XC95144XLCS144并不是均勻分布的,它可以分為近陰極區C、近陽極區A和弧柱區Z三個區域,如圖2-27(a)所示。各個區域分別具有不同的特點,具體介紹如下。

近陰極區C,這一區域的長度約等于電子的平均自由行程(小于10ˉ4cm)。在此區域內聚集著大量正離子,形成正空間電荷,因而電位有一個急劇的改變―即所謂的陰極壓降⒒。此處電場強度甚高(平均達104~105V/cm),這對加速正離子向陰極運動,轟擊陰極表面產生二次電子發射和強場發射起著重要的作用。陰極壓降的數值隨陰極材料和氣體介質而不同,如表2-10所示。由此表可見,陰極壓降大約等于陰極材料蒸氣的游離電位(因材料不同,uc可由7V到20V)。

表2-10 不同陰極材料和氣體介質時的陰極壓降的數值,陰極壓降(V)

近陽極區A,這一區域的長度約為近陰極區的幾倍。在此區域內聚集著大量的電子,形成負空間電荷,因而電位也有一急劇的改變―即所謂陽極壓降嘰。它的數值也隨陽極材料而異,例如,對鋁、銅為10~11V,對鐵為6~9V。由于陽極壓降的數值與陰極壓降相近而近陽極區較長,因而此處電場強度比近陰極區小。

陰極壓降嘰和陽極壓降ua的數值幾乎與電弧電流rh的大小無關,一般可以認為是常數。

弧柱區z,近陰極區和近陽極區之間的區域,在自由狀態下近似呈圓柱形,稱為弧柱區。此區域內的游離氣體中,正負帶電粒子數相等,故此處的氣體也稱為等離子體。由于不存在空間電荷,整個弧柱上的電壓降相等,即弧柱中的電場強度E是一常數(如圖2-27 kb)所示)。E的大小與許多因素有關,例如電極材料、電流大小、氣體介質種類、氣壓以及介質對電弧作用的強烈程度等。

綜上所述,直流電弧的電弧電壓rh可用下式表示:

Ih=yc+σa+σz=yo+EJ         (2-26)

式中 ui=yc+ya稱為近極壓降(V);

E一弧柱的電場強度(V/cm);

J一弧柱長度(近似等于兩極之間的距離)(cm)。

按照近極壓降和弧柱壓降uz在電弧電壓uh中所占比例的不同,可以將電弧分為長弧和短弧兩類。當兩極之間的距離很小,以至弧柱壓降trz可以忽略不計時的電弧稱為短弧。當極間距離相當長,以至彩0時的電弧稱為長弧。由式(2-26)可以看到,短弧的電壓,幾料極材銅鐵碳鈉汞碳,陰電流范圍(A)氣體介質.

弧柱溫度與電極材料、氣體介質的種類、氣壓以及介質對電弧的作用強烈程度等因素有關。試驗表明,介質對弧柱的冷卻作用越強烈,弧柱中心的溫度越高。圖2-30示出了電流為200A的碳電極,電弧垂直放置時的溫度場的圖形。由圖可見,弧柱中心溫度為10000~12000K。離開中心越遠,溫度越低。同時應說明的是隨著電極材料、尺寸、形狀以及電弧放置方式的不同,其溫度場將有不同的圖形。

在交流電弧情況下,隨著電流相角p的變化,弧柱溫度也跟著變化,如圖2-31所示。但與電流變化曲線相比,有兩點重要差異。一是當電流下降到零時,弧柱溫度不為零;二是弧柱溫度的最高值滯后于電流最高值一個相位角。這是因為構成電弧的氣體具有一定的熱容量,也就是說9要使電弧溫度升高,必須供給一定的熱量,要使電弧溫度降低必須從其中散發出去一定的熱量。而熱量的供給和散發是需要經過一定時間的。因此,弧柱溫度的變化落后于電流的變化,這種現象通常稱為電弧的熱慣性。

和弧柱相比,電弧近極區靠近陰極和陽極,由于受到電極材料沸點的限制,溫度要低于弧柱溫度。

電弧的能量平衡,電弧相當于一純電阻性的發熱元件,所以消耗于電弧的功率Ph~可以表示為Ph=rhuh=rh(uO+yz) (v)  (2-27)

式中 rb―流過電弧的電流(A);

ui――電弧兩端的電壓(V);

Uo――近極壓降(V);

σz―弧柱壓降(V)。

由式(2-27)可以看出,電弧的功率損耗也分在三個區域內,即近陰極區、近陽極區和弧柱區。在短弧的情況下,由于極間距離很近,而電極的溫度又遠低于弧柱的溫度,電弧功率損耗轉變而成的熱量主要先傳給電極,然后再由電極傳給其他零件和散向周圍介質。在長弧的情況下,由電極傳走的熱量所占比例較小,大部分熱量是由弧柱直接散向周圍介質。在這種情況下,一般考慮問題的方法是,認為功率rJ。由電極散發,而功率rh饑由弧柱散發。弧柱向周圍介質散熱的方式可以分為傳導散發功率Ped、對流散發功率Pd1和輻射散發功率Pfs三種方式。因此,弧柱總的散發功率為

Ps=Pcd+Pdl+Pfs          (2-28)

弧柱的動態能量平衡方程可以表述為陽極,200A碳電極的溫度場,交流電弧弧柱溫度,隨電流相角的變化.

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