5.1 Процессы, возникающие при ионизации дугового промежутка

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором: например, для пробоя воздушного промежутка в 1см необходимо приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводящим, необходимо, чтобы в нем возникла определенная концентрация заряженных частиц: электронов и ионов.

Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов и образования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется ионизацией. Ионизация воздуха может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда других факторов.

Для дуговых процессов имеющих место в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов – термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, ударная и термическая ионизации.

5.1.1 Термоэлектронная эмиссия

Термоэлектронной эмиссией называется явление испускание свободных электронов с поверхности катода, имеющего высокую температуру.

При расхождении контактов резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней контактной площадке. Эта площадка разогревается до расплавления и при дальнейшем расхождении контактов рвется, с образованием паров металла в воздушном пространстве.

На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контакта. Она невелика и может быть достаточной только для начала возникновения дуги, но не для поддержания ее горения.

5.1.2 Автоэлектронная эмиссия

Автоэлектронной эмиссией называется явление испускание электронов под воздействием сильного электрического поля. По мере расхождения контактов напряженность поля между ними возрастает и проходит через значения превышающие 10⁹ В / м., достаточные для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии также мал и может служить только причиной начала возникновения дуги.

Таким образом, начальная стадия возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий свободных электронов в дуговой промежуток.

После возникновения дуги и образования положительных ионов и электронов каждый из них устремится к своему электроду: положительные заряды к катоду, а электроны к аноду.

За счет положительных ионов усиливается термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии:

Термоэлектронная эмиссия усиливается за счет увеличения температуры катода в результате бомбардировки катода положительными ионами, а автоэлектронная эмиссия - за счет усиления электрического поля между слоем положительных ионов и отрицательным катодом.

5.1.3 Ионизация толчком

Если свободный электрон при своем движении в электрическом поле приобретет достаточную скорость и, соответственно, кинетическую энергию, то при столкновении с нейтральной частицей он может выбить из нее электрон, т.е. ионизировать эту частицу. В результате образуется новый электрон, который может ионизировать следующую нейтральную частицу и т.д. Произойдет лавинообразное нарастание потока электронов в дуговом промежутке.

Условием для ударной ионизации является наличие электрического поля и достаточная длина свободного пробега, необходимая для приобретения электроном требуемой энергии для ионизации молекул в воздушном промежутке. Скорость электронов зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электронов, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на конце свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Это разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Чем выше давление и плотность газа, тем меньше длина свободного пробега у электрона и тем меньше энергии приобретет электрон. Ионизация воздушного промежутка будет затруднена, Дуга может и не возникнуть. Наличие паров металлов в воздушном промежутке, имеющих потенциал ионизации ниже, чем у воздуха значительно снижает энергию ионизации и облегчает образование дугового разряда.

5.1.4 Термическая ионизация

Это процесс ионизации под воздействием высокой температуры.

Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение дугового разряда достаточным количеством свободных электронов, объясняется практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.

Температура ствола дуги достигает 4-7 тысяч градусов Кельвина. При такой высокой температуре быстро возрастает как число быстро движущихся молекул, так и их скорость. При столкновении быстро движущихся молекул и атомов большая часть их разрушается, с образованием заряженных частиц.

Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Пары металла значительно быстрее ионизируются, чем воздух, что объясняется их более низким потенциалом ионизации.