1、第三章第三章1第三章 电弧的基本特征 空间空间天体等离子体天体等离子体第三章第三章2 概概 述述 背背 景景 知知 识识 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程 3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征 3-3 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭直流电弧的燃烧与熄灭 3-4 3-4 交流电弧的特性交流电弧的特性 小小 结结第三章第三章 电弧的基本特征电弧的基本特征第三章第三章3概 述一、电弧电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体（是一种气体放电现象，也是一种等离子体（PlasmaPlasma）。）。二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽快熄弧。二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规
2、律，尽快熄弧。第三章第三章4三、三、“电弧电弧”的定义：的定义：定义定义(1)：开断电路时，在触头间隙中出现的一团温度极高、：开断电路时，在触头间隙中出现的一团温度极高、发强光和能够导电的近似圆柱体的气体。可出现于大气、真空、油发强光和能够导电的近似圆柱体的气体。可出现于大气、真空、油介质和介质和SF6气体介质等中间。气体介质等中间。概 述第三章第三章5 定义定义(2)：在大气中开断电路时，当电源电压：在大气中开断电路时，当电源电压U UU U0 0=（12122020），被开断电流，被开断电流（0.250.251 1）时，触头间隙中产生的一团温度极）时，触头间隙中产生的一团温度极高、发强光、
3、能导电的近似圆柱体的气体。高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。2、气体放电：指、气体放电：指弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态，使电流弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态，使电流得以通过的现象。得以通过的现象。概 述第三章第三章6背背 景景 知知 识识“等离子体等离子体 PlasmaPlasma”一、等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负一、等离子体是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，它是除固、液、气外的物质存在的电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。第四态。看似看似“神秘神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常
4、见的物质，在太的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的9999。第三章第三章7固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C背背 景景 知知 识识第三章第三章4、间隙击穿条件：分均匀电场和不均匀电场考虑。可出现于大气、真空、油介质和SF6气体介质等中间。在飞机、舰船等武器表面产生一层等离子体，这层等离子体可以和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感知或探测到。3-3 直流电弧的燃烧与熄灭主要考虑阴极表面的二次发射。此状态只存在10-910-8秒。3、限制过电压的几种
5、措施：静伏安特性曲线/动伏安特性曲线、3、：如图3-8所示.2在电感性负载电路中使电流过零的下降速度变快；短弧的Uh几乎不随Ik变化，长弧的UhEl。3-3 直流电弧的燃烧与熄灭3）触头分离时，电弧产生过程。一、开断电路时电弧的产生过程现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。、非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的C段。8它是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系。非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动
6、紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的，每个粒子均与周围许多粒子同时发生作用。背背 景景 知知 识识第三章第三章9二、等离子体分为两种：二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。高温和低温等离子体。1 1、高温等离子体只有在温度足够高时发生的，例如焊工们用高、高温等离子体只有在温度足够高时发生的，例如焊工们用高温等离子体焊接金属。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了温等离子体焊接金属。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的宇宙的9999。它是高温等离子体。它是高温等离子体。2 2、低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度、低温等离子体
