带电粒子的产生和消失详解

由图2-2可见，在不同电流下有不同的放电形式。由于放电条件的影响，放电形式也将发生转化。在低电压和大电流条件下，将成为电弧放电。在电弧放电状态下，电弧中充满离子、电子、负离子和中性粒子等，为了保证电弧稳定，必须不断地产生带电粒子（离子、电子）。下面着重阐述电弧空间离子与电子的产生机理。

1.电离与激励

在一定条件下中性气体分子或原子分离为正离子和电子的现象称为电离。气体分子或原子在常态下是由数量相等的正电荷（原子核）和负电荷（电子）构成的一个稳定系统，对外界呈中性。要使其电离就要破坏这种稳定系统，则需要对这个系统施加外来能量。常态下的气体粒子（分子或原子）受外来能量作用失去一个或多个电子后则成为正离子。使中性气体粒子失去第一个电子所需要的最低外加能量称为第一电离能，通常以电子伏（eV）为单位。生成的正离子称为一价正离子，这种电离称为一次电离。1eV就是一个电子通过1V电位差空间所得到的能量，其数值等于1.6×10^-19J。在电工学中，为计算方便起见，常把用电子伏（eV）为单位的能量转换为数值上相等的电压来处理，单位为伏（V）。因此在实际中常直接用电离电压（单位为V）来表示气体电离的难易。以伏（V）表示的电离电压在数值上等于以电子伏表示的电离能。要使中性气体粒子失去第二个电子则需要更大的电离电压，称为二次电离电压，生成的离子称为二价离子，这种电离称为二次电离，依此类推。普通焊接电弧中当焊接电流较小时只存在一次电离，而在大电流和压缩焊接电弧中，电弧温度达到几万度时可以出现二次或三次电离，即使这种情况下，一次电离仍居主要地位，所以一般书籍中只列出各种气体一次电离的电离电压。自由状态气体原子的一次电离电压在3.9V（Cs）到24.5V（He）之间，二次电离电压在十几伏到几百伏之间。一次电离电压低的粒子，二次电离电压不一定还低，这由粒子的原子结构决定。电弧气氛中可能遇到的气体粒子的电离电压见表2-1。

表2-1 常见气体粒子的电离电压 （单位：V）

注：括号内的数字依次为二次、三次、……、N次的电离电压。

不仅原子状态的气体粒子可以被电离，分子状态的气体粒子也可以直接被电离。当电子从气体分子中被分离出来时，一般情况下需要克服两层约束（原子对电子的约束和分子对电子的约束），所以需要的电离电压比原子状态时的电离电压要高一些，如H（原子）为13.5V，而H₂（分子）为15.4V。然而，也有些气体原子结合为分子时反而使电子和原子的联系减弱，故分子的电离电压反而比原子的电离电压低，如NO分子的电离电压为9.5V，而N原子和O原子的电离电压分别为14.5V和13.5V。

气体电离电压的高低说明电子脱离原子或分子所需要的外加能量的高低，亦即说明在某种气氛中产生带电粒子的难易，在相同的外加能量条件下，电离电压低的气体提供带电粒子较容易，从这个角度看，有利于电弧的稳定。但电离电压高低只是影响电弧稳定的许多因素之一，而不是唯一的因素。因为气体的其他性能（如解离性能、热物理性能等）反过来会影响整个电弧空间的能量状态、带电粒子的产生和移动过程等。因此，在分析焊接电弧现象时，不能仅从电弧气体的电离电压来分析，还需要考虑气体各种性质的综合作用。

当电弧空间同时存在几种电离电压不同的气体时，在外加能量的作用下，电离电压较低的气体粒子先被电离，如果这种低电离电压气体供应充分，则电弧空间的带电粒子将主要依靠这种气体的电离过程来提供，所需要的外加能量也主要由这种气体的电离电压所决定。由表2-1可知，Fe的电离电压为7.9V，比CO₂或Ar的电离电压（13.7V；15.7V）低很多，因此在钢材的气体保护焊时，如果焊接电流较大，电弧空间将充满铁的蒸气，电弧空间的带电粒子将主要由铁蒸气的电离过程提供，电弧气氛的电离电压将由铁蒸气的电离电压来决定。在这种情况下为提供电弧导电所需要的带电粒子，要求的外加能量级可以较低。

前面提到，常态下中性气体粒子内部的原子核与电子构成了一个稳定系统，中性粒子受外来能量作用失去电子而电离是这个稳定系统被破坏的一种可能结果。但也存在另一种可能的结果，即当中性粒子受外来能量作用其大小还不足以使电子完全脱离气体原子或分子，但可能使电子从较低的能级转移到较高的能级时，则中性粒子的稳定状态也被破坏，这种状态称为激励。使中性粒子激励所需要的最低外加能量称为最低激励电压[也是以伏（V）表示]，常见气体粒子的最低激励电压见表2-2。

