XC95144XLCS144并不是均匀分布的,它可以分为近阴极区C、近阳极区A和弧柱区Z三个区域,如图2-27(a)所示。各个区域分别具有不同的特点,具体介绍如下。

近阴极区C,这一区域的长度约等于电子的平均自由行程(小于10ˉ4cm)。在此区域内聚集着大量正离子,形成正空间电荷,因而电位有一个急剧的改变 即所谓的阴极压降⒒。此处电场强度甚高(平均达104~105V/cm),这对加速正离子向阴极运动,轰击阴极表面产生二次电子发射和强场发射起着重要的作用。阴极压降的数值随阴极材料和气体介质而不同,如表2-10所示。由此表可见,阴极压降大约等于阴极材料蒸气的游离电位(因材料不同,uc可由7V到20V)。

表2-10 不同阴极材料和气体介质时的阴极压降的数值,阴极压降(V)

近阳极区A,这一区域的长度约为近阴极区的几倍。在此区域内聚集着大量的电子,形成负空间电荷,因而电位也有一急剧的改变 即所谓阳极压降叽。它的数值也随阳极材料而异,例如,对铝、铜为10~11V,对铁为6~9V。由于阳极压降的数值与阴极压降相近而近阳极区较长,因而此处电场强度比近阴极区小。

阴极压降叽和阳极压降ua的数值几乎与电弧电流rh的大小无关,一般可以认为是常数。

弧柱区z,近阴极区和近阳极区之间的区域,在自由状态下近似呈圆柱形,称为弧柱区。此区域内的游离气体中,正负带电粒子数相等,故此处的气体也称为等离子体。由于不存在空间电荷,整个弧柱上的电压降相等,即弧柱中的电场强度E是一常数(如图2-27 kb)所示)。E的大小与许多因素有关,例如电极材料、电流大小、气体介质种类、气压以及介质对电弧作用的强烈程度等。

综上所述,直流电弧的电弧电压rh可用下式表示:

Ih=yc+σa+σz=yo+EJ         (2-26)

式中 ui=yc+ya称为近极压降(V);

E一弧柱的电场强度(V/cm);

J一弧柱长度(近似等于两极之间的距离)(cm)。

按照近极压降和弧柱压降uz在电弧电压uh中所占比例的不同,可以将电弧分为长弧和短弧两类。当两极之间的距离很小,以至弧柱压降trz可以忽略不计时的电弧称为短弧。当极间距离相当长,以至彩0时的电弧称为长弧。由式(2-26)可以看到,短弧的电压,几料极材铜铁碳钠汞碳,阴电流范围(A)气体介质.

弧柱温度与电极材料、气体介质的种类、气压以及介质对电弧的作用强烈程度等因素有关。试验表明,介质对弧柱的冷却作用越强烈,弧柱中心的温度越高。图2-30示出了电流为200A的碳电极,电弧垂直放置时的温度场的图形。由图可见,弧柱中心温度为10000~12000K。离开中心越远,温度越低。同时应说明的是随着电极材料、尺寸、形状以及电弧放置方式的不同,其温度场将有不同的图形。

在交流电弧情况下,随着电流相角p的变化,弧柱温度也跟着变化,如图2-31所示。但与电流变化曲线相比,有两点重要差异。一是当电流下降到零时,弧柱温度不为零;二是弧柱温度的最高值滞后于电流最高值一个相位角。这是因为构成电弧的气体具有一定的热容量,也就是说9要使电弧温度升高,必须供给一定的热量,要使电弧温度降低必须从其中散发出去一定的热量。而热量的供给和散发是需要经过一定时间的。因此,弧柱温度的变化落后于电流的变化,这种现象通常称为电弧的热惯性。

和弧柱相比,电弧近极区靠近阴极和阳极,由于受到电极材料沸点的限制,温度要低于弧柱温度。

电弧的能量平衡,电弧相当于一纯电阻性的发热元件,所以消耗于电弧的功率Ph~可以表示为Ph=rhuh=rh(uO+yz) (v)  (2-27)

式中 rb 流过电弧的电流(A);

ui  电弧两端的电压(V);

Uo  近极压降(V);

σz 弧柱压降(V)。

由式(2-27)可以看出,电弧的功率损耗也分在三个区域内,即近阴极区、近阳极区和弧柱区。在短弧的情况下,由于极间距离很近,而电极的温度又远低于弧柱的温度,电弧功率损耗转变而成的热量主要先传给电极,然后再由电极传给其他零件和散向周围介质。在长弧的情况下,由电极传走的热量所占比例较小,大部分热量是由弧柱直接散向周围介质。在这种情况下,一般考虑问题的方法是,认为功率rJ。由电极散发,而功率rh饥由弧柱散发。弧柱向周围介质散热的方式可以分为传导散发功率Ped、对流散发功率Pd1和辐射散发功率Pfs三种方式。因此,弧柱总的散发功率为

Ps=Pcd+Pdl+Pfs          (2-28)

弧柱的动态能量平衡方程可以表述为阳极,200A碳电极的温度场,交流电弧弧柱温度,随电流相角的变化.

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