7、是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。很高）。背背 景景 知知 识识第三章第三章10 低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如等离子电视等离子电视，婴儿婴儿尿布表面防水涂层尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性增加啤酒瓶阻隔性，更重要的是在，更重要的是在电脑芯片中的蚀电脑芯片中的蚀刻运用刻运用，让网络时代成为现实。，让网络时代成为现实。低温等离子体体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物低温等离子体体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人
8、们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。来控制等离子体。背背 景景 知知 识识第三章第三章11 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。人们所敬畏、所赞叹。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的
9、存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。星云及星团，毫无例外的都是等离子体。背背 景景 知知 识识第三章第三章 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹背背 景景 知知 识识第三章第三章13密度(cm-3)温度(度)太阳核心 磁约
10、束聚 变霓虹灯 北极光 火 焰闪电日冕氢弹星际空间荧光气体液 体固 体人类居住环境惯性聚变星 云太阳风密度跨越了 30 个量级温度跨越了 7 个量级等离子体参数空间：等离子体参数空间：火 焰第三章第三章14星系：巨大的聚变反应堆星系：巨大的聚变反应堆背背 景景 知知 识识第三章第三章15北极光北极光背背 景景 知知 识识第三章第三章16 三、等离子体显示技术三、等离子体显示技术 （Plasma Display)Plasma Display)等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因：（1 1）可制造超大尺寸的平面显示器（可制造超大尺寸的平
11、面显示器（5050英寸甚至更大）；英寸甚至更大）；（2 2）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了从而使视角扩大到了160160度以上。换句话说，利用惰性气体度以上。换句话说，利用惰性气体（NeNe、HeHe、XeXe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。背背 景景 知知 识识第三章第三章17 1 1、所谓谓等离子彩电电 PDP（Plasma Display Panel），是指基于在两张两张薄玻璃板之间间
12、充填填混合气气体，施加电电压压使之产产生等等离子气气体，然后使等离子气气体放电电，与与基板中的荧荧光体发发生反应应，产产生彩色影像的原理而设计设计的一种种彩电电。2 2、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继CRT(CRT(阴极阴极射线管）、射线管）、LCDLCD（液晶显示器）后的最新一代显示器。其特液晶显示器）后的最新一代显示器。其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以当壁挂电视使用，占用极少点是厚度极薄，分辨率佳。可以当壁挂电视使用，占用极少的空间，代表未来显示器的发展趋势。的空间，代表未来显示器的发展趋势。背背 景景 知知 识识第三章第三章18 3 3、等离子
13、体显示技术的基本原理、等离子体显示技术的基本原理 显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。背背 景景 知知 识识第三章第三章19四、等离子体隐身技术四、等离子体隐身技术 在飞机、舰船等武器表面产生一层等离子体，这层等离子体可以在飞机、舰船等武器表面产生一层等离
14、子体，这层等离子体可以和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感知或探测到。这种等离子和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感知或探测到。这种等离子体外壳由等离子体电流构成。体外壳由等离子体电流构成。等离子体电流就是当电子在金属物质的表面上有规律地运动时所等离子体电流就是当电子在金属物质的表面上有规律地运动时所产生的电子密度波。当入射光频率与等离子体电流的谐振频率接近时，产生的电子密度波。当入射光频率与等离子体电流的谐振频率接近时，光线将被这层等离子体电流外壳反向散射，向外则几乎不散射光线，光线将被这层等离子体电流外壳反向散射，向外则几乎不散射光线，物体即不可见。物体即不可见。背背 景景 知知 识识
15、第三章第三章三、电弧能量及开断直流电弧过电压：是一个质量为m的带电粒子(由光游离或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到后，如其动能 MV大于y，那么，当其与中性粒子发生碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒子的外层电子，使它脱离原子核的引力范围成为自由电子。负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原子及其化合物。电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体，类似金属导体；3、限制过电压的几种措施：3-3 直流电弧的燃烧与熄灭 3-3 直流电弧的燃烧与熄灭按Ua和Uc在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分为短弧（极间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，UhU0，且UhE的电弧）。ih落后电源电压