表2-2 常见气体粒子的最低激励电压 （单位：V）

激励状态的粒子可以具有不同的能级，由于电子尚未脱离粒子，所以粒子对外界呈中性。因此粒子的激励状态是一种非稳定状态，它处于激励状态的时间是很短暂的，根据激励能级的不同为10^-8～10^-2s。较高能级的激励粒子继续接受外来能量可以使其电离，或者将自己的能量以辐射能的形式释放出来，表现为电弧的辐射光而恢复到原来的稳定状态。能级低的激励粒子，可能与其他粒子碰撞将能量传递给其他粒子而恢复其稳定状态。接受能量的其他粒子可能解离、激励或电离。因此，粒子的激励过程，虽然不是直接产生带电粒子的过程，但也是与电离过程和电弧特性有密切关系的物理现象。

任何中性粒子在接受外界一定数值能量的条件下，都会产生电离与激励。外加能量可以通过不同方式施于中性粒子，但使之电离与激励所必须给予它的最低能量数值，并不因施加能量的方式不同而改变，即电离和激励电压都是确定数值。外界能量传递给自由运动的气体粒子，从本质上讲，只有两种能量传递途径：一种是碰撞传递；另一种是光辐射传递。

（1）碰撞传递 气体粒子在空间总是处于不规则的运动状态，只有在绝对零度（K）时，气体粒子才停止运动。各个粒子以某一速度运动时，具有一定的动能，而且可能互相频繁地碰撞，粒子在相互碰撞时将进行能量转移，以这种形式传递能量称为碰撞传递。气体粒子的相互碰撞可能有两种情况：非破坏性的弹性碰撞和破坏性的非弹性碰撞。弹性碰撞时气体粒子间只产生动能的传递和再分配，相互碰撞的两粒子动能之和基本不变，粒子的内部结构不发生任何变化，这种碰撞的结果只能使粒子的运动速度发生变化。因此，弹性碰撞只能引起粒子温度的变化，不能产生电离与激励过程。弹性撞碰是在气体粒子拥有的动能较低时产生的。当气体粒子拥有较大的动能时，则产生非弹性碰撞，使被碰撞的气体粒子内部结构发生变化，在碰撞时部分或全部动能转换为内能，如果此内能大于激励电压，则粒子被激励，如果此能量大于电离电压，则粒子将产生电离。被激励的粒子如果继续受到非弹性碰撞，内能积累达到电离电压时也将产生电离。只有非弹性碰撞才产生电离过程，为气体空间制造带电粒子。

电弧空间的气体中不仅含有中性气体粒子，而且含有电子和正离子，这些粒子都以某一速度运动，中性气体粒子同样也受到它们的碰撞而接受它们传递的能量。相互碰撞的两物体的能量传递情况与其质量有密切关系，电子的质量远远小于气体原子、离子或分子的质量，因此当具有足够能量的电子与中性粒子进行非弹性碰撞时，它的动能几乎可以全部传递给中性粒子，转换为中性粒子的内能，使其激励与电离。当中性粒子之间进行碰撞时，由于它们的质量相近，则只能将这部分能量传递给被碰撞的粒子，传递的能量最多不超过原动能的一半。因此在电弧中通过碰撞传递使气体粒子电离的过程中，电子的作用是所有粒子中最重要的（详见附录A）。

由上面的讨论可以看到，要通过粒子的碰撞，增加中性粒子的内能使之达到电离，关键是提高粒子的动能，尤其是提高电子的动能。电弧中高温和电场的存在都是提高粒子动能的有利条件，高温可以提高所有粒子（中性粒子、电子、离子）的动能，而电场强度是提高带电粒子（电子、离子）动能的条件。实际电弧过程通过粒子间的碰撞将能量传递给中性粒子并使之电离，是电弧本身制造带电粒子、维持其导电的最主要途径。

