电弧等离子体喷流的特性及应用分析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：有3种产生等离子体喷流的方式，具体如下。由于受到电极表面和弧柱放电通道的限制，膨胀的等离子体流的方向将垂直于电极表面，于是产生了等离子体喷流。在等离子体的准中性区域并不存在这种喷流。在此收缩压力的作用下，弧根中心部分的等离子体将沿弧柱轴线向压力较低的弧柱中部流动，由此便形成了等离子体喷流。

在某些条件下，特别是在电弧电流很大和阴极和阳极斑点运动缓慢的情况下，利用高速摄影可以观测到从阴极和阳极斑点处流出的粒子束，该粒子束被称为等离子体喷流。发生在阴极处的喷流即为阴极喷流，阳极处的为阳极喷流。有3种产生等离子体喷流的方式，具体如下。

1.等离子体粒子的直接碰撞所引起的喷流

由于电极表面高温的作用，电极材料蒸发并且以一定的运动速度撞击电弧收缩区的等离子体，这些被蒸发的金属蒸气在该区域内会受到电子和离子的碰撞而被强烈地加热、膨胀。由于受到电极表面和弧柱放电通道的限制，膨胀的等离子体流的方向将垂直于电极表面，于是产生了等离子体喷流。

2.电场对空间电荷区带电粒子的作用而产生的喷流

在空间电荷区，电子或离子在电场的作用下被加速而获得动能（动量），并将其动能传送给收缩区的等离子体。在等离子体的准中性区域并不存在这种喷流。

3.磁场对等离子体中带电粒子的作用所产生的喷流

设弧柱截面为圆形截面，其半径为rh，弧柱的轴向长度为l，电弧电流Ih均匀分布。在距弧柱中心r处取一厚度为Δr的薄圆筒，则流过该薄圆筒内部的电流为

薄圆筒处的磁感应强度为

流过薄圆筒的电流为

考虑到磁感应强度垂直于电流线，则作用于薄圆筒上的电动力为

其方向是由圆筒壁指向中心。由此可得作用于薄圆筒上的压强（或称为收缩压力）为

如果薄圆筒的厚度Δr→0，则可推导得出作用于距弧柱中心为r处的压强关于弧柱半径的导数为

设弧柱边界处的压强为0，则通过对式（3-11）求积分，可得

弧柱中心的收缩压力最高，其绝对值为

由式（3-13）可知，作用于弧柱上的收缩压力与弧柱电流的平方成正比，而与弧柱半径的平方成反比。当电弧电流一定时，弧柱半径越小，作用于弧柱中心的压力就越大。处于自由燃烧状态的电弧，由于存在弧根的收缩现象，通常弧根处的半径最小，所以该处的收缩压力最大。在此收缩压力的作用下，弧根中心部分的等离子体将沿弧柱轴线向压力较低的弧柱中部流动，由此便形成了等离子体喷流。这种喷流现象不仅存在于弧根处，还存在于电弧的任何收缩部位，如灭弧室中可能采用的各种外界因素所导致的电弧收缩等。

电弧等离子体喷流的特性及应用分析

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