16、u约90。4、间隙击穿条件：分均匀电场和不均匀电场考虑。点：视在稳定燃烧点；（2）靠近A点与AB段：ih增大，Ph也增大，弧柱变热变粗，uh随 ih的增长再下降，其最高点A点的电压称为燃弧尖峰Urh。说明气体间隙击穿机理的有汤逊理论和流注理论。增加触头开距，或用电动力磁吹灭弧，以拉长电弧；如Uh/Um越大，则越小，故电弧的存在，相当于在电路中串联了电阻。20军事应用军事应用等离子体天线等离子体天线等离子体雷达隐身等离子体雷达隐身飞行器减阻飞行器减阻假目标及诱饵假目标及诱饵高技术高技术大功率微波器件大功率微波器件强强X X射线源及射线源及X X射线激光射线激光强流束技术强流束技术等离子体推进等离
17、子体推进磁流体发电磁流体发电等离子体军事及高技术应用等离子体军事及高技术应用背背 景景 知知 识识第三章第三章21 主要参数Pf=500MWQ 10T=500 sR=6.2 mA=2.0 mIp=15 MAB=5.3 TV=837 m3S=678 m2Pin=73 MWITERITER：托卡马克聚变实验堆托卡马克聚变实验堆背背 景景 知知 识识第三章第三章22聚变等离子体聚变等离子体20052005年年6 6月月2828日日 ITERITER：CadaracheCadarache背背 景景 知知 识识第三章第三章23美国美国Nova激光聚变装置激光聚变装置1985年建成，10路45000焦耳，
18、1纳秒2倍频/3倍频聚变等离子体第三章第三章24美国国家点火（美国国家点火（NIF）激光聚变装置激光聚变装置2003年建成,192束180万焦耳，3纳秒500TW，近紫外光聚变等离子体第三章第三章25 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程气体放电气体放电:是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。气体放电的前提：气体游离化。气体放电的前提：气体游离化。一、激励与游离：一、激励与游离：、激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道、激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道跳向能量较高的轨道的过程跳向
19、能量较高的轨道的过程(激励后原子仍是中性原子，但原子的能激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了量提高了)。此状态只存在。此状态只存在1010-9-91010-8-8秒。秒。第三章第三章26、游离：、游离：定义：游离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自定义：游离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的中性原子或分子由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的中性原子或分子(统称统称中性粒子或中性质子中性粒子或中性质子)变成一个带正电荷的粒子变成一个带正电荷的粒子(正离子正离子)的过程。的过程。游离能游离能(y)y)：指游离出一个电子所需的最低能量指
20、游离出一个电子所需的最低能量(单位单位为：，其值参见教材为：，其值参见教材)。为方便起见，游离能。为方便起见，游离能y y可以直接用游离电可以直接用游离电压表示，其单位由压表示，其单位由J J改为改为evev；3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章27 1ev 1ev一个电子在真空中经过一个电子在真空中经过1 1V V的电位差所获得的动能。的电位差所获得的动能。例：例：13.45 13.45evev13.4513.451.61.61010-19-19。游离电位游离电位y y：y yy/ey/e，其中其中e e：电子电荷，电子电荷，e e1.61.61010-1919。
21、、分级游离：指经过激励状态再游离的过程。、分级游离：指经过激励状态再游离的过程。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章28二、气体游离方式：二、气体游离方式：表面发射和空间游离。表面发射和空间游离。、表面发射：指由金属表面发射电子的现象；、表面发射：指由金属表面发射电子的现象；它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。热发射：在热发射：在2000200025002500K K范围内，金属表面自由电子获得足够范围内，金属表面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出的现象。的动能，超越金属表面晶格电场造
22、成的势垒而逸出的现象。逸出功：记为逸出功：记为ycyc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为位为evev。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章29 高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度10106 6(v/cm)v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。时，自由电子逸出金属的现象。光发射：光线光发射：光线(红外线、紫外线及其他射线红外线、紫外线及其他射线)照在金属表面，引起照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。电子从表面逸出的现象。二次发射：是指正离子高速
