電暈、輝光、電火花、電弧、尖端放電、低氣壓放電和高壓電弧的機理都是什麼樣的？它們的區別在哪裡？

02-03

這是一個很有意思的問題。本帖來簡單地描述一下：

一.氣體放電的基本原理

我們都知道空氣的組成，約4/5是氮氣，約1/5是氧氣，還有其它氣體。當未載入電壓時，這些氣體均以分子的形式出現，例如N2、O2等等。

第一階段：起始階段

現在，我們把空氣密封在一個放電管內，然後在放電管的兩極之間加上電源電壓，如下：

首先，我們將電源E電動勢的電壓置為最低值，我們看到，電流表的顯示值是零。這是顯然的，電路根本就不通嘛。

現在我們開始調節電源E的電動勢，我們看到電流表中有一點電流了。

我們知道，空中是存在各種射線的，例如宇宙射線，太陽光線等等。氣體分子在這些射線的轟擊下，電子從原子核上剝離，形成電離。當然，已經電離的氣體佔總氣體量的比值非常小。我們把這個比值叫做電離度。

電離後的負離子也即電子奔向陽極，而丟失了電子的原子則形成了正離子，它們奔向陰極。但由於電離度太低，這些離子還沒到達電極，就被複合了。所以此時的電流極小。

我們繼續升高電壓，我們發現，儘管電壓調節的幅值比較大，但電流始終很小。這是因為宇宙射線的數量是固定的，因此雖然電壓變化大，而電流變化不大。

我們看右圖，我們看到起始階段的曲線十分陡峭，其原因就在於此。

注意，右圖的縱坐標是弧隙電壓，不是電源電壓。

我們繼續調高電壓，當到達一定階段後，電流發生了突變，此時的電壓叫做擊穿電壓Uc。

在起始階段，由於氣體的電離度很小，因此若把電源電壓降低，則上述現象立即消失，這說明，這一過程是非自持的。

另外，注意到這一階段的曲線是單調上升的。因為 $R_{h} =frac{Delta U}{Delta I} >0$ ，也即弧隙電壓與電弧電流之比是正值，說明曲線對應的等效電阻Rh具有正阻特性。

現在，我們來研究一下陰極和陽極的：

兩極當然是金屬的（不過也不排除採用碳電極）。金屬電極在電離過程中會出現什麼情況呢？

1.熱發射：金屬因為溫度升高電子逸出。

熱發射與金屬的沸點密切相關。沸點越高的金屬，熱發射的最大電流密度就越大。

2.場致發射：在高電場下，自由電子越過勢壘而逸出。

當金屬表面具有高電場時，自由電子穿過勢壘逸出金屬的現象。

場致發射對於低壓電器的滅弧有重要意義。

3.光發射：當光線和射線照射到金屬表面而引起的電子逸出。

4.二次發射：當高速正離子、電子和負離子撞擊金屬時，引起的電子發射。

電子的逸出，均與量子物理學有關。例如熱發射的電流密度j表達式為：

$j=A_{1}T^{2} e^{-frac{11600W_{yc} }{T} }$

這裡的A1是係數，對於純金屬，它的值是100；Wyc是金屬逸出功；T是金屬表面溫度，單位是K

與兩極的金屬電離不同，空間電離包括光電離和電場電離，還有熱電離。

第二階段：輝光階段

氣體擊穿後，電離度當然增加了，大量的離子奔向兩極。同時，也有大量的離子在空中複合為正常氣體原子。

由於氣體電離度增加，弧隙氣體的等效電阻降低了，弧隙電壓也降低了，而電流卻增大了。如此一來，伏安特性曲線上任意點的等效電阻 $R_{h} =frac{Delta U}{Delta I} <0$ ，說明曲線對應的等效電阻Rh具有負阻特性。

我們知道，所謂離子複合，其實就是電子返回正離子的過程。當電子返回原子時，會把它攜帶的能量以光的形式發射出來。由於某種金屬蒸汽原子的電離能是固定的，如果輝光區的介質中有某種金屬蒸汽的話，那麼它發出的光就是這種金屬所特有。例如鈉燈發出的光是黃白色的，而水銀燈發出的光則是藍白色的。