（2）光辐射传递 向气体粒子传递能量的另一种途径是光辐射传递，也就是说中性气体粒子可以接受外界以光量子形式所施加的能量，提高其内能并改变其内部结构，使气体粒子被激励或电离。光量子的能量可以用hγ表示（h为普朗克常数，γ为光辐射频率）。因此气体粒子接受光量子作用产生激励的条件是：

hγ≥W_e=eU_e （2-1）

式中 W_e——激励能（J）；

e——电子电荷量（C）；

U_e——气体粒子的激励电压（V）。

而气体粒子接受光量子作用产生电离的条件是：

hγ≥W_i=eU_i （2-2）

式中 W_i——电离能（J）；

U_i——电离电压（V）。

以光量子形式传递给气体粒子的能量可以全部转换为粒子的内能。当光量子能超过气体粒子的电离能时，其余部分将转换为电离生成的电子的能量，即

式中 m——一个电子的质量（g）；

v——被电离出来的电子运动速度（m/s）。

电弧本身可以发出多种频率的光辐射，因此电弧本身就具有向气体粒子提供辐射能量的条件，中性粒子接受弧光辐射能可以产生激励与电离，制造带电粒子，维持电弧的导电。但是在一般焊接电弧中，与碰撞传递相比通过光辐射传递形式制造带电粒子则是次要的（见附录B）。

2.电离的种类

电弧中气体粒子的电离因外加能量种类的不同而分为热电离、电场作用下的电离和光电离三类。

（1）热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。根据气体分子运动理论可以知道，气体温度的高低意味着气体粒子（包括中性粒子、电子和离子）总体能量的高低，亦即气体粒子平均速度的高低。

气体粒子的平均运动速度与温度的关系如下：

式中 ——气体粒子的平均运动速度（m/s）；

T——气体的绝对温度（K）；

m——粒子的质量（g）。

由式（2-3）可知，气体的温度越高，气体粒子的运动速度越快，即动能也越大。在一定温度下，气体粒子的质量越小，其运动速度越快。由于气体粒子的热运动是无规则的运动，粒子之间将发生频繁的碰撞，若粒子的运动速度足够快（即动能足够大），粒子之间可能发生非弹性碰撞，引起气体粒子的激励或电离。因此，热电离实质上是由于粒子之间的碰撞而产生的一种电离过程。

电弧中不仅含有常态的中性气体粒子，而且也含有电子、正离子和激励状态的中性粒子等多种粒子，这些粒子都有相互碰撞的机会，而发生电离可能性最大的是电子对激励状态的中性粒子或对常态中性粒子的碰撞，因为电子在与中性粒子进行非弹性碰撞时，几乎全部能量都传给中性粒子促使其电离。

气体中各个粒子在同一温度下的热运动速度是不一样的，有的高于或低于平均运动速度，气体粒子运动速度是按马克斯威尔（Maxwell）曲线分布的，如图2-3所示。气体中的所有粒子，包括电子的运动速度分布都遵循这个规律。因此在某一温度下，粒子所具有的动能并不都相同，只有拥有大于电离电压能量的那部分粒子才可能引起中性粒子的电离。气体中单位体积内被电离的粒子数与气体粒子电离前总数的比率为电离度，一般以x表示：x=电离后的电子或离子密度/电离前的中性粒子密度。

图2-3 气体粒子的马克斯威尔分布定律

c—气体粒子的实际速度 c₀—最可几速度，—平均速度

F（β_c）—某一速度的粒子与总数的比值

根据印度科学家萨哈（Saha）的推导，假设气体中各粒子处于一热平衡状态，则热电离与气体温度、气体压力、气体电离电压等因素存在以下关系：

式中 p——气体压力（1.01325×10⁵Pa）；

T——气体温度（K）；

e——电子的电量（C）；

k——波尔兹曼常数（1.38×10^-23J/K）；

U_i——气体的电离电压（V）；

ε——自然对数的底，ε=2.718。

由这个关系式所决定的电离度x与温度T的关系曲线如图2-4所示。

由式（2-4）及图2-4可以看出，热电离时的电离度随温度的升高、压力的减少、电离电压的减少而增加。

图2-4 热电离的电离度x与温度T的关系

萨哈公式是单一气体热电离度的表达式，如果某气体中混有其他成分时，各种气体电离程度不一样，此时电子密度与电离前中性粒子密度的比例称为实效电离度。混合气体的电离电压称为实效电离电压。利用萨哈公式求实效电离度时需代入实效电离电压。理论与实际都证明混合气体的实效电离电压主要决定于电离电压较低的气体成分，即使这种气体占有较小的比例。例如铁蒸气中混有钾蒸气时，其实效电离电压与混入的钾蒸气的比例关系如图2-5所示。铁蒸气电离电压为7.9V，而钾蒸气的电离电压为4.3V。当钾蒸气质量分数超过5%时，则实效电离电压显著下降而接近钾的电离电压。因此，电弧焊时为了提高电弧的稳定性，在电弧气氛中只需要加入少量的低电离电压物质即可取得显著的效果。

当几种气体组成混合气体时，各组分气体的电离度在同一温度和气压下因其电离电压的差别而显著不同，低电离电压气体的电离过程在提供电弧需要的带电粒子方面起着关键作用。例如当电弧气氛中含有Ca、Fe、O₂、H₂时（电离电压分别为6.1V、7.8V、12.2V、15.4V），当温度为5000K、气压为1atm（101.325kPa）时，其电离度之比如下：

