(chǎn)生高的電場和轟擊陰極

46、，一方面從陰極取得電子進(jìn)行復(fù)合并釋放能量加熱陰極以維持電子的熱陰極取得電子進(jìn)行復(fù)合并釋放能量加熱陰極以維持電子的熱發(fā)射。另外，一部分正離子和電子在弧隙空間復(fù)合，放出的發(fā)射。另外，一部分正離子和電子在弧隙空間復(fù)合，放出的能量以光的形式進(jìn)行輻射或增加空氣離子的熱運(yùn)動(dòng)。能量以光的形式進(jìn)行輻射或增加空氣離子的熱運(yùn)動(dòng)。 3-2 電弧的物理特征 結(jié)果：結(jié)果：弧隙溫度迅速升高，熱電離越來越起主導(dǎo)作用，氣體弧隙溫度迅速升高，熱電離越來越起主導(dǎo)作用，氣體帶電離子來越多，氣體電導(dǎo)率來越大，弧隙兩端電壓（電弧帶電離子來越多，氣體電導(dǎo)率來越大，弧隙兩端電壓（電弧電壓）越來越小，直至帶電粒子達(dá)到平衡，電弧穩(wěn)定燃燒。電壓

47、）越來越小，直至帶電粒子達(dá)到平衡，電弧穩(wěn)定燃燒。 注意：注意：高電場發(fā)射是電弧產(chǎn)生的根本原因。高電場發(fā)射是電弧產(chǎn)生的根本原因。 3-2 電弧的物理特征二、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：如圖如圖3-10所示的直流電弧，它在陰極和所示的直流電弧，它在陰極和陽極之間穩(wěn)定燃燒，電弧壓降為陽極之間穩(wěn)定燃燒，電弧壓降為Uh 。而而Uh 并不是均勻分布，而是分為三個(gè)區(qū)域：并不是均勻分布，而是分為三個(gè)區(qū)域：近陰極區(qū)、近陰極區(qū)、弧柱區(qū)、弧柱區(qū)、近陽極區(qū)。近陽極區(qū)。 3-2 電弧的物理特征 （1）近陰極區(qū)近陰極區(qū)： 這一區(qū)域長度約為電子的平均自由行程

48、（小于這一區(qū)域長度約為電子的平均自由行程（小于10-4cm）。）。此區(qū)域聚集大量正離子，是一個(gè)正空間電荷，因而電位此區(qū)域聚集大量正離子，是一個(gè)正空間電荷，因而電位有一急劇的改變有一急劇的改變-即所謂的陰極壓降即所謂的陰極壓降Uc 。陰極壓降。陰極壓降Uc較較大，其值與陰極材料和氣體介質(zhì)有關(guān)，數(shù)值見表大，其值與陰極材料和氣體介質(zhì)有關(guān)，數(shù)值見表3-7。 電場強(qiáng)度甚高（平均達(dá)到電場強(qiáng)度甚高（平均達(dá)到106107V/m）,這對加速正離子這對加速正離子向陰極運(yùn)動(dòng)、轟擊陰極表面以產(chǎn)生二次發(fā)射和形成高電向陰極運(yùn)動(dòng)、轟擊陰極表面以產(chǎn)生二次發(fā)射和形成高電場發(fā)射起著重要作用。場發(fā)射起著重要作用。 3-2 電弧的物

49、理特征（2）近陽極區(qū)近陽極區(qū)：長度約為近陰極區(qū)的幾倍長度約為近陰極區(qū)的幾倍 聚集大量電子，屬負(fù)空間電荷區(qū)，因而電位也有一急劇聚集大量電子，屬負(fù)空間電荷區(qū)，因而電位也有一急劇的改變的改變-即所謂的陽極壓降即所謂的陽極壓降Ua ；陽極壓降；陽極壓降Ua其值與陽極其值與陽極材料有關(guān)；材料有關(guān)； 由于陽極壓降的數(shù)值與陰極壓降數(shù)值相近似而近陰極區(qū)由于陽極壓降的數(shù)值與陰極壓降數(shù)值相近似而近陰極區(qū)的較長，因而此處電場強(qiáng)度不大。的較長，因而此處電場強(qiáng)度不大。 3-2 電弧的物理特征 當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，隨著電流的變化，陰極和陽極壓降當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，隨著電流的變化，陰極和陽極壓降的數(shù)值變化不大，所以一般近似認(rèn)為