這個區域叫做輝光放電區。

輝光放電區的特點是：弧隙中整個空間都在放電，且溫度不太高。陰極的壓降大概在200V左右，而電流密度大概是 $0.1A/m^{2}$ 。

輝光放電發光體充滿著整個氣體放電管內，而且很美麗。

第三階段：弧光階段

1.電弧的基本形態描述

現在，我們繼續加大電壓，我們會發現一個現象：右側伏安特性曲線中，弧隙的電壓降低了，通過弧隙的電流增大了，現在曲線進入了弧光放電區域。

所謂弧光，其實就是電弧。

弧光放電的介質溫度很高，可達6000K。直徑很細。

在電弧內部，會出現一種有趣現象：正負離子在奔向電極的途中，會在某個區域複合，然後再次熱電離。這個區域叫做電子崩。由於正負離子複合會發出強光，所以電子崩的崩頭就是電弧中發光較強的區域。

在陽極，電子轟擊著陽極金屬，形成了陽極斑點；在陰極，同樣陽離子也轟擊陰極金屬，也出現陰極斑點。兩者統稱弧根根班。

我們來看電弧的電場分布：

最上面一張圖就是電弧了。左邊是陰極，右邊是陽極。

中間圖顯示的是從陰極到陽極的電場分布情況。

我們知道，在陰極附近有大量的正離子存在，因此在近陰極區，電弧電場變化特別劇烈，我們看到了電壓急劇上升；中間的弧柱區電壓相對平穩；右側的近陽極區又積聚了大量的電子，所以電弧電磁再次發生劇變，但程度上不如近陰極區。

下圖是電弧自身的電場分布，我們看到近陰極區電場改變數極大，但寬度不如近陽極區；中間的弧柱區電壓很平穩，說明弧柱區內其實就是一團等離子氣體，它的特性近乎於金屬導體；右邊就是近陽極區，它的電場改變數較小，但寬度更寬。

2.電弧的伏安特性

當氣體放電管中已經出現了電弧後，我們改變弧長或者調節電源電壓，會發生什麼現象呢？

（1）改變弧長後電弧的特性

我們發現，改變弧長後，電弧的電壓Uh和電流Ih都增加，長弧曲線在短弧曲線的上方。

其意義也很明顯：長弧的能量大於短弧的能量。

高壓電器中產生的電弧都是長弧，低壓電器中的電弧都是短弧，因此高壓電器的滅弧能量和難度遠遠大於低壓電器。

（2）電弧的負阻特性

電弧伏安特性曲線上的任意一點，電弧電阻Rh為：

$R_{h}=frac{U_{h} }{I_{h} } =tanalpha$

當電弧電流Ih增加時，我們看到電弧電阻在減小。因此，電弧具有負阻特性。

事實上，當電弧電流增大後，輸入給電弧的功率Ph=UhIh也在增加，於是弧柱的溫度升高，直徑變大，反而使得電弧電阻Rh減小。

（3）電弧的動態伏安特性

設想電弧穩定地在1點燃燒，它的伏安特性曲線是AB，此時的電流是I1。

我們以較快的速度將電流調整到I2，電弧的工作點首先會移到2點，然後再下降到3點；如果我們快速地將電流調整到I2，相當於 $frac{dI_{h} }{dt} =infty$ ，則電弧的工作點首先會移到4點，然後再下降到3點。

為什麼呢？

電弧的溫度不允許突變——電弧熱慣性現象。

我們已經知道，電弧是一團等離子的高溫氣體，它的溫度在短時間內不允許突變，這叫做電弧的熱慣性。

由於電弧的熱慣性，當電流快速變大後，電弧電阻瞬時間不變，因為Uh=RhIh，所以電弧電壓會上升，到達2點。隨著電弧電阻的動態調整，最後返回到3點。

當電流急劇地從I1增大到I2後，它會到達4點，最後返回到3點。

當電流減小時，情況也類似。

結論：電弧的靜態伏安特性曲線只有一條，但電弧的動態伏安特性曲線有無數條。

正因為電弧具有熱慣性，它不允許電流突變，所以電弧具有一定的限流能力。估計，這一點是許多人都沒有想到的。

看來，配電電器中出現的電弧，並不全是壞事呀！

現在，讓我們來看看交流狀態下的電弧又是怎麼回事：

圖的左側，我們看到這是一個實際電路：有交流電源E，有電阻R，還有觸頭K。當K打開後，觸頭間就會出現電弧。調節交流電壓值，我們就能得到交流電壓下的電弧伏安特性曲線。

