开断电路时电弧产生的物理过程
|
当触头开断电路，在间隙中产生电弧时，电路仍然是导通的。这就说明已分开的触头间的气体由绝缘状态变成了导电状态。那么，究竟有哪些物理过程在这个气体由不导电的状态变成导电状态过程中起作用了呢?下面就此进行一些分析。 金属材料表面在某些情况下能发射出自由电子，这种现象叫表面发射。自由电子的产生是由于金属内的电子得到能量，克服内部的吸引力而逸出金属。一个电子逸出金属所需能量叫逸出功，其单位用电子伏(eV)表示。不同金属材料逸出功的大小不一样。 从物质原子的结构而言，是由原子核与若干电子构成的。如果外界加到电子上的能量足够大，能使电子克服原子核的吸引力作用而成为自由电子，这种现象称为游离。游离所需的能量叫游离能。不同的物质其游离能不同。 触头开断电路时，产生电弧的原因主要有：阴极热发射电子；阴极冷发射电子；碰撞游离和热游离等。 1.阴极热发射电子 触头开断过程中，触头间的接触面积逐渐减小，接触处的电阻越来越大，电流密度也逐渐增大，触头表面的温度剧增，金属内由于热运动急剧活跃的自由电子就克服内部的吸力而从阴极表面发射出来，这种主要是由于热作用所引起的发射称为热发射。 温度越低、逸出的功越大时，热发射的电流密度越小。 2.阴极冷发射电子 在触头刚刚分开发生热发射的同时，由于触头之间的距离很小，线路电压在这很小的间隙内形成很高的电场，此电场将电子从阴极表面拉出，形成强电场发射。 在强电场发射中，并不需要热功的参与，所以强电场发射也称做冷发射。 当金属的温度越低、阴极表面电场越小时，电子发射的数量就越少。 通常阴极电子的发射，同时包含了热发射和冷发射的过程，只是不同的材料热发射和冷发射的程度各不相同。 3.碰撞游离 由于这两种发射的作用，大量电子从阴极表面进入弧隙。它们在电场的作用下，获得动能而加速，随着触头的分开不断地撞击气体的原子或分子（中性粒子），当此粒子具有的动能大于中性粒子的游离能时，该中性粒子则分解为带电荷的自由电子和正离子，这一现象叫作碰撞游离（或称电场游离）。碰撞游离后出现的自由电子在电场作用下又可同其它中性粒子发生新的撞击和游离，使得自由电子和正离子数累进增加。弧隙中的中性气体就变为导电的自由电子与正离子。在电场作用下，它们向阴极、阳极运动，电弧形成，电路并未断开。若电子撞击中性粒子不足以使其立即游离，但经多次撞击，中性粒子所获得能量也使其发生了游离，这种过程称为累积游离。在带电粒子中，由于电子体小质轻，自由行程长，容易加速而获得能量，故其游离作用比正、负离子大得多。 4.热游离 随着电弧的形成，在电弧燃烧时，弧隙中气体温度很高，气体中的中性原子或分子由于热运动而发生互相撞击，其结果也造成游离，这就是热游离。热游离实质上也是碰撞游离，只不过发生碰撞的原因是高温引起而不是电场引起的。所以温度越低，热游离愈弱；相反温度愈高，热游离愈强。 中性粒子热游离的程度与温度的高低、气压的大小、物质的游离能大小有关。在高温状况下，金属材料容易发生气化，金属蒸气的游离能比气体的小得多。当气体中混有金属蒸气时，游离程度更加迅速。 由上可见，电弧的产生，第一是由于热的作用，发生热发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生冷发射和碰撞游离，在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。应该注意的是，在整个过程中几种物理作用并不是截然分开的，而是交叉进行或同时存在的。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。因而，使电弧迅速冷却是熄灭电弧的主要方法。 从能量的角度来说，电弧燃烧时要从电源不断向电弧内部输入能量，而这个能量又不断转变为电弧的热量通过传导、对流及辐射三种方式散失。 设输入弧隙的功率为Ph(W)，电弧散失功率为Ps(W)，则 当Ph＝Ps时，电弧电流不变，稳定燃烧； 当Ph>Ps时，电弧电流变大，电弧越燃越烈； 当Ph<Ps时，电弧电流变小，电弧逐渐熄灭。 |