由上面的关系式可以看出，电弧气氛中只要含有一定量的Ca蒸气，则此混合气体中的带电粒子就主要由Ca蒸气的电离所提供。

一般在常压下的焊接电弧中，电子是电弧的主要带电粒子，电子密度的数量级为10¹⁴个/cm³时，即可维持电弧的正常导电。实效电离度为10^-4数量级时即可满足小电流电弧导电的需要，亦即1万个中性粒子中有一个中性粒子被电离即可。一般焊接电弧的电离度只有0.1×10^-3～0.6×10^-3的数量级。而在强迫冷却、强迫压缩或大电流的电弧中，电弧温度达到1万度或几万度以上时，实效电离度的数量级才可能达到10^-1～1的程度。

图2-5 铁与钾的混合蒸气中实效电离压与钾蒸气含量的关系

由于弧柱的温度一般在5000～30000K范围，所以热电离是弧柱部分产生带电粒子的最主要途径。

电弧的温度很高，电弧中的多原子气体是由两个以上原子构成的气体分子，由于热的作用将分解为原子，这种现象称为热解离。在热电离之前气体分子首先产生热解离。热解离也需要外加能量，是吸热反应。气体分子产生热解离所需要的最低能量称为解离能。不同气体分子的解离能也不同。电弧气氛中常遇到的几种气体的解离能见表2-3。

表2-3 几种气体的解离能 （单位：eV）

各种气体的解离度（解离数/分子总数）与气体种类和温度有关。几种气体的解离度与温度的关系如图2-6所示。

由于解离能均低于电离能，所以电弧中的气体分子受热作用时首先大量解离成原子，然后由大量原子和少量分子产生电离。气体解离过程伴随着吸热作用，所以它除了影响带电粒子的产生过程外，还对电弧的电和热性能产生显著的影响。焊接时电弧的不同保护气氛引起的许多不同现象常与气氛的解离过程有密切关系。例如在CO₂、N₂等气氛中，在相同电弧长度下，电弧电压和电弧温度要比单原子气体Ar的电弧电压和电弧温度高，就是因为CO₂、N2等多原子气体在高温下首先发生解离，吸收大量解离能，强迫电弧收缩所造成的。

图2-6 几种气体的解离度与温度的关系

图2-7 电场作用下电子在气体中的运动

○—气体原子 ●—电子 U₁、U₂—1、2的电位 E—电场强度

（2）电场作用下的电离 当气体中不存在电场时，无论是带电粒子还是中性粒子，总体看来只作无规则无定向的运动且相互频繁地碰撞。此时粒子的动能主要决定于气体的温度。当气体中有电场作用时，则带电粒子除了作无规则的热运动外，还产生一个受电场影响的定向运动。正、负带电粒子定向运动、方向相反，电场对带电粒子在电场方向的运动起加速作用，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能在电场的影响下增加到足够的数值，则可能与中性粒子产生非弹性碰撞而使之电离，这种电离称为电场作用下的电离。由于带电粒子是在充满气体粒子的空间运动，事实上它将一边与气体粒子发生碰撞，一边沿着电场方向运动，如图2-7所示。其总的运动趋势虽与电场方向一致，但是每次碰撞后的运动方向都是变化的，而并不一定与电场方向一致。电场对带电粒子的加速作用事实上只能在与其他粒子的每两次碰撞之间的路程中产生，两次碰撞之间的路程长度为粒子的自由行程，所有自由行程的平均值称为平均自由行程。在平均自由行程内电场对带电粒子（如果电荷量为e）所能施加的最大动能（平均自由行程与电场方向平行时）只能是：

W_i=λEe （2-5）

式中 W_i——最大动能（J）；

λ——平均自由行程（cm）；

E——电场强度（V/cm）；

e——一个电子的电荷量（1.6×10^-19C）。

根据气体分子运动理论可知：在同一气体粒子的气体中，中性气体粒子的平均自由行程λ_g（cm）为

式中 λ_g——中性气体粒子的平均自由行程（cm）；

r_g——气体粒子的半径（cm）；

n_g——气体粒子的密度（个/cm³）。

如果气体中同时有离子和电子存在时，则离子的平均自由行程λ_i（cm）为

电子的平均自由行程λ_e（cm）为

由式（2-8）可知，电子的平均自由行程与气体粒子的半径平方和气体粒子的密度成反比。由于气体粒子密度与压力和温度有关。故当温度一定时，平均自由行程与压力成反比；当压力一定时，平均自由行程与温度成正比。当某一气体中同时存在中性粒子、离子和电子时，在一定温度和压力下，其自由行程的比例为