50、是常數(shù)的數(shù)值變化不大，所以一般近似認(rèn)為是常數(shù)! （3 3）弧柱區(qū)：弧柱區(qū)：處于近陰極和近陽極之處于近陰極和近陽極之間，自由狀態(tài)下近似圓柱形；電離氣體中間，自由狀態(tài)下近似圓柱形；電離氣體中正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體；由于正負(fù)帶電粒子數(shù)相等，為等離子體；由于不存在空間電荷，類似金屬導(dǎo)體，即每一不存在空間電荷，類似金屬導(dǎo)體，即每一單位長度上的電壓降基本相等，換句話說，單位長度上的電壓降基本相等，換句話說，弧柱中的電場強(qiáng)度弧柱中的電場強(qiáng)度E E沿弧長可看作是常數(shù)，沿弧長可看作是常數(shù)，其值與電極材料、氣壓、介質(zhì)對電弧的作其值與電極材料、氣壓、介質(zhì)對電弧的作用等有關(guān)；弧柱電壓用等有關(guān)；弧柱電壓U Uz

51、 zI Ih hR Rh h。 3-2 電弧的物理特征 式中，U0是近極壓降； E是弧柱電場強(qiáng)度V/cm； l是電弧長度。 按Ua和Uc在電弧電壓中所占比例不同，可將電弧分為短弧（極間距離很短的電?。┖烷L弧（極間距離很長，UhU0，且UhE的電?。?。0( )hcazUUUUUEl V2、直流電弧電壓直流電弧電壓： 3-2 電弧的物理特征短弧電壓幾乎和電流無關(guān)，而長弧電壓則大致與E成正比。三、電弧長度：與發(fā)熱及氣流有關(guān)。 四、弧柱的溫度： 電弧弧柱具有6000K以上的溫度，任何材料與之長時(shí)間接觸皆將氣化，一般采用用光學(xué)方法間接測量溫度。 一般由于試驗(yàn)條件和測量方法不同，獲得的數(shù)據(jù)差別也很大。 開

52、關(guān)電器：燃弧溫度600020000K；趨向熄滅溫度：30004000k。 3-2 電弧的物理特征如圖3-11，給出了電弧自身及周圍溫度場情況： 由圖可知：弧柱中心溫度約為1000012000K。離開中心越遠(yuǎn)，溫度越低。 溫度場的數(shù)值和分布情況與電弧 電流、電極材料、尺寸、形狀、 放置方式以及介質(zhì)對電弧的作用 方式有關(guān)。 3-2 電弧的物理特征交流電弧的情況下，弧柱溫度不僅隨著電流有效值增大而增大，而且隨著電流相位角的變化而變化。如圖3-12所示，弧柱溫度變化有兩個(gè)特點(diǎn)： 電流下降到零時(shí)弧柱溫度不為零。 弧柱溫度最高值滯后于電流相角一個(gè)相位角。即存在熱慣性，像導(dǎo)體那樣，可用熱時(shí)間常數(shù)表示。熱慣性