23、撞击阴极或电子高速撞击阳极，引起二次发射：是指正离子高速撞击阴极或电子高速撞击阳极，引起金属表面发射电子的现象。主要考虑阴极表面的二次发射。金属表面发射电子的现象。主要考虑阴极表面的二次发射。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章30 、空间游离：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成、空间游离：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的现象。自由电子和正离子的现象。空间游离的方式有光游离、电场游离和热游离；它们可能同时存在。空间游离的方式有光游离、电场游离和热游离；它们可能同时存在。、光游离：中性粒子受光照作用，当光子能量、光游离：中性粒子
24、受光照作用，当光子能量(h)h)原子或分原子或分子的游离能时，发生的游离。子的游离能时，发生的游离。(h h：普朗克常数，普朗克常数，h h6.6246.6241010-34-34，单位单位是是jsjs；：光子的频率，光子的频率，S S-1-1)。光游离作用的大小，与光频成正比。光游离作用的大小，与光频成正比。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章31 、电场游离：也叫碰撞游离。是一个质量为、电场游离：也叫碰撞游离。是一个质量为m m的带电粒子的带电粒子(由光游由光游离或表面发射所产生离或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到后，如其动能在电场的作用下被加速到后，如其
25、动能 MVMV大于大于y y，那么，当其与中性粒子发生碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒那么，当其与中性粒子发生碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒子的外层电子，使它脱离原子核的引力范围成为自由电子。子的外层电子，使它脱离原子核的引力范围成为自由电子。负离子：是因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的离子。负离子：是因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的离子。负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原子及其化合物。负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原子及其化合物。第三章第三章32 、热游离：当气体温度在、热游离：当气体温度在3000300040004000K K以上时，气体粒子因
26、高速以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的游离。热运动而互相碰撞所产生的游离。气体的热电离度可用沙哈公式计算：气体的热电离度可用沙哈公式计算：5 8 0 01.2 521.5 51 01 3 3y lWTTeP式中，式中，P P是压力（是压力（PaPa），），T T是气体温度是气体温度(k)k)，W Wylyl是中性粒子的是中性粒子的电离能电离能(J)J)。由图由图3-13-1知，气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯知，气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大。气体的高，即电导率要大。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章33三、去游离及其方
27、式：三、去游离及其方式：、去游离：也叫消游离；是指游离气体中的带电粒子离开游离区、去游离：也叫消游离；是指游离气体中的带电粒子离开游离区域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。域，或带电粒子失去电荷变成中性粒子的现象。、去游离方式：包括复合与扩散。、去游离方式：包括复合与扩散。、复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，、复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式：形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式：a a、表面复合：四种。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或表面复合：四种。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或绝缘材料
28、的表面。绝缘材料的表面。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章34 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章35 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章36 b b、空间复合：有直接复合和间接复合空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒子上，电子粘在中性粒子上，再与再与正离子相遇复合成为两个中性粒子正离子相遇复合成为两个中性粒子)。对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。带电粒子运动速度减小。、扩散：弧柱中的带电粒子
29、，由于热运动，从弧柱中浓度高的区、扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高的区域移到浓度低的区域的现象。域移到浓度低的区域的现象。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章37四、气体放电四、气体放电 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章38、气体放电的几个阶段：、气体放电的几个阶段：见图见图3-53-5。、非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的、非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的阶段，即图中的C C段。段。OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线
