第4章电弧的基本特征

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1、第4章 电弧的基本理论,1气体放电的物理基础 ；气体放电的理论。 2电弧的物理特性；电弧产生的过程和电弧的温度、直径等特性。 3直流电弧的特性和熄灭原理；直流电弧的熄灭条件和熄灭方法。 4交流电弧的特性；交流电弧的伏安特性及电弧电压对电路电流的影响。,本章讲授内容 （其中红色内容是重点）,3,概述 4-1 概述 4-2 气体放电的物理过程 4-3 电弧的物理特征 4-4 直流电弧的特性与熄灭原理 4-5 交流电弧的特性 4-6 交流电弧的熄灭原理 4-7 熄灭电弧的基本方法和基本装置 小 结,实验室模拟磁环爆发,概 述,空间天体等离子体,概 述,概 述,一、电弧是一种气体放电现象，也是一种等离

2、子体（ Plasma ）。 二、学习电弧知识的目的是掌握电弧规律，尽快熄弧。,三、“电弧”的定义： 1. 定义 ：开断电路时，在触头间隙中出现的一团温度极高、发强光和能够导电的近似圆柱体的气体。可出现于大气、真空、油介质和SF6气体介质等中间。,概 述,条件 ：在大气中开断电路时， 当电源电压U U0 =（1220）， 被开断电流（0.251）时， 触头间隙中产生的一团温度极高、发强光、能导电的近似圆柱体的气体。 2. 气体放电：指弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态，使电流得以通过的现象。,概 述,背 景 知 识,“等离子体 Plasma” 一、等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产

3、生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除固、液、气外的物质存在的第四态。 看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99。,00C,1000C,100000C,背 景 知 识,它是由大量带电粒子组成的非束缚态的宏观体系。 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的，每个粒子均与周围许多粒子同时发生作用。,

4、背 景 知 识,二、等离子体分为两种：高温和低温等离子体。 1、高温等离子体只有在温度足够高时发生的，例如焊工们用高温等离子体焊接金属。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99。它是高温等离子体。 2、低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。,背 景 知 识,低温等离子体现在广泛运用于多种生产领域，如等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性，更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。 低温等离子体还可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。,背 景 知 识,人类的生

5、存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,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

6、功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,背 景 知 识,16,密度跨越了 30 个量级 温度跨越了 7 个量级,等离子体参数空间：,火 焰,星系：巨大的聚变反应堆,背 景 知 识,北极光,背 景 知 识,三、等离子体显示技术 （Plasma Display) 等离子体显示技术之所以令人激动，主要是以下两原因： （1）可制造超大尺寸的平面显示器（50英寸甚至更大）； （2）与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了160度以上。换句话说，利用惰性气体（Ne、He、Xe等）放电时所产生的紫外光来激发彩色荧光粉发光，然后将这种光转换成人眼可见的光。,背 景 知 识,1、

7、所谓等离子彩电 PDP（Plasma Display Panel），是指基于在两张薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生等离子气体，然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像的原理而设计的一种彩电。 2、等离子体显示器：又称电浆显示器，是继CRT(阴极射线管）、LCD（液晶显示器）后的最新一代显示器。其特点是厚度极薄，分辨率佳。可以当壁挂电视使用，占用极少的空间，代表未来显示器的发展趋势。,背 景 知 识,3、等离子体显示技术的基本原理 显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上

8、的红、绿、蓝三色荧光体，发出在显示器上能看到的可见光。,背 景 知 识,四、等离子体隐身技术 在飞机、舰船等武器表面产生一层等离子体，这层等离子体可以和雷达波等相互作用，使这些物体无法被感知或探测到。这种等离子体外壳由等离子体电流构成。 等离子体电流就是当电子在金属物质的表面上有规律地运动时所产生的电子密度波。当入射光频率与等离子体电流的谐振频率接近时，光线将被这层等离子体电流外壳反向散射，向外则几乎不散射光线，物体即不可见。,背 景 知 识,军事应用 等离子体天线 等离子体雷达隐身 飞行器减阻 假目标及诱饵 高技术 大功率微波器件 强X射线源及X射线激光 强流束技术 等离子体推进 磁流体发电

9、,等离子体军事及高技术应用,背 景 知 识,主要参数 Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = 6.2 m A = 2.0 m Ip = 15 MA B = 5.3 T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW,46亿美元,ITER：托卡马克聚变实验堆,背 景 知 识,聚变等离子体,2005年6月28日 ITER：Cadarache,背 景 知 识,26,美国Nova激光聚变装置,1985年建成，10路 45000焦耳，1纳秒 2倍频/3倍频,聚变等离子体,27,美国国家点火（NIF）激光聚变装置,聚变等离子体, 4-2 气体放电的物理过程,气体放电：

10、是指气体由绝缘状态变成导电状态，使电流通过的现象。 气体放电的前提：气体游离化。 一、激励与电离： 1. 激励：也叫激发，是指原子吸收能量后，使电子由低能量轨道跳向能量较高的轨道的过程 (激励后原子仍是中性原子，但原子的能量提高了)。此状态的存在一般低于10-910-8秒。,2. 电离： 定义：电离是指原子吸收足够大的能量后，电子被激发到自由态而离开原子轨道形成自由电子，使原来的中性原子或分子(统称中性粒子或中性质子) 变成一个带正电荷的粒子(正离子)的过程。 电离能(yl)： 指游离出一个电子所需的最低能量(单位为：，其值参见教材)。为方便起见，游离能y可以直接用游离电压表示，其单位由J改为

