超導狀態下電弧產生過程新探討

崔宇聲

（滄州大化股份公司，河北 滄州061000）

0 前言

大家都知道，電弧是開關在斷開時，動、靜觸頭之間的介質（如空氣）由絕緣狀態轉變為游離導電狀態的一種現象。 它的產生分為四個過程：（1）強電場發射；（2）熱電發射；（3）碰撞游離；（4）熱游離(高溫游離)。 這四個過程是前人得出的結論，在學習和領會前人電弧理論的基礎上，筆者想發表一些拙見，請諸位讀者批評指正。

1 強電場發射之前的過程探討

筆者認為在斷開超導狀態下的電路時，在強電場發射之前就可能先出現了碰撞游離。

眾所周知，電氣設備中的電路及開關觸頭皆為金屬導體。那么，從化學角度上講，金屬導體是以單質形式存在的，即完全由該金屬原子組成的。每個金屬原子是由原子核和核外電子組成。當電路閉合后，眾多核外外圍電子在電場力的作用下掙脫原子核的束縛，成為自由電子向電源的正極方向似接力形式運動，然后再由電源的負極流出，循環往復而形成持續的電流。

自由電子是一種基本粒子，雖然極其微小，但它也屬于一種物體。既然屬于物體，那么從物理學角度來講，它就具有慣性特征（牛頓第一定律），即物體具有保持原有運動狀態的特性。

自由電子在超導狀態電路中的運動速度是非?？斓模韵鄬τ谒陨韥碇v具有很大的動能。假如這個開關是個刀閘，在拉開刀閘，觸頭剛剛分離的瞬間，流動到此斷口陰極表面的自由電子在慣性和電場力（因距離很近，此刻斷口處仍有電場存在）的雙重作用下，自由電子應該能“飛”出金屬導體，并碰撞中性介質分子。 因自由電子此刻具有很大的動能，所以中性介質分子中的原子的外圍電子被撞出，分離成自由電子和正離子，此時由于觸頭間電場的存在，被撞出的自由電子和原有的自由電子，在電場的作用下繼續運動，又碰撞出新的自由電子和正離子，如此連鎖反應，進而出現了碰撞游離現象。

在這一環節，筆者認為：對于弱電低壓電路，慣性作用占主導地位；對于強電高壓電路和低壓大電流電路，電場力的作用占主導地位。

2 強電場發射過程探討

接下來，隨著斷口間距逐漸拉開，慣性作用逐漸降低，能夠“飛”出金屬導體的自由電子越來越少，但因慣性而后續到此斷口陰極處的自由電子雖未“飛”出金屬導體，但被聚集于斷口陰極表面。 同時由于電場的存在，陰極表面也有其它電子在此逐漸聚集。 這兩股電子在陰極表面的聚集增多使斷口處的電場強度逐漸疊加增大，當大于一定程度時，這些電子將從金屬觸頭表面被強行拉出，進入觸頭之間，成為自由電子。在電場力的作用下，自由電子向陽極加速運動，即完成強電場發射過程。

3 熱電發射過程探討

除強電場發射之外，在觸頭即將分開的瞬間，由于觸頭間壓力和接觸面積減小，接觸電阻增大，從而電能損耗增大，在陰極表面出現熾熱點，金屬觸頭在高溫作用下也發射出電子，在電場力的作用下，發射出的電子向陽極加速運動，即完成熱電發射過程。

4 碰撞游離過程探討

在上述過程之后，這些向陽極加速運動的自由電子在強電場作用下獲得巨大的動能，以很高的速度碰撞中性介質分子，進而產生了上述的連鎖反應，這便進入到第二次碰撞游離過程。 這個過程產生的自由電子和正離子，與強電場發射之前碰撞游離所產生的自由電子和正離子一起，在觸頭之間達到一定濃度時，中性介質被擊穿變成了導體，在電壓的作用下，大量的電子流向陽極，形成電流，開始了弧光放電。這是電弧產生的初期階段，隨著觸頭間距的增大，電場強度的減小，強電場發射與碰撞游離作用減弱。

5 熱游離(高溫游離)過程探討

最后一個過程便是熱游離(高溫游離)。即電弧產生以后，其具有很高的溫度，介質分子在高溫作用下，產生快速的不規則運動，并具有很大的動能，它們相互碰撞時游離出自由電子和正離子，即靠高溫產生游離。 熱游離過程維持了電弧的燃燒，此時僅要較小的電場強度就能維持一定數量的電子沿電場方向運動。

6 結束語

以上便是筆者在學習前人電弧理論的基礎上，自己對超導狀態下電弧產生過程所持的觀點。其中從觸頭即將分離至開始弧光放電這一階段，筆者認為其電弧過程與常態下相比，既有相同點也有不同之處。開始弧光放電之后這一階段的電弧過程，筆者所持觀點與常態下的該電弧過程一致。

［1］劉介才.工廠供電[M].北京:機械工業出版社,2004:101-102.