右圖中，當電壓過零後，電弧不會重燃。等到電壓升到一定的幅值後，氣隙被擊穿，電弧開始出現。此時的電壓就是U0。

氣隙擊穿後，隨著電壓不斷上升，弧柱不斷地變熱變粗，弧柱的電阻也會下降，並進入負阻區。當Rh下降的速度等於Ih增長的速度時，Uh到達A點的最大值Ur，Ur又叫做燃弧電壓；此後，Ih不斷增長，當到達B點最大值後，開始減少。由於電弧存在熱慣性，這時的電弧電阻Rh比相同電弧電流但處於增大狀態下的電弧電阻低，所以圖中BC的曲線要比AB的曲線低。

C點叫做熄弧電壓Ux。從C點以後，電弧趨於熄滅。

我們來看電阻性負載的交流電弧電壓uh和電弧電流ih的波形：

圖中U是電壓波形。

（1）當電壓過零後，電弧在燃弧電壓Ur下開始點燃。注意到Ur就是A點電壓；電弧在熄弧電壓Ux後熄滅。注意到Ux就是C點電壓，

（2）電弧電流Ih在Ur和Ux的中間。

（3）從上半波熄弧到下半波燃弧中間的區域叫做零休時刻。電弧從第一半波到最後熄滅，每次過零時零休越來越長。

（4）交流電弧熄滅的條件是：零休期間，弧隙介質從離子態恢復為常態的強度Ujf，必須大於過零後的電壓恢復強度Uhf。即： $U_{jf} >U_{hf}$ 。

說了這麼多，我們來看一個應用。

我們來設想，當交流電流過零前，若電極處於左邊是陽極右邊是陰極，見下圖：

過零前，陽極的外表面殘留著正離子構成的雲，而弧隙中間屬於等離子體，正負電子的數量接近均等；交流電流過零後，陽極變成陰極。由於正離子體積大質量也大，而負離子也即電子質量小它會迅速地移動，於是在新陰極的表面會殘留一層正離子構成的區域。

過零後新陰極附近的電場強度E0表達式為：

$E_{0} =sqrt{frac{2nqU_{j} }{varepsilon } }$

這裡的Uj就是新陰極近旁相對陰極的電壓。

過零後，E0也在增加。要產生電弧，新陰極必須要發射電子。而電子在變冷的新陰極中，只能依靠新陰極表面的高電場發射，也即場致發射，所以要求Uj要有一定的數值。但我們已經知道，Uj被這一層正離子給限制住了。其結果使得電流過零後恢複電壓被延滯，繼而電弧重燃也被延滯，弧隙也獲得了一定的耐壓強度，這種效應叫做近陰極效應。

近陰極效應是低壓電器熄滅交流電弧的主要方法，應用十分廣泛。例如低壓電器的滅弧柵，當電弧被切割成若干段後，在每一段中都形成了近陰極效應，再加上降溫，電弧被熄滅。

近陰極效應對高壓電器的長弧不起作用。

弧光區有關電弧的內容極其豐富，知識面也很廣，本帖只是蜻蜓點水般地點一下而已。具體細節有待於知友們自己去閱讀相關資料。

第四階段：火花放電區

其實火花放電區也屬於弧光放電區，只不過它的弧徑更細，溫度更高而已。我們就不去細談它了。

說明一下：有的書籍認為輝光放電後現出現火花放電，然後再出現弧光放電，有的書籍則相反。其實它們描述的是兩種不同直徑的電弧表觀現象而已，區別不大。因此，在新的出版物中，把火花放電和弧光放電合併為弧光放電。

本帖兼顧老的說法，知友們盡可以把火花放電區和弧光放電區合併。

二.流注理論

氣體間隙的擊穿過程，從流注理論來看是這樣的：

（1）從陰極發射的電子，在電場的作用下向陽極運動，經過一系列碰撞，產生了大量的新電子和正負離子。

（2）由於電子運動速度快，大量地集中在前進方向的前部，而正離子則留在後部，這樣就形成了一個電子和正離子構成的區域，叫做電子崩。

（3）電子崩的泵頭和崩尾削弱了間隙電場分布，使得其中複合作用增強。這些複合作用放出了大量的光子，使得距離甭頭不遠處產生了第二個電子崩。若繼續發展，又會產生第三個和更多的電子崩。