При разрыве электрической цепи, по которой проходит ток, в воздушном промежутке или другой среде (рис. 11, a) межу разомкнувшимися контактами аппаратов возникает электрическая дуга. Дуга представляет собой мост из раскаленных ионизированных газов, обладающих очень высокой температурой и высокой проводимостью. Поэтому, несмотря на расхождение контактов аппарата и наличие разрыва в цепи, электрический ток не прерывается. Следовательно, для отключения электрической цепи недостаточно только разомкнуть контакты аппарата, необходимо еще погасить электрическую дугу возникающую между ними.
Рис. 11. Электрическая дуга (а) и распределение напряжения (б) и напряженности (в) по ее длине
При отрыве контактов друг от друга один из них, к которому приложен отрицательный потенциал, становится катодом К, а другой с положительным потенциалом — анодом А. Несмотря на высокую проводимость дугоразрядной плазмы, распределение падения напряжения вдоль дуги (рис. 11, б) неодинаково. Катодное падение напряжения Uк происходит на весьма малом участке длины дуги lк =10-6 м, составляет 10—20 В, зависит в основном от среды, материала катода и его температуры. Анодное падение напряжения UA происходит также па весьма малом участке длины дуги lА = 10-6 -- 10-7 м; оно значительно меньше катодного падения напряжения и зависит от среды, материала анода и особенно от величины тока. При больших токах падение напряжения Uа близко к нулю. Область, заключенная между катодным и анодным пространством, называется столбом дуги, имеет падение напряжения UCT, которое пропорционально длине столба lст и для воздуха составляет 0,15—0,20 В/м.
Область катодного падения напряжения, несмотря на тонкий слой, играет важную роль в процессе образования и поддержания дуги.
В ней (см. рис. 11, б и в) при небольшом катодном падении напряжения создается электрическое поле с весьма высоким градиентом потенциала — до 104 В/м и более, которое обеспечивает большой выход электронов в поверхности катода.
При нормальных условиях воздух, газ или жидкость, в среде которых могут находиться контакты аппарата, представляют собой диэлектрики с большой электрической прочностью и не проводят электрического тока. Однако при расхождении контактов, как указано выше, промежуток между ними переходит из состояния диэлектрика в состояние электрического проводника. Такой переход промежутка происходит вследствие возникновения термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий, ударной и термической ионизации.
В процессе размыкания контактов сначала происходит уменьшение площади их соприкосновения и увеличение переходного сопротивления. Вследствие этого при протекании тока увеличивается выделение мощности в контактах, повышается температура нагрева контактов и возрастает энергия их электронов. При размыкании контактов между анодом и катодом, как указывалось выше, образуется сильное электрическое поле, под действием которого электроны, обладающие большой энергией, вырываются с поверхности катода и направляются к аноду, что представляет собой автоэлектронную эмиссию. Автоэлектронная эмиссия возникает и существует только в начальный момент размыкания контактов аппарата, когда между ними образуется ничтожно малый разрыв. Электроны, обладающие большой скоростью, на своем пути к аноду встречают нейтральные атомы среды и, ударясь о них, выбивают с их оболочек один или несколько электронов. Происходит ударная ионизация, образуются не только электроны, но и положительно заряженные ионы. Первые направляются к аноду, вторые — к катоду (см. рис. 11, п). Ионизация дуги сопровождается выделением большого количества тепловой энергии. Расщепление атомов среды дугового промежутка па электроны и ионы под действием тепловой энергии дуги называется термической ионизацией. Кроме того, электрическая дуга нагревает до высокой температуры контакты аппарата, с поверхности которых выбрасывается поток электронов, представляющих собой термоэлектронную эмиссию. Сравнивая рассмотренные источники ионизации в дуге, следует отметить, что основная роль принадлежит термической ионизации. Высокая температура дуги является основным фактором, обусловливающим большую проводимость дугового промежутка.
При горении дуги одновременно существует два противоположных процесса: ионизация и деионизация. Деионизация — это образование нейтральных атомов из положительных ионов и отрицательных электронов. В зависимости от преобладания одного из них определяется режим электрической дуги: при зажигании дуги преобладает ионизация; в устойчивой дуге ионизация и деионизация уравновешиваются; при гашении дуги преобладает деионизация.
Деионизация происходит в основном двумя путями: нейтрализацией противоположно заряженных частиц в результате их соприкосновения в дуге и диффузией заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство благодаря разности температур. Частицы, диффундирующие из дуги, хотя и не теряют своего заряда, но уменьшают концентрацию их в дуге, способствуя ее деионизации. Нейтрализация диффундированных частиц происходит в среде, окружающей дугу.
Процесс интенсивной ионизации в дуге развивается самостоятельно; для интенсивной же деионизации необходимо применение специальных средств, к которым относятся дутье сжатым воздухом, дутье масляное, газовое, магнитное и др. Различными способами дутья достигается не только выбрасывание заряженных частиц из области горения дуги, но и эффективное охлаждение ее в результате удлинения, поперечного и продольного дробления и соприкосновения с холодными слоями окружающей среды и стенками камер диэлектриков. Во всех случаях происходит возрастание сопротивления дуги, уменьшение тока в ней и погасание дуги.
Учитывая значение приведенных выше факторов, при конструировании аппаратов, служащих для замыкания и размыкания цепи с током, предусматривают специальные деионизирующие устройства, которые обеспечивают охлаждение дуги посредством перемещения ее в окружающей среде; обдувание дуги воздухом или холодными неионизированными газами; расщепление дуги на несколько параллельных дуг малого сечения; удлинение дуги и соприкосновение ее с твердым диэлектриком; разделение длинных дуг на последовательные короткие; создание высокого давления в дуговом промежутке и т. п.
