第六讲 电弧放电 2014.pdf

第六章 电弧放电 Arc Discharge 电弧放电  在反常辉光阶段，电压升高，电流 增大，由正离子碰撞引起的二次电 子发射占主要方式，热电子引起电 子流开始出现；  在辉光向弧光转化阶段，电压下降， 电流增大，热电子流开始占主导地 位；  在弧光阶段，热电子流，场致电子 流构成了电流的主要部分；  1810年戴维发现；  电极间放电火焰温度较高，热空气上升，冷空气 从下方来补充，发光部分向上弯曲并呈拱形  电流密度大，放电电压低（通常只有几十伏）；  阴极位降较低  发光强度大，等离子体温度高； 电弧放电的分类 根据阴极发射的机理，电弧放电分为：  自持热阴极电弧放电：等离子体与阴极的 相互作用，阴极上产生热电子发射；  自持冷阴极电弧放电：场致电子发射  非自持热阴极电弧放电：外部加热阴极至 高温，引起热电子发射； 依据不同的弧长：长弧与短弧 电弧放电的分类 按照等离子体是否处于热平衡：  热电弧：电子温度与气体温度相同，一般出现在高压强 （如大气压）与高气体温度下；  非热电弧： 电弧的启动  电极相互接触后迅速分离；  改变辉光放电的放电条件，使之向电弧 过渡；  使用预电离使气体形成电弧；  形成火花而转成稳定的电弧放电； 为何这些方式可以启动电弧？ 雅各布天梯（Jacob’s Ladder ）  圣经中有这样一个故事：雅各布梦见天使上下 天堂的梯子是闪闪发光的，后人便把这梦想中 的梯子，称之为雅各布天梯。  放电装置由变压器、羊角电极等部分组成。由 变压器提供数十万伏的高压，在羊角电极间击 穿空气，形成弓形电弧，电弧向上运动，其运 动过程类似于爬梯。当电弧被拉长到一定长度 后左右，所施加的电压再不能维持产生电弧所 需的条件，电弧就消失，此时羊角电极底部又 会产生新的电弧，形成周而复始的电弧爬梯现 象。  空气对流加上电动力的驱使，使电弧向上升， 随着电弧被拉长，电弧通过的电阻加大，当电 流送给电弧的能量小于由弧道向周围空气散出 的热量时，电弧就会自行熄灭。  在高压下，电极间距最小处的空气还会再次被 击穿，发生第二次电弧放电，如此周而复始。 经典的电弧放电的结构 电弧放电的物理过程  在非热点弧中，阴极发射电子是自持的热电子发射，阴极表面的温度来 自电弧的热通量；  在高强度的热电弧下，维持电弧需要极高的电流和电流密度，两者均有 场致发射提供，在场致发射中，电子由场致发射，由许多小斑点（微斑 ）发射入电弧； 电弧放电的结构  阴极区：阴极，阴极斑点和阴极鞘层；通 过热电子发射和场致电子发射来产生电子 和维持电流；  正柱区：等离子体核心与等离子体晕；热 力学平衡区域与非热力学平衡区域；  阳极区：阳极区，阳极斑点和阳极鞘层； 阴极发射的机理 电弧放电的阴极处电流密度非常高，而阴极 位降却很低，这表明电弧放电过程中二次电 子发射非常有效。  自持热阴极电弧放电  自持冷阴极电弧放电  非自持热阴极电弧放电