1.5　电弧放电

电弧放电是气体放电的一种重要形式。对于电弧放电现象的研究已有200多年的历史，最早记录的是英国化学家戴维（1810年左右）利用伏特电池组在两个水平碳电极之间产生的放电，因碳电极之间的发光部分向上弯曲并呈拱形而将其命名为电弧（arc）。早期主要研究电弧的伏安特性，20世纪30年代后，随着实验技术的改进，开始建立起电弧放电的理论模型。

电弧放电的用途很广。根据电弧放电的高温特性，可用于对难熔金属进行切割、焊接和喷涂；利用其发光特性，可用来制造高亮度、高光效的放电灯，如高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等；利用其电流密度大、阴极位降低的特性，可制造热阴极充气管（如闸流管、整流管）和汞弧整流器；在固体和气体激光器中，可应用电弧放电作为泵浦源；还可用电弧放电法原位清洗光学元件。在某些场合，电弧是有害的，需采取措施灭弧，比如高气压脉冲激光器中要求大体积的均匀辉光放电，不允许产生电弧放电。

1.5.1　电弧放电的基本性质和特征

从气体放电伏安特性曲线可知，利用减小外电路电阻增加辉光放电中的电流强度，起初只是阴极发射电子的面积增大，而电极间电压保持不变（正常辉光放电情况）。到反常辉光放电后，如果电流继续增加，极间电压经过一个最大值后急剧下降，并过渡到低电压、大电流放电，这就是电弧放电。

对于电弧放电，给出严格的定义比较困难。但是从放电的电特性来看，电弧放电是一种阴极位降低、电流密度大、温度和发光度高的气体放电现象。

电弧放电有以下几个特征。

①电流密度大　电弧放电正柱区的电流密度可达106A/m2或更高，阴极位降区的电流密度为106～1010A/m2，而辉光放电的电流密度为10～100A/m2。

②阴极位降低　一般来说，电弧放电的阴极位降量级为10V，而辉光放电的阴极位降量级为100V。一般情况下，电弧放电的阴极位降远远低于辉光放电的阴极位降。不过也有例外，如高气压的长弧放电管，其总压降可高达千伏以上。

③温度和发光度高　电弧放电时呈现弧状白光并产生高温。尤其是高气压电弧的正柱区，发光度非常高，这个特性已被用来作为照明光源。

1.5.2　电弧的分类

①按气压分类，有高气压电弧（p>105Pa）、低气压电弧（1Pa<p<105Pa）、真空电弧（p<1 Pa）。

②按阴极电子发射机理的差异划分，有自持热阴极电弧、自持冷阴极电弧、非自持热阴极电弧。自持热阴极电弧放电来自等离子体的热负载导致阴极高温，在阴极上产生强烈的热电子发射；自持冷阴极电弧放电又称场致发射，基于阴极表面强电场的隧道效应引起冷电子发射；非自持（人工）热阴极电弧放电，从外部人为地把阴极加热至高温，引起热电子发射。

③按不同弧长划分，有长弧和短弧。长弧中弧柱起重要作用；短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。

④按电弧的稳定形式划分，有管壁稳定电弧、自由电弧（对流稳定与电极稳定）、气流稳定电弧。

⑤按气体的种类划分，有氩弧、氢弧等。

⑥按电极材料划分，有炭弧、铜弧等。

⑦按电源划分，有直流电弧和交流电弧。

1.5.3　电弧的启动

电弧放电与辉光放电不同。电弧放电具有低电压、高电流密度的特征，而辉光放电的特征却是高电压、低电流密度。要完成这两种不同放电间的过渡，与如何启动电弧有直接关系。启动电弧通常有4种办法。

（1）电极相互接触后迅速分离的方法启动电弧。

把两个电极接触，随即分开，只要回路电压足以维持放电，就可以启动电弧。

如果有一个或两个电极可移动，当两个电极之间加上一定的电压后，让两个电极接触。假如电极是高熔点材料，则电路短路时的大电流流过电极之间的接触点，使接触点温度升高。在电极分离的瞬间，两个电极之间既存在电场作用，又能使阴极产生热电子发射，因而形成了电弧。假如阴极是低熔点材料，则短路时的大电流流过电极之间的接触点使阴极材料发热而强烈蒸发，阴极表面附近蒸汽密度可以增加得很高，在电极分离的瞬间，就形成了由于场致发射而产生的电弧。

如果两个电极都不能移动，则可以外加一个金属或石墨小棒作为辅助电极，使之与阴极接触后迅速分离，在辅助电极与阴极之间先产生电弧，然后再使电弧过渡到两个主要电极之间。

（2）改变辉光放电的放电条件，使之向电弧过渡。

促使辉光放电向电弧放电过渡有两种办法。一是在一定的电流下，增加气压。由于j∝p2，所以气压的增加会使阴极区域里的电流密度和电位梯度增加，使阴极上出现局部加热，在一定的电流下，可以使辉光向电弧过渡。实验也证实，如果把阴极冷却或利用非常纯而清洁的阴极，可以抑制放电的过渡。二是在一定的气压下，增加放电电流。这从放电的伏安特性就可以清楚地看到，也就是通过反常辉光放电过渡到电弧放电的过程。通常采用减小外电阻的方法来增加放电电流。

（3）在电压不很高的情况下，应用预电离使气体击穿形成电弧。

预电离是指在气体击穿前，用辅助电离源来产生一定数目的带电粒子，以使气体击穿电压明显下降。产生预电离的电离源可用紫外光照射；可以将放射性物质靠近希望发生弧光放电的气体，使射线引起气体电离；可以用高频火花在电极间产生必须的带电粒子数。

（4）在两个电极间外加一个足以使放电间隙击穿的电压，这样就可以形成一个火花而转成稳定的电弧放电。