可见，在相同条件下，电子的平均自由行程是离子的4倍，在电场作用下电子可获得4倍于离子的动能，又因电子质量比离子小得多，故它与中性粒子发生非弹性碰撞时可将全部动能转换为中性粒子的内能。如果电子的总能量超过中性粒子的电离能，则产生电离。因此，电场作用下的电离现象也主要是电子与中性粒子的非弹性碰撞引起的。

在强电场作用下，电子受到电场的加速作用，与中性或受激励的粒子相撞，可以生成一个新的电子与正离子，然后这两个电子继续前进分别又与中性粒子碰撞，又可生成两个新的电子，依此类推，使带电粒子快速增加，这种在强电场作用下的电离具有连锁反应的性质，如图2-8所示。但是带电粒子的增加是有一定限度的。这是因为在电弧导电中，除了电离过程外，还同时存在着带电粒子消失的过程。

图2-8 连锁反应电离过程示意图

在普通电弧中由于弧柱部分的电场强度较弱，数量级为10V/cm左右，电子在平均自由行程中所获得的动能较小，一般比热作用给予它的动能要小得多，所以在弧柱中热电离是主要形式，电场作用下的电离是次要的。而在阴极压降区和阳极压降区（在阴极和阳极前面的极小区间），电场强度可能达到很高的数值（数量级达10⁵～10⁷V/cm），只有在这两个区域才可能产生电场作用下的电离现象。

（3）光电离 中性离子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。电弧本身就可以产生不同波长的光辐射，光电离也是一种产生带电粒子的可能途径，光辐射引起中性粒子电离的条件是hλ≥eU_i，因此并不是所有的光辐射皆可发生电离现象，对电离能不同的气体都存在一个产生光电离的临界波长。波长越小，能量越强，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能直接被电离，临界波长的数值可由下式确定：

由于 hγ=eU_i

故

式中 h——普朗克常数（6.62×10^-27J·s）；

γ₀——临界光辐射频率（Hz）；

λ₀——临界光辐射波长（m）；(www.xing528.com)

c——光速（m/s）；

e——电子电荷量（1.605×10^-19C）；

U_i——气体的电离电压（V）。

将式（2-10）中的常数带入数值后为

在式（2-11）中代入不同气体的电离能数值，则可得出该气体光电离所要求的辐射光的临界波长。电弧中经常遇到的气体临界波长见表2-4。

表2-4 常见气体光电离的临界波长

由表2-4可见，这些气体光电离所要求的临界波长皆在紫外线光谱区内（8×10^-10～4000×10^-10m），而可见光（4000×10^-10～7000×10^-10m）几乎对所有气体都不能直接引起光电离。通过实际测量可知，电弧的光辐射波长在1700×10^-10～50000×10^-10m区间，包括红外线、可见光和紫外线。由表2-4可以看出，电弧的光辐射对K、Na、Ca、Al等金属蒸气可能直接引起光电离，而对其他气体和蒸气则不能直接引起光电离。但对于后面这些气体如果已处于激励状态，还可能受光电离辐射作用而引起电离。实际上光电离也是电弧中产生带电粒子的一个次要途径。

3.电子发射

电弧中起导电作用的带电粒子除依靠电离过程产生外，还可从电极表面发射出来。在焊接电弧中电极只能发射电子而不能发射离子。从电极表面发射电子的过程在阴极和阳极皆可能产生。当阴极或阳极表面接受一定外加能量的作用，电极中的电子就可能冲破金属表面的约束而发射到电弧空间，这种现象称为电子发射。但是自阴极发射出来的电子在电场作用下参加导电过程，而自阳极发射出来的电子因受到电场的排斥，不可能参加导电过程，只能对阳极区空间电荷的数量产生一定的影响。因此这里只讨论阴极表面的电子发射现象。电子从金属表面发射到空间的这种现象与水分子从水面蒸发变成水蒸气的现象很相似。大家知道，水蒸发时要吸收汽化热，其中水中的高能分子才能蒸发为气体分子。而金属内部的电子飞到空间，同样只有超过某一极限速度的电子才能飞向空间。为此，必须向阴极施以一定的能量。