53、存在原因：構(gòu)成電弧的氣體具有一定的熱容量，即要它溫度升高或降低，必須供給或散發(fā)一定的熱量，而熱量的供給或散發(fā)需要經(jīng)過一定的時(shí)間。因此溫度變化要滯后于電流。近陰極區(qū)和近陽極區(qū)的溫度，由于受電極材料的限制，要低于弧柱的溫度。五、弧柱的直徑 當(dāng)電流大小給定時(shí)，弧柱有一極其明亮的呈圓柱形的邊當(dāng)電流大小給定時(shí)，弧柱有一極其明亮的呈圓柱形的邊界和直徑，即所謂的界和直徑，即所謂的弧柱的直徑。 其大小和觸頭材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類、氣壓以其大小和觸頭材料、電流大小、氣體介質(zhì)種類、氣壓以及氣體介質(zhì)與弧柱的作用強(qiáng)烈程度有關(guān)。及氣體介質(zhì)與弧柱的作用強(qiáng)烈程度有關(guān)。 3-2 電弧的物理特征其大小目前僅在具體情況下用

54、實(shí)驗(yàn)方法確定：其大小目前僅在具體情況下用實(shí)驗(yàn)方法確定： 銅電極在大氣中自由燃弧，弧長銅電極在大氣中自由燃弧，弧長0.52cm ,當(dāng)電弧電流為當(dāng)電弧電流為220A時(shí)：時(shí)： 銅電極在大氣中橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的電弧，運(yùn)動(dòng)速度銅電極在大氣中橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)的電弧，運(yùn)動(dòng)速度v為為2050m/s和和Ih為為501000A時(shí)：時(shí)： 3-2 電弧的物理特征hhId27. 0hhId08. 0 受到空氣壓力縱吹（空氣流向和電弧軸線一致）的電?。菏艿娇諝鈮毫v吹（空氣流向和電弧軸線一致）的電弧：式中：式中： dk-弧柱直徑弧柱直徑 單位：單位：cm Ik-電弧電流電弧電流 單位：單位：A K-常數(shù)常數(shù) K=0.00230.00

55、39 p-壓縮空氣的壓力壓縮空氣的壓力 單位：單位：pa m和和n-指數(shù)，指數(shù)，m=0.220.27, n=0.60.7 3-2 電弧的物理特征nhmhIPKd)10(5弧柱的形狀：并非任何情況都是圓柱形?；≈男螤睿翰⒎侨魏吻闆r都是圓柱形。弧柱的直徑也具有熱慣性：弧柱的直徑也具有熱慣性：電流下降到零時(shí)弧柱直徑不為零。電流下降到零時(shí)弧柱直徑不為零?；≈睆阶罡咧禍笥陔娏飨嘟且粋€(gè)相位角。弧柱直徑最高值滯后于電流相角一個(gè)相位角。 3-2 電弧的物理特征 六、電弧的弧根和斑點(diǎn)： 1、弧根：弧柱貼近電極的部分；陰極和陽極的弧根的截面積通常小于弧柱的的截面積，接近電極的弧根一般呈收縮狀態(tài)。 2、斑點(diǎn)：

56、弧根在電極表面上形成的圓形明亮點(diǎn)，其中： （1）陰極斑點(diǎn)：是指維持電弧存在的電子發(fā)射處，其電流密度高（104A/cm2，甚至達(dá)107A/cm2），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)通過熱發(fā)射、高電場發(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。 3-2 電弧的物理特征 （2）陽極斑點(diǎn)陽極斑點(diǎn)：是電子進(jìn)入陽極的入口，面積大于陰極斑點(diǎn)，：是電子進(jìn)入陽極的入口，面積大于陰極斑點(diǎn)，故電流密度較小，但溫度也可達(dá)到電極材料的沸點(diǎn)。故電流密度較小，但溫度也可達(dá)到電極材料的沸點(diǎn)。 （3）陰極和陽極斑點(diǎn)的溫度一般大致等于電極材料的沸點(diǎn)。）陰極和陽極斑點(diǎn)的溫度一般大致等于電極材