30、、射线等产生，射线等产生，属漫游状态，当属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子成比例增加；时，到达阴极的带电粒子成比例增加；AC段：电压较高，间隙电场强度较大，段：电压较高，间隙电场强度较大，I继续增加，可产生电场继续增加，可产生电场电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素后，放电停止，故称之电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。为非自持放电阶段。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章39、自持放电阶段：图、自持放电阶段：图3-53-5中的中的CFCF段。段。a a、定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段，定义：是指当外
31、界因素去除后，放电能够维持的阶段，即图即图中的中的CFCF段。段。b b、自持放电的条件：自持放电的条件：发生了间隙击穿发生了间隙击穿(放电电流雪崩般增加，即放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象放电突变的现象)。间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即jcjc f(pl)f(pl)，其也称为巴申曲线。其也称为巴申曲线。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章“巴申曲线”分析，结果：3-2 电弧的物理特征概 述美国国家点火（NIF）激光聚变装置 3-1 气体放电的物理过程负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体
32、，多为氟原子及其化合物。非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。a 增大气体介质的压力；当ih过零以后、urh到来之前（电弧已熄灭），因Rh迅速增大，加在弧隙上的电压即是u的瞬时值，uh乃是u的波形；3-4 交流电弧的特性其后，在一定条件下重燃。3-3 直流电弧的燃烧与熄灭为限制过电压的数值，可采用图3-30所示的几种措施。ITER：托卡马克聚变实验堆主要考虑阴极表面的二次发射。40 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章41c c、举例：将举例：将BF段分为段分为BD区和区和EF区。其中，区。其中，
33、#C点附近的点附近的BD区的特征：通道是常温，电流密度小，阴极压区的特征：通道是常温，电流密度小，阴极压降高（几百伏），呈辉光，称为辉光放电区。电流降高（几百伏），呈辉光，称为辉光放电区。电流0.1左右，左右，无明显发热。无明显发热。带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞电离。电离。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章42#EF区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在区：在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电
34、子流，在弧柱区产生高温热电离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。弧柱区产生高温热电离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。游离方式有热游离与光游离；游离方式有热游离与光游离；形式：电弧；形式：电弧；特征：温度极高（特征：温度极高（6000k以上），电流密度很大（几千安以上），电流密度很大（几千安/平方厘平方厘米），阴极压降很小（几十伏）。米），阴极压降很小（几十伏）。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章43、气体放电的几种、气体放电的几种形式形式：.辉光放电：图辉光放电：图3-53-5的的B B段；段；0.10.1左右，无明显发热；左右，无明显发热；带电粒子产生的
35、主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞游离；带电粒子产生的主要原因是阴极的二次电子发射和阴极区的碰撞游离；维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。维持辉光放电的重要条件是阴极的低温。.弧光放电：图弧光放电：图3-53-5的的F F段；是在外加电压作用下，由阴极压段；是在外加电压作用下，由阴极压降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热游离，最后由电子进入阳降区连续提供电子流，在弧柱区产生高温热游离，最后由电子进入阳极区而被阳极所吸收。极区而被阳极所吸收。等粒子体：是正、负带电粒子数相等的游离气体。等粒子体：是正、负带电粒子数相等的游离气体。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章
