超导状态下电弧产生过程新探讨

崔宇声

（沧州大化股份公司，河北 沧州061000）

0 前言

大家都知道，电弧是开关在断开时，动、静触头之间的介质（如空气）由绝缘状态转变为游离导电状态的一种现象。 它的产生分为四个过程：（1）强电场发射；（2）热电发射；（3）碰撞游离；（4）热游离(高温游离)。 这四个过程是前人得出的结论，在学习和领会前人电弧理论的基础上，笔者想发表一些拙见，请诸位读者批评指正。

1 强电场发射之前的过程探讨

笔者认为在断开超导状态下的电路时，在强电场发射之前就可能先出现了碰撞游离。

众所周知，电气设备中的电路及开关触头皆为金属导体。那么，从化学角度上讲，金属导体是以单质形式存在的，即完全由该金属原子组成的。每个金属原子是由原子核和核外电子组成。当电路闭合后，众多核外外围电子在电场力的作用下挣脱原子核的束缚，成为自由电子向电源的正极方向似接力形式运动，然后再由电源的负极流出，循环往复而形成持续的电流。

自由电子是一种基本粒子，虽然极其微小，但它也属于一种物体。既然属于物体，那么从物理学角度来讲，它就具有惯性特征（牛顿第一定律），即物体具有保持原有运动状态的特性。

自由电子在超导状态电路中的运动速度是非常快的，所以相对于它自身来讲具有很大的动能。假如这个开关是个刀闸，在拉开刀闸，触头刚刚分离的瞬间，流动到此断口阴极表面的自由电子在惯性和电场力（因距离很近，此刻断口处仍有电场存在）的双重作用下，自由电子应该能“飞”出金属导体，并碰撞中性介质分子。 因自由电子此刻具有很大的动能，所以中性介质分子中的原子的外围电子被撞出，分离成自由电子和正离子，此时由于触头间电场的存在，被撞出的自由电子和原有的自由电子，在电场的作用下继续运动，又碰撞出新的自由电子和正离子，如此连锁反应，进而出现了碰撞游离现象。

在这一环节，笔者认为：对于弱电低压电路，惯性作用占主导地位；对于强电高压电路和低压大电流电路，电场力的作用占主导地位。

2 强电场发射过程探讨

接下来，随着断口间距逐渐拉开，惯性作用逐渐降低，能够“飞”出金属导体的自由电子越来越少，但因惯性而后续到此断口阴极处的自由电子虽未“飞”出金属导体，但被聚集于断口阴极表面。 同时由于电场的存在，阴极表面也有其它电子在此逐渐聚集。 这两股电子在阴极表面的聚集增多使断口处的电场强度逐渐叠加增大，当大于一定程度时，这些电子将从金属触头表面被强行拉出，进入触头之间，成为自由电子。在电场力的作用下，自由电子向阳极加速运动，即完成强电场发射过程。

3 热电发射过程探讨

除强电场发射之外，在触头即将分开的瞬间，由于触头间压力和接触面积减小，接触电阻增大，从而电能损耗增大，在阴极表面出现炽热点，金属触头在高温作用下也发射出电子，在电场力的作用下，发射出的电子向阳极加速运动，即完成热电发射过程。

4 碰撞游离过程探讨

在上述过程之后，这些向阳极加速运动的自由电子在强电场作用下获得巨大的动能，以很高的速度碰撞中性介质分子，进而产生了上述的连锁反应，这便进入到第二次碰撞游离过程。 这个过程产生的自由电子和正离子，与强电场发射之前碰撞游离所产生的自由电子和正离子一起，在触头之间达到一定浓度时，中性介质被击穿变成了导体，在电压的作用下，大量的电子流向阳极，形成电流，开始了弧光放电。这是电弧产生的初期阶段，随着触头间距的增大，电场强度的减小，强电场发射与碰撞游离作用减弱。

5 热游离(高温游离)过程探讨

最后一个过程便是热游离(高温游离)。即电弧产生以后，其具有很高的温度，介质分子在高温作用下，产生快速的不规则运动，并具有很大的动能，它们相互碰撞时游离出自由电子和正离子，即靠高温产生游离。 热游离过程维持了电弧的燃烧，此时仅要较小的电场强度就能维持一定数量的电子沿电场方向运动。

6 结束语

以上便是笔者在学习前人电弧理论的基础上，自己对超导状态下电弧产生过程所持的观点。其中从触头即将分离至开始弧光放电这一阶段，笔者认为其电弧过程与常态下相比，既有相同点也有不同之处。开始弧光放电之后这一阶段的电弧过程，笔者所持观点与常态下的该电弧过程一致。

［1］刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,2004:101-102.