图2-9 金属表面模型及势垒形状

a）电子逸出金属表面的电子云示意图 b）金属表面形成偶极层的示意图 c）逸出电子所受的力

一般金属中，原子构成晶格是呈紧密排列的，所以距离原子核较远的最外层电子也要受到周围原子核的静电力作用。因此，金属中的电子完全不同于气体粒子那样专属于某一特定原子的状态，前者可以挣脱原子核的束缚在金属原子构成的离子晶格空间自由移动。金属之所以是电和热的良导体，正是由于这种自由电子的作用。自由电子也像气体中的原子一样在金属中作不规则运动，形成所谓电子气。然而，金属表面的电子却不同，一些自由电子离开金属表面飞到外部时，将形成电子云，如图2-9a所示。同时在金属表面残留正电荷，它们是对称地分布在以金属表面为镜面的两侧。电子云到金属表面的距离为r₀，如图2-9b所示，则静电力（镜像力）可用表示。因此电子从金属表面飞出所必须的能量是：

另一方面，金属内部的电子到底有多大的动能呢？自由电子在离子晶格之间是能够自由运动的，但是就整体而言，自由电子的运动速度是不同的，自由电子的运动速度分布应遵循费米-迪拉克（Fermi-Dirac）统计规律。也就是在n个电子中，速度（即动能）介于E和E+dE之间的电子数目dn为：

dn=Δf（E）dE （2-13）

式中 f（E）——费米-迪拉克统计分布函数，也称费米因子。

式中 K——波尔兹曼常数；

T——系统的绝对温度；

E_F——费米能级；

E——电子能量。

图2-10 电子按能级分配的函数与E的关系

在金属中，电子按能级分布的函数与E的关系如图2-10所示。从中得出如下几点：

1）当温度为绝对0K时，电子占据所有低于费米能级E_F的几率能级约为1。而E＞E_F的电子存在几率为0。

2）当T＞0时，只有在费米能级E_F附近较小的范围内，电子能量受到扰动。随着温度的升高，少数能量略低于E_F的电子占据了E＞E_F的能级，温度越高，占据高于E_F能级的电子数越多。然而，不论温度如何，电子占有费米能级的几率总是1/2，如图2-10中的2和3曲线。而能级低的电子（E＜＜E_F）的存在几率却不随温度而变化，仍为随着电子能级的降低而降低其存在的几率。

3）温度变化时，费米能级E_F变化很小，基本上是常数，即使在0K时，仍有较多的电子能够达到E_F能级。因此为使电子逸出金属表面，不需要给出势垒高度W_g，而只需给出

W_g-E_F=W_w

这里W_w称为逸出功，其定义为使一个电子从金属表面发射出来所需要的最低外加能量，单位是电子伏（eV）。因电子电量e是常数，故通常以W_w/e=U_w（V）来表示逸出功的大小。逸出功的大小与金属材料的种类、金属的表面状态和金属的表面氧化物质有关。几种金属及其氧化物的逸出功见表2-5。由表2-5可见，所有金属表面带有氧化物时其逸出功均减小。金属表面状态不同时，逸出功的数值也不一样，当钨极表面敷以Cs、Ba、Th和Zr等物质时，逸出功的数值则减小，见表2-6。

表2-5 几种金属及氧化物的逸出功 （单位：eV）

表2-6 纯钨极与含其他物质钨极的逸出功 （单位：eV）

因此，为提高钨极的电子发射能力和改善工艺性能，在钨极中常加入Th、Ce等成分，以降低逸出功和提高钨极电流容量与改善引弧性能。

金属内部的电子只有在接受外加能量作用后，其能量升高超出逸出功才能冲破金属表面的束缚而发射到外部空间，由于外加能量形式不同，电子发射机构可分为如下四种：

（1）热发射 金属表面受热作用而产生的电子发射现象称为热发射。因为金属内部的自由电子受热作用后其热运动速度增加，当其动能满足式（2-15）时，则飞出金属表面。

式中 m_e——电子质量（kg）；

v_e——电子热运动速度（m/s）；

e——一个电子的电量；

U_w——逸出功（V）。

电子自金属表面的发射现象与被加热到沸点的水面的水蒸气蒸发现象相似。水蒸气自水面蒸发将从水面带走蒸发热，电子发射也将从金属表面带走热量而对金属表面产生冷却作用，电子发射时从金属表面带走能量的数值为IU_w，其中I为发射的总电子流，U_w为逸出功。相反，当这些电子被另外金属表面接受时，它们将由空间漂游态又恢复为金属内部的自由电子，这些电子将向接受它们的金属表面放出逸出功，使金属表面加热，其接受的能量也是IU_w。

