Физические процессы в электрической дуге

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга, продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4—0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 2.1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U (a)

и напряженности Е (б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис.2.1). Всё напряжение распределяется между этими областями U _к, U _сд, U _а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10—20 В, а длина этого участка составляет 10^–4—10^–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (10⁵—10⁶ В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [ у = 2500 1/(Ом×см)]. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см² и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.