电弧形成的原因是什么？电放电物理学解释

从根本上说，电弧是由足以克服空气等介质绝缘特性的电压差引起的。这个过程被称为介质击穿，它通过从原子中剥离电子，将绝缘体转化为导体。结果是形成一个持续的、高温的等离子体通道，允许电流在通常不应该流过的地方流动。

电弧的根本原因是足以使非导电介质电离的电势，从而产生持续的等离子体放电，作为电流的通路。它本质上是电流强行穿过绝缘体。

电弧形成的物理学：分步解析

要真正理解电弧，我们必须了解将空气等绝缘体变成过热导体的事件序列。这个过程发生在瞬间。

一切都始于两个由绝缘介质（电介质，最常见的是空气）分隔的导电点之间的电压差。这在它们之间的间隙中产生了电场。

每种绝缘体都有一个介电强度——它能承受的最大电场，超过这个强度就会发生击穿。对于海平面上的干燥空气，大约是每厘米30,000伏。

当间隙两端的电压足够高时，电场超过这个强度，击穿过程就开始了。

空气中含有少量天然存在的自由电子。强大的电场使这些电子加速到非常高的速度。

这些高能电子与中性气体原子碰撞，撞击出额外的电子。这个过程以连锁反应的方式呈指数级重复，称为汤森雪崩，迅速产生大量的自由电子和正离子。

这种带电粒子——离子和电子——的洪流形成了等离子体，这是一种具有高度导电性的物质状态。

这个等离子体通道连接了导体之间的间隙，形成了一个低电阻路径。这个可见的、极其炽热和明亮的通道就是我们所看到的电弧。

一旦等离子体通道建立，维持电流所需的电压比启动它所需的电压要低得多。等离子体的高温维持着电离，使路径保持导电状态，直到电流中断或电压降得过低。

虽然基本物理原理是一致的，但一些现实事件可以创造形成电弧的必要条件，通常在远低于空气理论击穿强度的电压下发生。

这是最常见的原因。当开关或断路器断开时，触点分离。电压很容易跳过微小的初始气隙，加热并电离空气以产生电弧，随着触点进一步分开，电弧可能会持续存在。

随着时间的推移，电气绝缘会因热量、老化、潮湿或化学暴露而降解。这种弱化的绝缘无法再承受正常工作电压，导致突然击穿和电弧故障。

缩短导体之间的距离会缩短电压需要跳过的间隙。同样，绝缘体表面的灰尘、油污或湿气等污染物会形成导电路径，从而显著降低击穿电压。

这些术语经常互换使用，但它们描述的是不同的现象。理解其区别对于正确诊断至关重要。

火花是瞬时和暂时的放电。它是最初的击穿事件，就像你从门把手那里得到的静电冲击。火花可能会引发电弧，但它不是持续的电流流动。

电弧是持续的、大电流放电，持续一段时间。它需要一个能够提供足够电流以保持等离子体通道电离和炽热的电源。所有电弧都始于火花，但并非所有火花都会变成电弧。

电晕放电是高压导体表面（通常是尖锐点）空气的局部击穿。它表现为微弱的蓝色辉光，但不会完全桥接与另一个导体之间的间隙。它代表着电流向空气的低水平泄漏。

了解电弧的成因是预防安全事故或在工业应用中控制电弧的第一步。您的方法完全取决于您的目标。

掌握电弧形成的原理，使您能够管理电气工程中最强大且潜在危险的现象之一。