第三章 电弧的基本特性.ppt

背 景 知 识 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 * 3、触头分离： 1）开始分离：接触面积减小，电流密度增大，强烈发热； 2）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。 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。 注意：高电场发射是电弧产生的根本原因。 § 3-2 电弧的物理特征 * 二、电弧近极区和弧柱区的特征： 1、直流电弧电弧压降Uh的三个区域： （1）近阴极区：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3-7。 （2）近阳极区：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； § 3-2 电弧的物理特征 * （3）弧柱区：近似圆柱形；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；E沿弧长可看作是常数，其值与电极材料、气压、介质对电弧的作用等有关；弧柱电压Uz＝IhRh。 § 3-2 电弧的物理特征 * 式中，U0是近极压降； E是弧柱电场强度V/cm； l是电弧长度。 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）。 2、直流电弧电压： § 3-2 电弧的物理特征 * 三、电弧长度：与发热及气流有关。 四、弧柱的温度：用光学方法测量。 开关电器：燃弧温度6000～20000K；趋向熄灭温度：3000～4000k。 五、弧柱的直径。 § 3-2 电弧的物理特征 * 六、电弧的弧根和斑点： 1、弧根：弧柱贴近电极的部分； 2、斑点：弧根在电极表面上形成的圆形明亮点，其中： （1）阴极斑点：是维持电弧存在的电子发射处，其电流密度高（104A/cm2，甚至达107A/cm2），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提供大量的电子；结果阴极表面逐渐烧损，形成凹坑。 § 3-2 电弧的物理特征 * （2）阳极斑点：是电子进入阳极的入口，面积大于阴极斑点，故电流密度较小。 § 3-2 电弧的物理特征 * 3、电弧的能量平衡： （1）电弧的发热功率： （2）电弧的散热功率（传导、对流、辐射）： § 3-2 电弧的物理特征 * 式中 WQ是电弧的含热量，J； Ps：弧柱总散热量； Ph：电弧功率。 因此，当 时，电弧燃烧趋热；当 时，电弧稳定燃烧；当 时，电弧趋于熄灭。 （3）由上两式，可得电弧的动态能量平衡方程： § 3-2 电弧的物理特征 * 三、维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理： １、前提： 假定电弧是一个纯电阻性的发热元件。 电弧燃烧时，从电源输入到电弧内部的能量转变成热能，通过传导(cd)、对流(dl)和辐射(fs)三种方式散失。 § 3-2 电弧的物理特征 * ２、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：Ｐh：输入弧隙的功率，Ｗ；Ｐs：散失功率，Ｗ； ① Ｐh Ｐs： Ｉh增加，th增加，弧径变粗； ② Ｐh ＝ Ｐs： h恒定，电弧稳定燃烧； ③ Ｐh Ｐs： 逐渐熄灭。 § 3-2 电弧的物理特征 * ３、用离子平衡的观点，分析维持电弧燃烧或促使电弧熄灭的基本原理：令Ｑ1：游离强度，即带电粒子增加率；Ｑ2：去游离强度，即带电粒子减小率； ① Ｑ1 Ｑ2 ： Ｉh增加； ② Ｑ1 ＝ Ｑ2 ： Ｉh恒定，电弧稳定燃烧； ③ Ｑ1 Ｑ2 ： 电弧逐渐熄灭。 § 3-2 电弧的物理特征 * 4、总结： 电弧是热和电的统一