Образование дугового разряда
Формированию дугового разряда предшествует короткий нестационарный процесс в пространстве между электродами. Длительность этого процесса обычно ~ 106—10-4 сек. Если пробой происходит при давлении газа, близком к атмосферному, то нестационарным процессом, предшествующим дуговой разряд, является искровой разряд.
Причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если уменьшить сопротивление внешней
цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастет, что напряжение между электродами
уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольтамперную характеристику.
Если в тлеющем разряде увеличивать силу тока, уменьшая внешнее сопротивление, то при большой силе тока напряжение на зажимах трубки начинает падать, разряд быстро развивается и превращается в дуговой. В большинстве случаев переход совершается скачком и ведёт к короткому замыканию. При подборе сопротивления внешнего контура удаётся стабилизовать переходную форму разряда и наблюдать при определённых давлениях непрерывный переход тлеющего разряда в дугу. Параллельно с падением напряжения между электродами трубки идёт возрастание температуры катода и постепенное уменьшение катодного падения.
Применение обычного способа зажигания дуги путём раздвигания электродов вызвано тем, что дуга горит при сравнительно низких напряжениях в десятки вольт, тогда как для зажигания тлеющего разряда нужно при атмосферном давлении напряжение порядка десятков киловольт. Для дугового разряда характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа — от менее 10" мм ртутного столба до сотен атмосфер; разность потенциалов между электродами дугового разряда может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт. Отличительными особенностями всех форм дугового разряда являются малая величина катодного падения и высокая плотность тока на катоде. Катодное падение обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1—10 В); плотность тока на катоде составляет 102—107 А/см2. При столь большой плотности тока сила тока в дуговом разряде обычно также велика — порядка 1—10 А и выше.
Самостоятельный дуговой разряд на легкоплавких катодах отличает то, что термоавтоэмиссия электронов происходит в нём лишь с небольших участков катода - так называемых катодных пятен. Малые размеры этих пятен (менее 10-2 см) обусловлены пинч-эффектом — стягиванием токового канала его собственным магнитным полем. Плотность тока в катодном пятне зависит от материала катода и может достигать десятков тысяч А/см2. Поэтому в катодных пятнах происходит интенсивная эрозия — из них вылетают струи паров вещества катода со скоростью порядка 106 см/сек.
При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 ° С. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление и нагревают его. Температура углубления около 4000 ° С , а при больших давлениях воздуха достигает 6000-7000 ° С. Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 ° С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация.