气体放电基本概念及特点

电弧看似一团火，但它却不是燃烧现象，也不是化学反应。电弧是在两个电极间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。放电现象实质就是气体在介质中的导电现象。这时的电流是由于气体中的电子和离子流动而形成的。通常，气体是电的绝缘体，但在常温下，由于高能宇宙射线、放射线和紫外线的作用，在气体中存在少量游离态的带电粒子（＜10^-8电子数/m³）。图2-1示出了由阴极、放电空间、阳极和直流电源等组成的回路，在室温状态下，回路开关S合上的瞬间，依赖于电源电压E，回路及气体空间有微弱的电流通过。然而，为了获得持续的电流流动，必须提高气体空间的导电性能及生成更多的带电粒子。如果提高电源电压（如达到5×10⁵V/m）则在气体中迅速生成许多新的带电粒子，破坏了气体绝缘，形成了带电粒子的连续流动，也就是气体放电。

图2-1 直流放电电路

众所周知，金属导电时其中流过的电流与电压的关系遵守欧姆定律I=U/R。而气体放电则不然，其不遵守欧姆定律，而是一个十分复杂的关系，如图2-2所示。它是在大气压为100Pa、电极距离为数厘米时的放电电流—电压特性。在较小的电流区间（10^-10～10^-8A），气体放电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外部注入带电粒子，否则它将失去导电性，这种气体导电现象被称为非自持放电。当电流变大时，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需的带电粒子，这种放电过程称为自持放电。在自持放电区间，放电机构根据电流的不同其特性具有显著的差异。自持放电又分为暗放电、辉光放电和电弧放电三种基本形式。暗放电时电压较高，电流很小，约为10^-8～10^-4A，没有光亮。电流进一步提高到10^-4A以上一直到0.1A左右，具有明亮的辉光现象。电弧放电在几种自持放电现象中电压最低、电流最大（0.1～10⁴A）、温度最高，常常有耀眼的光辉。

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图2-2 直流放电的电压与电流特性及放电形式

电弧放电因其温度高，能使金属加热熔化和蒸发，在较低的电压下就能把高密度热能注入到工件材料中，表现出电弧具有高能量、高效率、操作性好和安全性好的优点，所以这种方法在工业生产中得到了广泛的应用。

为了更好地理解电弧的导电机构，必须了解电弧中带电粒子的产生过程及其运动特性，同时还应了解其他过程，如解离、电离、激励、扩散、复合及负离子的产生等。