2.2. Электрическая дуга в вакууме
Несмотря на то, что, как указано в предыдущем разделе, вакуум является превосходным диэлектриком, тем не менее электрическая дуга вполне может присутствовать в вакууме. В действительности, напряжение дуги в вакууме обычно бывает значительно ниже напряжения электрической дуги в других средах, что является преимуществом, когда речь идет об энергии, рассеиваемой в дуге. Электрическая дуга в вакууме возникает, если представить упрощенно, в двух основных формах: диффузной и сфокусированной.
Диффузный режим, характерный для вакуума
Диффузия характерна для электрической дуги в вакууме: это явление представляет особые свойства, которые определенным образом отличают его от дуги в газообразной среде. Разумеется, при подобном явлении допускается присутствие электрической дуги в вакууме, если сила тока составляет от нескольких ампер до нескольких килоампер.
Диффузия имеет следующие основные характеристики:
- катод излучает в пространство между электродами в виде одного или нескольких катодных пятен в целом нейтральную плазму, состоящую из электронов и ионов, которые, в обычном режиме, с большой скоростью направляются к поверхности анода;
- анод, по всей поверхности окруженный плазмой, играет роль пассивного коллектора зарядов. Катодные пятна и плазма характеризуют электрическую дугу в режиме диффузии.
- Катодное пятно
Катодное пятно представляет собой зону очень маленького размера (луч порядка 5 - 10 мкм), из которой происходит эмиссия тока, достигающего сотни ампер. На поверхности катодного пятна создаются предельные температурный режим и состояние электрического поля (обычно 5000 К и 5 109 В/м), обеспечивающие электронную эмиссию за счет сочетания механизмов термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии (англ. T.F.: thermo-field emission), создающих очень высокую плотность тока (порядка 1011 - 1012 А/м2). При значениях больше 100 А это пятно разделяется, и на катоде образуется несколько пятен, число которых является достаточным для передачи каждым пятном тока силой в сотню ампер. Эти пятна взаимно отталкиваются, что позволяет квалифицировать их движение как «ретроградное», так как оно является противоречащим обычному действию электромагнитных сил. Таким образом, в режиме рассеивания электрическая дуга стремится занять всю свободную поверхность катода (даже когда в определенный момент времени участки эмиссии представляют собой совсем маленькую часть катода).
- Плазма
На макроскопическом уровне катодное пятно (с которым связано появление кратера и плазмы) представляется в виде точки, вырабатывающей плазму малой плотности, которая выделяется пятном и заполняет пространство между электродами. Эта плазма, являясь в целом нейтральной (значения плотности равны зарядам + и -), состоит из электронов и ионов, обычно с двойным зарядом (для дуги, образующейся на электродах на основе меди). Одной из характеристик данного вида плазмы является большая скорость ионов, которые заряжены энергией, превышающей напряжение электрической дуги (что свидетельствует о наличии в зоне катодного пятна процессов образования высоких энергий). Эти ионы, выходящие из пятна с распределенной скоростью примерно по cos ( угол / нормаль), без труда достигают анода и создают ионный поток, противоположный по направлению основному электронному току, который составляет обычно 10 % от тока дуги. Направленная скорость этих ионов достигает порядка 104 м/с, что больше скорости теплового движения ионов.
Одним из важных следствий высокой скорости ионов, создаваемых катодными пятнами, является их малое время прохождения пространства между электродами (обычно порядка 1 мкс). Таким образом, плазма, образуемая катодным пятном, состоящая из очень подвижных частиц (быстрые электроны и ионы, нейтральные частицы практически отсутствуют), исчезает очень быстро, когда пятно перестает функционировать (при нулевом потоке).
Анод окружен плазмой, создаваемой катодными пятнами. Анод играет роль пассивного электрода, принимающего заряды и выдающего заданный по схеме ток, регулируя тем самым свой потенциал: потенциал является отрицательным относительно потенциала плазмы, пока ток меньше потока, соответствующего столкновениям, вызванным тепловым движением электронов.
Распределение потенциалов в дуге следующее:
- катодный скачок порядка 20 В, происходящий в непосредственной близости от катода;
- падение напряжения на несколько вольт в плазме, которое увеличивается с расстоянием и током (положительная характеристика, допускающая взаимное действие нескольких параллельных дуг, в противоположность электрической дуге в газообразной среде);
- отрицательный анодный скачок, как в выше описанном случае (умеренный ток, поглощаемый анодом).
В этом режиме наблюдается слабая эрозия катода: она соответствует потоку ионов, исходящих с катода, примерно 40 мкг/С. Значительная часть этих ионов осаждается на аноде, в результате чего при переменном токе эрозия как таковая намного меньше: значение, приблизительно деленное на коэффициент 10 для контакторов, работающих в этом режиме при ограниченной силе тока и небольшом расстоянии между электродами.
Сфокусированный режим, аналогичный явлению электрической дуги в газообразной среде
При увеличении тока ситуация, описанная выше, изменяется прежде всего со стороны анода. Это изменение вызвано несколькими явлениями.
- Сначала происходит сжатие плазменного столба, главным образом, обусловленное эффектом Холла (отклонение зарядов под действием азимутального магнитного поля, создаваемого другими линиями тока, в результате чего появляется радиальная составляющая, прижимающая линии тока к оси): ток фокусируется в более ограниченной области анода.
- Однако, поскольку анод должен притягивать все больше электронов, нейтральность плазмы больше не обеспечивается: не хватает положительных ионов, чтобы уравновесить пространственный заряд электронов вблизи анода. Это вызывает положительный анодный скачок напряжения, необходимый для того, чтобы притягивать электроны, несмотря на наличие пространственного заряда. Энергия, полученная анодом, возрастает и стремится сфокусироваться в ограниченной зоне: анод нагревается и начинает излучать нейтральные частицы, которые ионизируются первичными электронами. Вблизи анода появляется вторичная плазма, образуемая вторичными электронами и ионами, энергетически менее заряженными, чем электроны и ионы, излучаемые катодными пятнами.
В результате этих явлений возникает световое анодное пятно, значительно большего размера (примерно квадратный сантиметр), чем катодные пятна, образованное расплавленным металлом, который испускает в пространство между электродами последовательные порции пара, ионизирующиеся в потоке, выходящем с катода. Этот процесс сжатия на стороне анода заканчивается тем, что вызывает такое же сжатие на стороне катода, так как создается преимущественное прохождение благодаря плазме, образуемой анодом: устанавливается катодное
пятно, соответствующее анодному пятну, и электрическая дуга возникает в сфокусированном режиме, характерном для дуги в газообразной среде. В этом случае речь идет о дуге в плотной атмосфере паров металла, в которой механизмы функционирования теперь основываются на ионизации газообразной среды.
Таким образом, электрическая дуга в сфокусированном режиме характеризуется образованием плазмы, состоящей из электронов (по большей части, вторичных), из нейтральных частиц и ионов, энергия которых близка к энергии нейтральных частиц, то есть относительно медленных ионов.