金属表面热发射电子流密度J（A/m²）与金属表面的温度成指数关系。即

式中 A——与材料表面状态有关的常数；

T——金属表面温度（K）；

e——一个电子的电量；

U_w——逸出功（V）；

k——波尔兹曼常数；

ε——自然对数的底。

在实际焊接电弧中，电极的最高温度不可能超过其材料的沸点，当使用沸点高的钨或碳作电极材料时（其沸点分别为5950K和4200K），电极可能被加热到很高温度（一般可达3600K以上），这种电弧称为热阴极电弧。这种电弧的阴极区主要靠热发射来提供电子。当使用铜、钢、铝、镁等材料做电极时，由于它们的沸点较低（Fe为3008K，Cu为2868K，A1为2770K，Mg为1375K），电极加热温度受材料沸点限制不可能很高，此种电弧称为冷阴极电弧。这种电弧阴极区不可能通过热发射来提供足够的电子，必须依靠其他方式发射电子，才能满足导电的需要。

（2）电场发射 当金属表面空间存在一定强度的正电场时，金属内的电子受此电场静电库仑力的作用，当此力达到一定程度时，电子可以飞出金属表面，这种现象称为电场发射。由式（2-16）可知，热发射电子流密度与电极表面温度成指数关系，事实上在较低温度（室温或0℃）也仍有电子发射，只是数量较少。当电极表面前存在正电场时，电场的静库仑力将帮助电子飞出金属表面，相当于降低了电极材料的逸出功，可使较多的电子在较低的温度下冲破金属内部的制约而飞出金属表面。所以当阴极表面存在电场时，则电子电流密度J（A/m²）可表达为

式中 E——阴极表面的电场强度（V/cm）；

ε₀——真空介电常数（F/cm）；

其他符号的意义与式（2-16）相同。

比较式（2-16）与式（2-17）可以看到，电场的存在相当于使电极材料的逸出功降低0。当温度很低时，甚至是0°C（T=273K），如果存在足够强的电场强度，也可以从电极发射足够数量的电子流密度以供电弧导电的需要。

电场发射时，电子自阴极飞出不像热发射那样对阴极有强烈的冷却作用，电子从阴极带走的热量不再是IU_w，而是。

对于低沸点材料的冷阴极电弧，电场发射对阴极区提供带电粒子起重要作用。这时阴极区的电场强度可达10⁵～10⁷V/cm，具备产生电场发射的有利条件。

（3）光发射 当金属表面接受光辐射时，也可以使金属表面自由电子能量增加，冲破金属表面的制约飞到金属外面来，这种现象称为光发射。光发射的条件为

hν≥eU_w （2-18）

由于各种材料的逸出功不同，所以不同材料产生光发射所要求的临界波长λ₀′（×10^-10m）可由式（2-19）确定。

在式（2-19）中代入不同元素的逸出功数值，则可得出该元素光发射所要求的临界波长。常见的一些元素的光发射的临界波长见表2-7。

表2-7 常见元素光发射的临界波长

根据计算可知，K、Na、Ca等碱金属或碱土金属光发射的临界波长λ₀′在可见光区间。而重金属Fe、Cu、W等其临界波长均在紫外线区间。当λ＜λ₀′时（λ为入射光的波长）则发生光发射。电弧的光辐射波长范围包括可见光和紫外线，所以弧光可能引起电极的光发射，但由于光量较弱，实际证明它在阴极发射现象中居次要地位。

产生光发射时。由于金属表面接受的光辐射能量与电子逸出功相等，所以它不像热发射时那样对电极有冷却作用。

（4）粒子碰撞发射 高速运动的粒子（电子或离子）碰撞金属表面时，将能量传给金属表面的电子，使其能量增加而跑出金属表面，这种现象称为粒子碰撞发射。

焊接电弧中阴极将接受正离子的碰撞，带有一定运动速度的正离子到达阴极时，将其动能传递给阴极，它首先从阴极拉出一个电子和自己中和，而成为中性粒子。如果这种碰撞还能使另一个电子飞出电极表面到电弧空间，其能量必须满足的条件是：

eU_k+eU_i≥2eU_w （2-20）

式中 eU_k——正离子动能（J）；

eU_i——正离子与电子中和时放出的电离能（J）；

eU_w——逸出功（J）。

由式（2-20）可知，当正离子碰撞阴极时，要使阴极发射一个电子，必须对电极表面施加两倍的逸出功。

焊接电弧中阴极区前面有大量的正离子聚集，由于空间电荷的存在使阴极区形成一定强度的电场，正离子在此电场作用下被加速而冲向阴极，可能形成碰撞发射。在一定条件下，这种电子发射形式，是电弧阴极区提供导电所需电子的主要途径。

4.负离子的产生

前面谈到的都是有关电子和正离子等带电粒子的产生过程，而电弧中还可能产生另一种带电粒子——负离子。在一定条件下，有些中性原子或分子能吸附一个电子而形成负离子。中性粒子吸附电子形成负离子时，其内部能量不是增加而是减少，减少的这部分能量称为中性粒子的电子亲和能。中性粒子吸附电子时将释放出这部分电子亲和能，并以热或辐射能（光）的形式释放出来。

