阴极区及冷阴极发射中的能量消耗问题

触头的阴极为电弧提供电子，使得电弧得以持续燃烧。如果阴极上电子的发射源停止了发射，那么电弧也就熄灭了。图4-20所示为电弧的阴极区，其特点是电场很强达10⁸～10⁹V/m，温度梯度很大，体积很小，即电流密度很大，远高于弧柱中的电流密度，大致有100倍左右。现已观察到两种从阴极上发射电子的方式：第一种方式是在高熔点的难熔金属情况下的热离子发射，例如钨，这些金属在加热到远低于材料熔点的温度时就很容易发射电子了；开关电器中使用的大部分触头材料是低熔点金属，其电子发射属于第二种方式，即“冷阴极”发射，触头材料在远未达到能产生足够多的电子维持电弧燃烧的温度时就已经达到材料的沸点了。一般认为，“冷阴极”发射是由于热-场致发射（T-F发射）和离子轰击效应造成的。在阴极压降区90%的电流由电子提供，10%的电流由离子提供。

图4-20 电弧的阴极区

n_e—电离程度 n_i—电子密度

在阴极上存在如下的能量平衡，提供能量的部分：

1）离子和中性原子的轰击阴极产生的热能；

2）在阴极压降作用下离子获得的动能；

3）离子和中性原子在阴极表面上的凝结；

4）电弧等离子体对阴极的辐射能；

5）阴极表面上的化学反应能；(www.xing528.com)

6）电流对阴极的焦耳加热能。

引起能量损失的部分：

1）电子发射所消耗的能量。在热离子发射情况下，每发射一个电子消耗能量eU_Φ，对场致发射产生的电子，该能量为零。由于“冷阴极”发射为热-场致发射，因此该能量在零到eU_Φ之间；

2）阴极材料蒸发所消耗的能量；

3）从阴极上溅射出金属颗粒和金属液滴所消耗的能量；

4）阴极表面向外辐射释放出的能量；

5）分子在阴极表面产生离解所吸收的能量；

6）阴极向外界的热传导所带走的能量；

7）阴极周围气体通过热传导或对流带走的热量。