Глава вторая
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
2-1. УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДУГИ НА КОНТАКТАХ КОММУТИРУЮЩЕГО АППАРАТА
Электрическая дуга может возникать при пробое промежутка между контактами (электродами) или при размыкании их. При размыкании контактов возникновению дуги между ними способствует образование на поверхности контактов раскаленных «точек», которые являются следствием значительных плотностей тока на небольших площадках «отрыва». Это вызывает образование дуги при разрыве контактов даже при довольно низком напряжении (порядка нескольких десятков вольт). Обычно полагают, что минимальными условиями возникновения на контактах хотя бы неустойчивой дуги являются ток около 0,5 А и напряжение 15—20 В.
Рис. 2-1. Распределение напряжения вдоль горящей дуги между электродами.
Размыкание контактов при меньших значениях напряжения и тока обычно сопровождается только небольшими искрами. При более высоких напряжениях в размыкаемом контуре, но при меньших токах возможно образование между размыкающимися контактами тлеющего разряда. Для существования тлеющего разряда характерно значительное падение напряжения у катода (до 300 В). Если тлеющий разряд переходит в дуговой, например при увеличении тока в цепи, то падение напряжения у катода снижается до 10—20 В.
Характерными особенностями дугового разряда при высоком давлении газовой среды являются: 1) высокая плотность тока в дуговом столбе и ясно очерченная граница дугового разряда (отшунтирование дуговой плазмы; 2) высокая температура газа внутри канала дуги, достигающая 5000 К, а в условиях интенсивной деионизации 12 000—15 000 К и выше; 3) высокая плотность тока и малое падение напряжения у электродов.
Высокая температура катода не является обязательным условием образования и существования дуги. Было установлено, что дуга может возникать и гореть на холодных электродах, а сильный нагрев электродов (контактов) может являться скорее следствием, а не первопричиной образования и горения дуги. Опытами Штольта было весьма наглядно показано, что при быстром смещении катода (вращающийся диск) дуга постоянного тока горит вполне устойчиво при холодном медном катоде. Дело в том, что если между электродами образуется ионизированная плазма с большой концентрацией электронов, то распределение напряжения вдоль промежутка имеет резко неоднородный характер (рис. 2-1), при котором у катода может возникать напряженность электрического поля порядка 106—107 В/см, а следовательно, появляется возможность вырывания электронов из катода за счет электрического поля.
2-2. УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
При образовании дугового разряда между контактами отключающего промежутка (электродами) устанавливается напряжение (рис. 2-1) 
где Uκ — катодное падение напряжения; Ua — анодное падение напряжения; Uст — падение напряжения в дуговом столбе.
Последняя составляющая может быть представлена как произведение напряженности электрического поля Е на длину канала дуги I, т. е.
Катодное падение напряжения сосредоточено на очень небольшом участке дугового промежутка, непосредственно примыкающем к катоду. Перепад напряжения на нем составляет 10—20 В, а напряженность электрического поля порядка 106 В/см, т. с. весьма значительную величину, при которой выход электронов может быть обеспечен за счет автоэлектронной эмиссии. Если температура кипения материала катода превышает 2 500 К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить за счет термических процессов (термоэлектронной эмиссии); при этом падение напряжения на катоде становится существенно меньшим и является нс прямым агентом, обеспечивающим вырывание электронов с поверхности катода, как при автоэлектронной эмиссии, а скорее косвенным, способствующим лишь выделению у катода необходимой энергии, расходуемой на его нагревание.
В одной из работ И. Слепиан высказывал мысль относительно того, что термическая эмиссия имеет место и при холодных электродах (катоде), по она совершается не непосредственно с поверхности катода, а в слое газа, примыкающем к катоду. Температура газа в околокатодном слое может достигать значительных величин, чему способствует катодное падение напряжения, обеспечивающее сосредоточенное выделение энергии у катода. Электроны, возникающие за счет термической ионизации газа, уходят к аноду, а положительные ионы падают на поверхность катода и забирают электроны, с которыми они рекомбинируют и образуют нейтральные атомы газа.
Таким образом, какая бы точка зрения ни была на эмиссию электронов с поверхности катода, катодное падение находит свое объяснение с энергетической точки зрения, поскольку при любом механизме эмиссии электронов на катоде должна совершаться значительная работа по освобождению электронов с катода.
Анодное падение напряжения.
Как можно видеть из рис. 2-1, у анода возникает также перепад напряжения.
Если катодное падение напряжения является жизненно важным условием для существования дугового разряда, то падение напряжения в околоанодной области не является таковым. Если бы у анода не было скачка потенциала, то разряд все равно бы существовал, так как роль анода является пассивной. Он должен принимать электронный поток, идущий к нему из зоны дугового столба.
Анодное падение напряжения возникает как следствие образования у анода преобладающего отрицательного пространственного заряда за счет недостатка положительных ионов. В зоне дугового столба плотности отрицательных и положительных носителей зарядов приблизительно равны между собой и разноименные заряды нейтрализуют друг друга. В области, непосредственно примыкающей к аноду, имеет место дефицит положительных ионов, так как анод их не освобождает, а образующиеся вблизи анода ионы движутся к катоду. В результате в этой области образуется преобладание отрицательных зарядов и, следовательно, резко повышается падение напряжения. Величина этого скачка зависит от температуры анода и от способности его испарять металл.
Падение напряжения в дуговом столбе.
Физический процесс, происходящий в зоне дугового столба, характеризуется напряженностью электрического поля, т. е. падением напряжения, приходящимся на 1 см длины дугового столба. Произведение напряженности электрического поля на ток в дуговом столбе определяет мощность, подводимую из сети к 1 см длины дугового столба. Для установившегося состояния подводимая мощность равна мощности, рассеиваемой дуговым столбом в окружающее пространство.
Рассеивание энергии дуговым столбом идет различными путями. Здесь участвуют излучение (в том числе и объемное), конвекция и теплопроводность. В зависимости от условий, в которых находится дуговой столб в отключающем аппарате, может преобладать тот или иной вид теплопередачи. Обычно излучение рассеивает сравнительно небольшую часть общей мощности, теряемой в дуговом столбе. Большая часть энергии теряется за счет конвекции и теплопроводности, а какая из этих составляющих преобладает, зависит от состояния и свойств среды (газ или жидкость, в движении или в покое), размеров дугового канала и уровня его температуры, При малых сечениях дугового канала роль теплопроводности может стать решающей.
Величина напряженности электрического ноля в дуговом столбе высокого давления колеблется от 10 до 200 В/см. Минимальное значение напряженности электрического воля относится к открытым дугам, горящим в атмосфере воздуха при относительно больших токах (тысячи ампер), а наибольшее — к дугам, горящим в мощных дугогасительных камерах выключателей, где дуговой столб подвергается интенсивному воздействию (продольному или поперечному обдуванию) газовых или жидких сред.