各种元素吸附电子形成负离子的倾向决定于它的电子亲和能。电子亲合能越大的元素，形成负离子的倾向越大。元素电子亲和能的大小是由原子结构所决定的。卤族元素（F、Cl、Br、I等）的电子亲和能最大，在电弧空间可能遇到的O、O₂、OH、NO、H₂O、Li等气体均具有一定的电子亲和能，所以都可能形成负离子。惰性气体Ar、He等不能形成负离子。几种原子的电子亲和能见表2-8。

表2-8 几种原子的电子亲和能

由于大多数元素的电子亲和能都较小，所以高速运动的电子不易被中性粒子捕捉而形成负离子。又因形成负离子是放热过程，使负离子在高温下不易稳定存在，多在电弧的周边上存在。在这里温度较低的中性粒子与从电弧中心部分扩散出来的动能较低的电子相遇而形成负离子。

负离子的生成过程是一个中性粒子吸附电子的过程，电子是电弧导电过程中的主要角色，所以电弧中如果负离子大量产生，必然有大量电子被中性粒子夺去，引起电弧导电困难，而使电弧稳定性降低。负离子虽然带的电荷量与电子相同，但因它的质量比电子大得多，不能有效地担负传送电荷的任务。

5.带电粒子的扩散和复合现象

电弧的导电是靠电弧空间带电粒子的运动来实现的。电弧的稳定燃烧是带电粒子产生、运动与消失的动平衡过程，带电粒子产生后，一部分承担了导电任务，另一部分则在电弧空间消失了。带电粒子在电弧空间的消失过程主要有扩散和复合两种形式。

（1）扩散 带电粒子与一般气体分子和原子一样，如果分布密度不同，则带电粒子将从密度高的地方向密度低的地方移动而趋向密度均匀，这种现象称为带电粒子的扩散现象。带电粒子的扩散运动也是由热运动引起的，这种热扩散现象可表示如下：

式中 q——单位时间内通过单位面积的带电粒子数[个/（m²·s）]；

D——扩散系数（m²/s）；

——带电粒子在x方向的密度变化率（个/m⁴）；

λ——带电粒子的平均自由行程（m）；

c-——带电粒子的平均运动速度（m/s）。

由式（2-22）可以看出：由于电子的平均自由行程比正离子的大得多，故其扩散系数D也比正离子大很多，因此电子的扩散速度要比正离子高，电子比正离子较容易扩散到电弧的周边上来，当电弧周边的电子密度增加后，由于正负电荷的吸引作用，又促使正离子向电弧周边扩散。这种带电粒子的扩散过程不但引起弧柱带电粒子的减少，而且还从弧柱中心将一部分热量带到电弧周边。为保持电弧稳定地导电，电弧本身必须再多产生一部分带电粒子和热量以弥补上述的损失。因此要求电弧在一定条件下有一定的电场强度E来保证单位长度上有足够的产热量（IE），与上述及其他损失相平衡。

图2-11 带电粒子复合示意图

（2）复合 电弧空间的带电粒子（正离子、负离子、电子）在一定条件下偶尔互相结合成中性粒子的过程称为复合。复合过程包括电子与正离子和正离子与负离子的复合。

当带电粒子之间的相对运动速度较高时，即使有相接近的机会，也不容易相互结合而复合。假若电弧空间一个带正电的粒子B与一个带负电的粒子A相接近（见图2-11），A粒子热运动的动能为（k为波尔兹曼常数，T为绝对温度），A粒子在r处受B粒子的吸引作用，它的位能为e²/r（e为电子的电荷量，r为A粒子与B粒子的距离），则A粒子与B粒子复合的条件是：

只有满足式（2-23）的条件，A粒子才能与B粒子复合。如果A粒子的动能大于，但A粒子能与C粒子发生碰撞，并将大部分动能传给C粒子（见图2-11）。而剩下的动能小于时，A粒子与B粒子也可产生复合。在电弧中心部分由于温度较高，所有粒子的热运动能量很高，不可能产生复合。在电弧周边由于粒子的温度较低，动能较小，由于扩散作用而存在一部分电子或负离子，如果这里有正离子扩散出来，就可能产生正、负离子的复合过程。交流电弧时，电流过零的瞬时电弧熄灭，电弧空间温度显著降低，也将大量产生正、负离子的复合。有时引起电弧再引燃的困难，就是因为在熄灭瞬间带电粒子的相互复合而使电弧空间丧失带电粒子所致。电子与正离子的复合过程，将以辐射和热能的形式释放出能量，其数量相当于电离能和原有的动能。