【正文】 1 ? 本章教學(xué)目的與要求 ： 掌握電弧的物理特性，了解氣體放電的物理過程；掌握直流電弧的特性及熄弧原理，熟知在直流開關(guān)電器中可以使用的促使直流電弧盡快熄滅的原理方法；掌握交流電弧的伏 — 安特性，熟悉電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響，了解交流電弧的能量計(jì)算及電弧數(shù)學(xué)模型 。 ? 本章教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) ： 電弧的物理特性，生弧電壓與生弧電流；直流電弧的伏 — 安特性與熄滅原理；交流電弧的伏－安特性，零休現(xiàn)象 ? 本章教學(xué)基本內(nèi)容 ： ? 氣體放電的物理過程 ? 電弧的物理特性 ? 直流電弧的伏 — 安特性 ? 直流電弧的熄滅原理 ? 直流電弧的能量 ? 直流電弧熄滅時(shí)的過電壓 ? 交流電弧的伏 — 安特性 ? 電弧電壓對(duì)交流電路電流的影響 ? 交流電弧的能量計(jì)算 ? 麥也耳電弧數(shù)學(xué)模型 第三章 電弧的基本特征 2 實(shí)驗(yàn)室模擬 磁環(huán)爆發(fā) 第三章 電弧的基本特征 3 第三章 電弧的基本特征 空間 天體等離子體 4 概 述 背 景 知 識(shí) 167。 31 氣體放電的物理過程 167。 32 電弧的物理特征 167。 33 直流電弧的燃燒與熄滅 167。 34 交流電弧的特性 小 結(jié) 第三章 電弧的基本特征 5 概 述 一、 電弧 是一種氣體放電現(xiàn)象，也是一種等離子體（ Plasma ）。 二、學(xué)習(xí)電弧知識(shí)的目的是掌握電弧規(guī)律，盡快熄弧。 6 三、“電弧”的定義： 定義 (1) ：開斷電路時(shí)，在觸頭間隙中出現(xiàn)的一團(tuán)溫度極高、發(fā)強(qiáng)光和能夠?qū)щ姷慕茍A柱體的氣體?？沙霈F(xiàn)于大氣、真空、油介質(zhì)和 SF6氣體介質(zhì)等中間。 概 述 7 定義 (2) ：在大氣中開斷電路時(shí)，當(dāng)電源電壓 U U0 =（ 12～ 20）Ｖ，被開斷電流Ｉ （ ～ 1）Ａ?xí)r，觸頭間隙中產(chǎn)生的一團(tuán)溫度極高、發(fā)強(qiáng)光、能導(dǎo)電的近似圓柱體的氣體。 2 、氣體放電：指 弧隙中氣體由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)，使電流得以通過的現(xiàn)象。 概 述 8 背 景 知 識(shí) “ 等離子體 —— Plasma” 一、等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除固、液、氣外的物質(zhì)存在的第四態(tài)。 看似 “ 神秘 ” 的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的 99％。 9 固體 冰 液體 水 氣體 水汽 等離子體 電離氣體 溫度 00C 1000C 100000C 背 景 知 識(shí) 10 它是由大量帶電粒子組成的非束縛態(tài)的宏觀體系。 非束縛性：異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體。 粒子與電磁場(chǎng)的不可分割性：等離子體中粒子的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，不可分割。 集體效應(yīng)起主導(dǎo)作用：等離子體中相互作用的電磁力是長(zhǎng)程的，每個(gè)粒子均與周圍許多粒子同時(shí)發(fā)生作用。 背 景 知 識(shí) 11 二、等離子體分為兩種： 高溫和低溫等離子體。 高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生的，例如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。太陽(yáng)和恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的 99％。它是高溫等離子體。 低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。 背 景 知 識(shí) 12 低溫等離子體現(xiàn)在廣泛運(yùn)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域，如 等離子電視 ， 嬰兒尿布表面防水涂層 ， 增加啤酒瓶阻隔性 ，更重要的是在 電腦芯片中的蝕刻運(yùn)用 ，讓網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。 低溫等離子體體還可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機(jī)物和無(wú)機(jī)物上進(jìn)行沉淀涂層處理?