36、第三章44五、气体间隙的击穿理论：五、气体间隙的击穿理论：1、气体间隙击穿即是由绝缘变为导电。气体间隙击穿即是由绝缘变为导电。2、汤逊放电理论：汤逊放电理论：1）表达式）表达式1：电离的条件是：电离的条件是 eeyleylEWEU或y ley lUE式中式中是电子平均自由行程是电子平均自由行程.3）电子沿电场运动时，不考虑实际的）电子沿电场运动时，不考虑实际的“Z”字形轨迹特征。字形轨迹特征。2）表达式）表达式2：3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章45 3、汤逊第一系数汤逊第一系数：即空间游离系数：即空间游离系数，是一个电子沿电场运动，是一个电子沿电场运动时，在单
37、位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（一个电子和一时，在单位距离内由电场电离而产生的带电粒子对数（一个电子和一个正离子为一对），其表达式为：个正离子为一对），其表达式为：00B PTEA PeT 其中，其中，P是气压，是气压，mmHg；T：气温，气温，k；A0、B0：是是经验数据。经验数据。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章464、间隙击穿条件间隙击穿条件：分均匀电场和不均匀电场考虑。：分均匀电场和不均匀电场考虑。1）均匀电场均匀电场：（1）气体间隙击穿条件气体间隙击穿条件：l（e-1）=1式中式中是表面游离系数，又叫汤逊游离第二系数，见表是表面游离系数，又叫汤
38、逊游离第二系数，见表3-3，例如铜电极的，例如铜电极的0.025；汤逊第一系数汤逊第一系数是是空间游离空间游离系数。系数。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章47 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章48 式中，式中，A、B是常数，见表是常数，见表3-4。另外，。另外，“pl”应看作一个参数。应看作一个参数。铜电极在空气下的铜电极在空气下的Ujc对对pl试验曲线（实线）与令试验曲线（实线）与令r=0.025、按上按上式作出的式作出的Ujc对对pl的关系曲线（虚线）如图所示，称为的关系曲线（虚线）如图所示，称为“巴申曲线巴申曲线”。lnln
39、jcBplUApl1（1+）r（2）间隙击穿电压间隙击穿电压Ujc：3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章49“巴申曲线巴申曲线”分析，结果：分析，结果：除除pl很小外，实线与虚线很接近；很小外，实线与虚线很接近；pl很高（提高气压）或很低（真空）时，很高（提高气压）或很低（真空）时，Ujc较大；较大；p在特定位置在特定位置（pl）min时，时，Ujc最小（最小（Ujcmin）。）。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章50将上式对将上式对pl求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：求极值，可得铜电极在空气中的最小击穿电压：jcminmin
40、U=B(pl)248V实际为实际为327V。3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章51最小击穿电压计算：最小击穿电压计算：0ldx（e-1）=1jcminminelnU=B(pl)=B1（1+）A2）不均匀电场的气体间隙击穿条件不均匀电场的气体间隙击穿条件：3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章52当带电粒子变化当带电粒子变化，电弧燃烧趋热；当，电弧燃烧趋热；当时，时，电弧燃烧趋于稳定；当电弧燃烧趋于稳定；当时，电弧燃烧趋于熄灭。时，电弧燃烧趋于熄灭。dNdNdNdNdNdtdtdtdtdtrcfq（）（）（）-（）0dNdt0dNdt0dN
41、dt5、弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式弧隙中带电粒子的变化情况可用离子平衡方程式 3-1 3-1 气体放电的物理过程气体放电的物理过程第三章第三章53 3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征一、开断电路时电弧的产生过程一、开断电路时电弧的产生过程1、最小生弧电流和最小生弧电压、最小生弧电流和最小生弧电压当被开断的电流和电压超过触头材料的最小生弧电流和最小生弧当被开断的电流和电压超过触头材料的最小生弧电流和最小生弧电压（直流见表电压（直流见表3-53-5，交流见表，交流见表3-63-6）时，弧隙中将产生电弧。）时，弧隙中将产生电弧。第三章第三章54 2 2、电弧产生和发展的过程
42、：、电弧产生和发展的过程：1 1）电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，会产生电弧；电压、电流大于最小生弧电压和最小生弧电流时，会产生电弧；2 2）触头闭合过程中，因动触头触头闭合过程中，因动触头“弹跳弹跳”，在一定条件下产生电弧；，在一定条件下产生电弧；3 3）触头分离时，电弧产生过程。触头分离时，电弧产生过程。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章55 3 3、触头分离：、触头分离：1 1）开始分离开始分离：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热；2 2）分离瞬间分离瞬间：接触处的金属先熔化，产生液态金属桥及金属蒸汽，然：接触处
43、的金属先熔化，产生液态金属桥及金属蒸汽，然后由热发射、高电场发射产生大量电子，再由电场游离产生电子和正离后由热发射、高电场发射产生大量电子，再由电场游离产生电子和正离子，由复合作用维持热发射。子，由复合作用维持热发射。结果：弧隙温度升高，热电离起主导作用，气体带电离子增多，气体电结果：弧隙温度升高，热电离起主导作用，气体带电离子增多，气体电导率增大，弧隙两端电压降低，直至带电粒子达到平衡，电弧稳定燃烧。导率增大，弧隙两端电压降低，直至带电粒子达到平衡，电弧稳定燃烧。注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三
