開斷電路時(shí)電弧產(chǎn)生的物理過程
當(dāng)觸頭開斷電路，在間隙中產(chǎn)生電弧時(shí)，電路仍然是導(dǎo)通的。這就說明已分開的觸頭間的氣體由絕緣狀態(tài)變成了導(dǎo)電狀態(tài)。那么，究竟有哪些物理過程在這個氣體由不導(dǎo)電的狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)過程中起作用了呢?下面就此進(jìn)行一些分析。
金屬材料表面在某些情況下能發(fā)射出自由電子，這種現(xiàn)象叫表面發(fā)射。自由電子的產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)的電子得到能量，克服內(nèi)部的吸引力而逸出金屬。一個電子逸出金屬所需能量叫逸出功，其單位用電子伏(ev)表示。不同金屬材料逸出功的大小不一樣。
從物質(zhì)原子的結(jié)構(gòu)而言，是由原子核與若干電子構(gòu)成的。如果外界加到電子上的能量足夠大，能使電子克服原子核的吸引力作用而成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為游離。游離所需的能量叫游離能。不同的物質(zhì)其游離能不同。
觸頭開斷電路時(shí)，產(chǎn)生電弧的原因主要有：陰極熱發(fā)射電子；陰極冷發(fā)射電子；碰撞游離和熱游離等。
1.陰極熱發(fā)射電子
觸頭開斷過程中，觸頭間的接觸面積逐漸減小，接觸處的電阻越來越大，電流密度也逐漸增大，觸頭表面的溫度劇增，金屬內(nèi)由于熱運(yùn)動急劇活躍的自由電子就克服內(nèi)部的吸力而從陰極表面發(fā)射出來，這種主要是由于熱作用所引起的發(fā)射稱為熱發(fā)射。
溫度越低、逸出的功越大時(shí)，熱發(fā)射的電流密度越小。
2.陰極冷發(fā)射電子
在觸頭剛剛分開發(fā)生熱發(fā)射的同時(shí)，由于觸頭之間的距離很小，線路電壓在這很小的間隙內(nèi)形成很高的電場，此電場將電子從陰極表面拉出，形成強(qiáng)電場發(fā)射。
在強(qiáng)電場發(fā)射中，并不需要熱功的參與，所以強(qiáng)電場發(fā)射也稱做冷發(fā)射。
當(dāng)金屬的溫度越低、陰極表面電場越小時(shí)，電子發(fā)射的數(shù)量就越少。
通常陰極電子的發(fā)射，同時(shí)包含了熱發(fā)射和冷發(fā)射的過程，只是不同的材料熱發(fā)射和冷發(fā)射的程度各不相同。
3.碰撞游離
由于這兩種發(fā)射的作用，大量電子從陰極表面進(jìn)入弧隙。它們在電場的作用下，獲得動能而加速，隨著觸頭的分開不斷地撞擊氣體的原子或分子（中性粒子），當(dāng)此粒子具有的動能大于中性粒子的游離能時(shí)，該中性粒子則分解為帶電荷的自由電子和正離子，這一現(xiàn)象叫作碰撞游離（或稱電場游離）。碰撞游離后出現(xiàn)的自由電子在電場作用下又可同其它中性粒子發(fā)生新的撞擊和游離，使得自由電子和正離子數(shù)累進(jìn)增加�；∠吨械闹行詺怏w就變?yōu)閷?dǎo)電的自由電子與正離子。在電場作用下，它們向陰極、陽極運(yùn)動，電弧形成，電路并未斷開。若電子撞擊中性粒子不足以使其立即游離，但經(jīng)多次撞擊，中性粒子所獲得能量也使其發(fā)生了游離，這種過程稱為累積游離。在帶電粒子中，由于電子體小質(zhì)輕，自由行程長，容易加速而獲得能量，故其游離作用比正、負(fù)離子大得多。
4.熱游離
隨著電弧的形成，在電弧燃燒時(shí)，弧隙中氣體溫度很高，氣體中的中性原子或分子由于熱運(yùn)動而發(fā)生互相撞擊，其結(jié)果也造成游離，這就是熱游離。熱游離實(shí)質(zhì)上也是碰撞游離，只不過發(fā)生碰撞的原因是高溫引起而不是電場引起的。所以溫度越低，熱游離愈弱；相反溫度愈高，熱游離愈強(qiáng)。
中性粒子熱游離的程度與溫度的高低、氣壓的大小、物質(zhì)的游離能大小有關(guān)。在高溫狀況下，金屬材料容易發(fā)生氣化，金屬蒸氣的游離能比氣體的小得多。當(dāng)氣體中混有金屬蒸氣時(shí)，游離程度更加迅速。
由上可見，電弧的產(chǎn)生，第一是由于熱的作用，發(fā)生熱發(fā)射和熱游離；第二是由于電場的作用，發(fā)生冷發(fā)射和碰撞游離，在氣隙間出現(xiàn)大量電子流，使氣體由絕緣體變成導(dǎo)體。應(yīng)該注意的是，在整個過程中幾種物理作用并不是截然分開的，而是交叉進(jìn)行或同時(shí)存在的。電弧燃燒期間，起主要作用的是熱游離。因而，使電弧迅速冷卻是熄滅電弧的主要方法。
從能量的角度來說，電弧燃燒時(shí)要從電源不斷向電弧內(nèi)部輸入能量，而這個能量又不斷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀〉臒崃客ㄟ^傳導(dǎo)、對流及輻射三種方式散失。
設(shè)輸入弧隙的功率為ph(w)，電弧散失功率為ps(w)，則
當(dāng)ph＝ps時(shí)，電弧電流不變，穩(wěn)定燃燒；
當(dāng)ph>ps時(shí)，電弧電流變大，電弧越燃越烈；
當(dāng)ph<ps時(shí)，電弧電流變小，電弧逐漸熄滅。
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