小电流电弧的形态及电流密度测量

小电流电弧是指通常不超过几百安的电弧。研究发现，小电流电弧的放电自阴极开始，接着出现的电子和金属蒸气发散地轰击起着收集器作用的阳极表面，因而弧柱的形态成圆锥形等离子体。位于阴极的圆锥顶点直径仅几微米，所以该处的电流密度最大，电极表面温度也最高，圆锥顶点强烈地发光形成耀眼的阴极斑点。阴极斑点和等离子体的形态如图1-5所示。

图1-5　阴极斑点和等离子体的形态示意

研究如何测量阴极斑点的电流密度需要克服许多困难，因为这种等离子体的生存时间、分裂后形成新锥体的数量等方面都有着很大的随机性。此外，阴极表面微小的污染都影响着测量的准确程度。较新的研究数据是：阴极斑点的电流密度约为108A/cm2，斑点半径在1～100μm之间。

小电流电弧的特征是它由许多上述的圆锥形弧柱并联组成，每个弧柱的电流大小基本上一定，约为几十安但不超过100A。这些弧柱一般在靠近电极中心处开始产生，分布成圆环状逐渐移向电极边缘，最后沿棱角运动。电弧向边缘移动的原因是棱角处的热传导条件比平面差，所以该处温度高，有利于热电子发射和维持电弧燃烧。在电弧发展过程中，弧柱之间始终相互排斥，以每秒几厘米到几米的速度移动。随着电流的增大，先形成的弧柱不断分裂，生成一些新的弧柱，与此同时，也有的弧柱自行熄灭。从形态上看，这种电弧呈扩散状，所以称扩散状电弧。

小电流电弧具有以下的一些特点：

（1）在燃烧过程中，由于电子的迁移率远远大于金属蒸气中金属离子的迁移率，即正离子进入阴极的速度比电子进入阳极的速度慢得多，因此在阴极附近形成正空间电荷区。在正电荷电场作用下，弧腔中电场强度的分布变得不均匀，阴极表面附近的电位梯度骤增，形成了阴极压降区；而在从正空间电荷区到阳极的电弧部分，则因电场的反向叠加减小了该区的电场强度。图1-6（a）所示为电场分布的示意图。图中曲线的OA部分表示阴极压降区，它占据了电弧电压的大部分。弧柱部分AB的压降很低，呈现很高的电导。当电流增大时，阴极斑点随之增多，出现更多的弧柱，扩大了导电截面，因而弧压降随电流增加的变化很小。又因为阴极压降区中离子密度与金属蒸气的发射有关，所以小电流电弧的压降主要取决于阴极材料的特性。例如，铜电极的弧压降约为20～40V，在电流电弧几百安范围内，这一数值基本与电流大小无关，因而在交流半波的电弧电压（弧压降）曲线呈平坦状，其波形如图1-6（b）所示，它与图1-7中常见的空气、油等介质中交流电弧弧压降的马鞍形曲线有显著区别。

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图1-6　小电流电弧的弧压降特性

（a）弧压降分布曲线；（b）弧压降波形

图1-7　空气和油中交流电弧的电流与压降波形

（2）小电流电弧的燃烧仅由阴极发射的电子和金属蒸气维持。在交流电流自然过零前，瞬时值变小，阴极斑点迅速冷却，发射的金属蒸气也相应减少。当金属蒸气减少到不能维持电弧导通所需的最低浓度时，电弧的燃烧变得不稳定，相应地在电流波形中出现高频振荡，电弧突然熄灭，这时对应的电流被截断，这一现象即截流效应。由过电压理论得知，截流效应将引起设备回路中的电磁过渡过程，可能导致高幅值过电压的出现，过电压幅值与电流被截断的瞬时值大小有关。为避免它的危害，必须选择蒸气压较高的触头合金材料，使之在较小电流瞬时值时仍能发出较多的金属蒸气，以维持电弧电流的导通，相应地减小过电压的幅值。

（3）电弧仅烧损阴极表面，阳极不但未受损伤，反而在电弧导通时覆盖了一层阴极材料的喷射沉积物。

（4）在垂直于电弧电流方向的磁场作用下，阴极斑点向着与安培左手定则确定的电动力相反的方向运动，这一现象称为逆动现象。因此各个弧柱之间总是相互排斥，作着无规则的运动，而不像平行导线中通过相同方向的电流时那样相互吸引。这一特点对保持阴极表面处于不高的温度是有利的。关于小电流电弧的逆动现象目前也仍无合适的理论解释。