44、章56二、电弧近极区和弧柱区的特征：二、电弧近极区和弧柱区的特征：1、直流电弧电弧压降直流电弧电弧压降Uh的三个区域的三个区域：（1）近阴极区近阴极区：聚集大量正离子，是一个正空间电荷；阴极压降：聚集大量正离子，是一个正空间电荷；阴极压降Uc较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表较大，其值与阴极材料和气体介质有关，数值见表3-7。（2）近阳极区近阳极区：聚集大量电子，属负空间电荷区；阳极压降：聚集大量电子，属负空间电荷区；阳极压降Ua，其值与阳极材料有关；其值与阳极材料有关；3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章57（3）弧柱区弧柱区：近似圆柱：近似圆柱形；电离气体中正
45、负带电粒形；电离气体中正负带电粒子数相等，为等离子体，类子数相等，为等离子体，类似金属导体；似金属导体；E沿弧长可看作沿弧长可看作是常数，其值与电极材料、是常数，其值与电极材料、气压、介质对电弧的作用等气压、介质对电弧的作用等有关；弧柱电压有关；弧柱电压UzIhRh。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章58 式中，式中，U U0 0是近极压降；是近极压降；E E是弧柱电场强度是弧柱电场强度V/cmV/cm；l l是电弧长度。是电弧长度。按按U Ua a和和U Uc c在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分为短弧（极在电弧电压中所占比例不同，可将电弧分为短弧（极间距离很短的电弧
46、）和长弧（极间距离很长，间距离很短的电弧）和长弧（极间距离很长，U Uh hUU0 0，且且U Uh hE E的电的电弧）。弧）。0()hcazUUUUUEl V2、直流电弧电压直流电弧电压：3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章59三、电弧长度：三、电弧长度：与发热及气流有关。与发热及气流有关。四、弧柱的温度四、弧柱的温度：用光学方法测量。用光学方法测量。开关电器：燃弧温度开关电器：燃弧温度600060002000020000K K；趋向熄灭温度：趋向熄灭温度：3000300040004000k k。五、弧柱的直径。五、弧柱的直径。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特
47、征第三章第三章60 六、电弧的弧根和斑点：六、电弧的弧根和斑点：1、弧根弧根：弧柱贴近电极的部分；：弧柱贴近电极的部分；2、斑点斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中：（1）阴极斑点阴极斑点：是维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高：是维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高（104A/cm2，甚至达甚至达107A/cm2），），导致电极材料迅速汽化，形成金导致电极材料迅速汽化，形成金属蒸汽进入弧隙。同时斑点区通过热发射、高电场发射和二次发射属蒸汽进入弧隙。同时斑点区通过热发射、高电场发射和二次发射提供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。提供
48、大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章61（2）阳极斑点阳极斑点：是：是电子进入阳极的入口，电子进入阳极的入口，面积大于阴极斑点，面积大于阴极斑点，故电流密度较小。故电流密度较小。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章623、电弧的能量平衡电弧的能量平衡：（1）电弧的发热功率电弧的发热功率：hhhhPU II0z（U+U）ScddlfsPPPP（2）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）：3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章63式中式中 WQ是电弧的含热量，是电弧的
49、含热量，J；Ps：弧柱总散热量；弧柱总散热量；Ph：电弧功率。电弧功率。因此，当因此，当时，电弧燃烧趋热；当时，电弧燃烧趋热；当时，电弧稳定燃烧；当时，电弧稳定燃烧；当时，电弧趋于熄灭。时，电弧趋于熄灭。QhhsdWU IPdt0QdWdt0QdWdt0QdWdt（3）由上两式，可得）由上两式，可得电弧的动态能量平衡方程电弧的动态能量平衡方程：3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章64三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：、前提：、前提：假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。电弧燃烧时，从电源输入到电
50、弧内部的能量转变成热能，通过传导电弧燃烧时，从电源输入到电弧内部的能量转变成热能，通过传导(cd)cd)、对流对流(dl)dl)和辐射和辐射(fs)fs)三种方式散失。三种方式散失。3-2 3-2 电弧的物理特征电弧的物理特征第三章第三章65 、用能量平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本、用能量平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令：原理：令：h h：输入弧隙的功率，；输入弧隙的功率，；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，弧径变粗；增加，弧径变粗；h h s s：h h恒定，电弧稳定燃烧；恒定，电弧稳定燃烧；h h