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生來(lái)控制等離子體。 背 景 知 識(shí) 13 人類的生存伴隨著水 ， 水存在的環(huán)境是地球文明得以進(jìn)化 、 發(fā)展的的熱力學(xué)環(huán)境 ， 這種環(huán)境遠(yuǎn)離等離子體物態(tài)普遍存在的狀態(tài) 。 因而 ，天然等離子體就只能存在于遠(yuǎn)離人群的地方 ， 以閃電 、 極光的形式為人們所敬畏 、 所贊嘆 。 由地球表面向外 ， 等離子體是幾乎所有可見物質(zhì)的存在形式 ， 大氣外側(cè)的電離層 、 日地空間的太陽(yáng)風(fēng) 、 太陽(yáng)日冕 、 太陽(yáng)內(nèi)部 、 星際空間 、星云及星團(tuán) ， 毫無(wú)例外的都是等離子體 。 背 景 知 識(shí) 地球上，人造的等離子體也越來(lái)越多地出現(xiàn)在我們的周圍。 ? 日常生活中：日光燈、電弧、等離子體顯示屏、臭氧發(fā)生器 ? 典型的工業(yè)應(yīng)用：等離子體刻蝕、鍍膜、表面改性、噴涂、燒結(jié)、冶煉、加熱、有害物處理 ? 高技術(shù)應(yīng)用：托卡馬克、慣性約束聚變、氫彈、高功率微波器件、離子源、強(qiáng)流束、飛行器鞘套與尾跡 背 景 知 識(shí) 15 密度 (cm3) 溫度 (度 ) 太陽(yáng)核心 磁約束 聚 變 霓虹燈 北極光 火 焰 閃電 日冕 氫彈 星際空間 熒光 氣體 液 體 固 體 人類居住環(huán)境 慣性聚變 星 云 太陽(yáng)風(fēng) 密度跨越了 30 個(gè)量級(jí) 溫度跨越了 7 個(gè)量級(jí) 等離子體參數(shù)空間： 火 焰 16 星系：巨大的聚變反應(yīng)堆 背 景 知 識(shí) 17 北極光 背 景 知 識(shí) 18 三、等離子體顯示技術(shù) （ Plasma Display) 等離子體顯示技術(shù)之所以令人激動(dòng)，主要是以下兩原因： （ 1） 可制造超大尺寸的平面顯示器（ 50英寸甚至更大）； （ 2）與陰極射線管顯示器不同，它沒有彎曲的視覺表面，從而使視角擴(kuò)大到了 160度以上。換句話說，利用惰性氣體（ Ne、 He、 Xe等）放電時(shí)所產(chǎn)生的紫外光來(lái)激發(fā)彩色熒光粉發(fā)光，然后將這種光轉(zhuǎn)換成人眼可見的光。 背 景 知 識(shí) 19 所謂等離子彩電 —— PDP（ Plasma Display Panel）， 是指基于在兩張薄玻璃板之間充填混合氣體，施加電壓使之產(chǎn)生 等 離子氣體，然后使等離子氣體放電，與基板中的熒光體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生彩色影像的原理而設(shè)計(jì)的一種彩電。 等離子體顯示器：又稱電漿顯示器，是繼 CRT(陰極射線管）、 LCD（ 液晶顯示器）后的最新一代顯示器。其特點(diǎn)是厚度極薄，分辨率佳?？梢援?dāng)壁掛電視使用，占用極少的空間，代表未來(lái)顯示器的發(fā)展趨勢(shì)。 背 景 知 識(shí) 20 等離子體顯示技術(shù)的基本原理 顯示屏上排列有上千個(gè)密封的小低壓氣體室（一般都是氙氣和氖氣的混合物），電流激發(fā)氣體，使其發(fā)出肉眼看不見的紫外光，這種紫外光碰擊后面玻璃上的紅、綠、藍(lán)三色熒光體，發(fā)出在顯示器上能看到的可見光。 背 景 知 識(shí) 21 四、等離子體隱身技術(shù) 在飛機(jī)、艦船等武器表面產(chǎn)生一層等離子體，這層等離子體可以和雷達(dá)波等相互作用，使這些物體無(wú)法被感知或探測(cè)到。這種等離子體外殼由等離子體電流構(gòu)成。 等離子體電流就是當(dāng)電子在金屬物質(zhì)的表面上有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電子密度波。當(dāng)入射光頻率與等離子體電流的諧振頻率接近時(shí)，光線將被這層等離子體電流外殼反向散射，向外則幾乎不散射光線，物體即不可見。 背 景 知 識(shí) 22 軍事應(yīng)用 ? 等離子體天線 ? 等離子體雷達(dá)隱身 ? 飛行器減阻 ? 假目標(biāo)及誘餌 高技術(shù) ? 大功率微波器件 ? 強(qiáng) X射線源及 X射線激光 ? 強(qiáng)流束技術(shù) ? 等離子體推進(jìn) ? 磁流體發(fā)電 等離子體軍事及高技術(shù)應(yīng)用 背 景 知 識(shí) 23 主要參數(shù) Pf = 500MW Q 10 T = 500 s R = m A = m Ip = 15 MA B = T V = 837 m3 S = 678 m2 Pin= 73 MW 46億美元 ITER： 托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)堆 背 景 知 識(shí) 24 聚變等離子體 2022年 6月 28日 ITER： Cadarache 背 景 知 識(shí) 25 美國(guó) N