11、eV；, 4-2 气体放电的物理过程,1eV一个电子在真空中经过1V的电位差所获得的动能。 例： 13.45eV13.451.610-19。 电离电位y：yyl/e，其中e：电子电荷，e1.610-19。 3. 分级游离：指经过激励状态再游离的过程。, 4-2 气体放电的物理过程,二、气体电离方式：表面发射和空间游离。 1. 表面发射：指由金属表面发射电子的现象； 它包括了热发射、高电场发射、光发射和二次发射。 热发射：在20002500K范围内，金属表面自由电子获得足够的动能，超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出的现象。 逸出功：记为yc，是指一个电子逸出金属所需的最低能量，单位为eV。,

12、4-2 气体放电的物理过程, 高电压发射：也叫场致发射，是常温下当金属表面的电场强度106(v/cm)时，自由电子逸出金属的现象。 光发射：光线(紫外线及其他射线)照在金属表面，引起电子从表面逸出的现象。 二次发射：是指正离子高速撞击阴极或电子高速撞击阳极，引起金属表面发射电子的现象。主要考虑阴极表面的二次发射。, 4-2 气体放电的物理过程,2. 空间电离：是指电极间气体受外力影响，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的现象。 空间游离的方式有光电离、电场电离和热电离；它们可能同时存在。 光电离：中性粒子受光照作用，当光子能量 ( ) 原子或分子的游离能时，发生的游离。( h：普朗克常数，h6

13、.62410-34，单位是Js； ：光子的频率，s-1)。光游离作用的大小，与光频成正比。, 4-2 气体放电的物理过程, 电场电离：也叫碰撞电离。是一个质量为m的带电粒子(由光游离或表面发射所产生)在电场的作用下被加速到后，如其动能 大于yl，那么，当其与中性粒子发生碰撞时，此动能就可以被传递给中性粒子的外层电子，使它脱离原子核的引力范围成为自由电子。 负离子：是因电子吸附在中性粒子上形成的带负电荷的离子。 负电性气体：对电子的粘合作用特强的气体，多为氟原子及其化合物。, 4-2 气体放电的物理过程,热电离：当气体温度在30004000K以上时，气体粒子因高速热运动而互相碰撞所产生的电离。

14、气体的热电离度可用沙哈公式计算：,式中，P是压力（Pa），T是气体温度(K)，Wyl是中性粒子的电离能(J)。 气体中混有金属蒸汽时，其电离度要比纯气体的高，即电导率要大。, 4-2 气体放电的物理过程,三、消电离及其方式： 1. 消电离：也叫去游离；是指电离气体中的带电粒子自身消失或者失去电荷变为中性粒子的现象。 2. 消电离方式：包括复合与扩散。 复合：两个带异性电荷的粒子相遇后，相互作用引起电荷消失，形成中性粒子的现象。具体有以下两种方式： a. 表面复合：有四种方式。此时，释放的能量多用以加热电极、金属或绝缘材料的表面。, 4-2 气体放电的物理过程, 4-2 气体放电的物理过程,图4

15、-1 在金属表面的复合过程 a) 正离子和电子复合成一个中性粒子 b) 正离子和负离子复合成两个中性粒子, 4-2 气体放电的物理过程,图4-2 间接空间复合的过程,b. 空间复合：有直接复合和间接复合(电子粘在中性粒子上， 再与正离子相遇复合成为两个中性粒子)。 对空间复合而言，促使空间复合的决定因素是冷却，因为冷却促使带电粒子运动速度减小。 扩散：弧柱中的带电粒子，由于热运动，从弧柱中浓度高的区域移到浓度低的区域的现象。, 4-2 气体放电的物理过程,四、气体放电, 4-2 气体放电的物理过程,图4-4 气体放电间隙的伏安特性,图4-3 试验气体放电的电路,1. 气体放电的几个阶段： 见图

16、4-4。 非自持放电阶段：是指当外界因素去除后，放电无法维持的阶段，即图中的C段。 OA段：电场强度较小，带电粒子仅由宇宙射线、射线等产生，属漫游状态，当U时，到达阴极的带电粒子成比例增加； AC段：电压较高，间隙电场强度较大，I继续增加，可产生电场电离，并出现二次发射；因去掉外加电离因素后，放电停止，故称之为非自持放电阶段。, 4-2 气体放电的物理过程, 自持放电阶段：图4-4中的CF段。 a. 定义：是指当外界因素去除后，放电能够维持的阶段， 即图中的CF段。 b. 自持放电的条件：发生了间隙击穿 (放电电流雪崩般增加，即放电突变的现象)。 间隙击穿电压主要决定于气体压力和电极间距离的乘积，即jc f(pl)，其也称为巴申曲线。, 4-2 气体放电的物理过程, 4-2 气体放电