57、料的沸點(diǎn)。因此，如果采用沸點(diǎn)比較低的金屬制造開關(guān)電器的觸頭，因此，如果采用沸點(diǎn)比較低的金屬制造開關(guān)電器的觸頭，則燃弧氣隙中的金屬蒸汽量較多。則燃弧氣隙中的金屬蒸汽量較多。 但在交流情況下，電但在交流情況下，電流過零后陰極熱發(fā)射電子數(shù)量較少，采用沸點(diǎn)高的金屬制流過零后陰極熱發(fā)射電子數(shù)量較少，采用沸點(diǎn)高的金屬制造觸頭，情況正好相反。造觸頭，情況正好相反。七、電弧的等離子流： 弧柱是由等離子體構(gòu)成的，當(dāng)電流流過時(shí)，由于弧柱中心部分弧柱是由等離子體構(gòu)成的，當(dāng)電流流過時(shí)，由于弧柱中心部分電流產(chǎn)生的磁場與其外部電流的作用，便產(chǎn)生了一將等離子體壓向中電流產(chǎn)生的磁場與其外部電流的作用，便產(chǎn)生了一將等離子體壓向

58、中心的壓力。如圖心的壓力。如圖3-14所示。所示。 壓強(qiáng)壓強(qiáng)P與半徑與半徑r的關(guān)系：的關(guān)系：Ik:電弧電流；電弧電流；rh:弧柱半徑；弧柱半徑；P：弧柱截面壓強(qiáng)：弧柱截面壓強(qiáng) 3-2 電弧的物理特征3222210)1 (hhKrrrIp 壓強(qiáng)壓強(qiáng)P稱為收縮壓力或壓力稱為收縮壓力或壓力,由由 可知：當(dāng)可知：當(dāng)Ik給定時(shí)，給定時(shí)， rh 越小則弧柱中心壓力越大。電弧自由越小則弧柱中心壓力越大。電弧自由燃燒時(shí)，通?；「幇霃阶钚?，因而該處弧柱中心壓力最大。燃燒時(shí)，通?；「幇霃阶钚。蚨撎幓≈行膲毫ψ畲?。在此中心壓力下，弧根中心部分的等離子體將沿弧柱軸線向在此中心壓力下，弧根中心部分的等離子體將

59、沿弧柱軸線向壓力較小的弧柱中部流動(dòng)。這就形成一股等離子流。壓力較小的弧柱中部流動(dòng)。這就形成一股等離子流。 除此之外，弧跟處電極材料迅速氣化，也將形成一股垂直于除此之外，弧跟處電極材料迅速氣化，也將形成一股垂直于電極表面的金屬蒸汽流。這兩種氣體實(shí)際上合成在一起，統(tǒng)電極表面的金屬蒸汽流。這兩種氣體實(shí)際上合成在一起，統(tǒng)稱等離子流。稱等離子流。 3-2 電弧的物理特征3222210)1 (hhKrrrIp 研究表明：隨著電極材料的不同，當(dāng)電流大于研究表明：隨著電極材料的不同，當(dāng)電流大于1050A時(shí)，等時(shí)，等離子流開始出現(xiàn)。他不僅產(chǎn)生在弧根處，而且產(chǎn)生在用人工離子流開始出現(xiàn)。他不僅產(chǎn)生在弧根處，而且產(chǎn)生

60、在用人工方法使弧柱面積縮小的地方。如圖方法使弧柱面積縮小的地方。如圖3-15所示：所示： 3-2 電弧的物理特征八、電弧的能量平衡： 弧柱的散熱功率（傳導(dǎo)、對流、輻射）：弧柱的散熱功率（傳導(dǎo)、對流、輻射）： zcddlfsPPPP長弧時(shí)電弧的總散熱功率為長弧時(shí)電弧的總散熱功率為弧柱的散熱功率加電極散發(fā)功率弧柱的散熱功率加電極散發(fā)功率： 3-2 電弧的物理特征hhhPI U電弧輸入功率電弧輸入功率0UIPPhZS 按照能量守恒定律可知電弧產(chǎn)生后進(jìn)入穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的過程如下：設(shè)電弧電流為一固定值，電弧產(chǎn)生初期弧柱溫度很低，直徑也小。這時(shí)一方面電弧電阻較大，電弧電壓也較大，因而電弧的輸入功率較大。另一