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開斷電路時電弧產(chǎn)生的物理過程

當觸頭開斷電路,在間隙中產(chǎn)生電弧時,電路仍然是導通的。這就說明已分開的觸頭間的氣體由絕緣狀態(tài)變成了導電狀態(tài)。那么,究竟有哪些物理過程在這個氣體由不導電的狀態(tài)變成導電狀態(tài)過程中起作用了呢?下面就此進行一些分析。

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,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,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,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,形成強電場發(fā)射。

在強電場發(fā)射中,并不需要熱功的參與,所以強電場發(fā)射也稱做冷發(fā)射。

當金屬的溫度越低、陰極表面電場越小時,電子發(fā)射的數(shù)量就越少。

通常陰極電子的發(fā)射,同時包含了熱發(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),當此粒子具有的動能大于中性粒子的游離能時,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)累進增加;∠吨械闹行詺怏w就變?yōu)閷щ姷淖杂呻娮优c正離子。在電場作用下,它們向陰極、陽極運動,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、負離子大得多。

4.熱游離

隨著電弧的形成,在電弧燃燒時,弧隙中氣體溫度很高,氣體中的中性原子或分子由于熱運動而發(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。

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。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。當氣體中混有金屬蒸氣時,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體。應該注意的是,在整個過程中幾種物理作用并不是截然分開的,而是交叉進行或同時存在的。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、對流及輻射三種方式散失。

設輸入弧隙的功率為ph(w),電弧散失功率為ps(w),則

phps時,電弧電流不變,穩(wěn)定燃燒;

ph>ps時,電弧電流變大,電弧越燃越烈;

ph<ps時,電弧電流變小,電弧逐漸熄滅。

首頁 > 電工基礎 > 日期:2022-6-25 來源:www.anarchyalive.com 作者:呆呆 瀏覽量: