电弧

当电势差（电压）和电流密度由于碰撞电离而足够高时，就会发生电弧。 气体放电形成等离子体，其中粒子（原子或分子）至少部分电离。 自由载流子导致气体变得导电。 大多数等离子体是准中性的，因此带正电的离子和电子的数量是相同的。 由于离子比轻得多的电子慢得多，因此电子通常几乎完全与电流传输相关。

电力工程中开关操作时产生的电弧称为开关电弧。 通常会导致损坏或事故的不良电弧被称为电弧故障。

电弓的特点是：

• 与辉光放电相比相对较小的阴极电压降（在所涉及原子的激发或电离电位的数量级上，大约 10 eV），
• 区域下降（非欧姆）电流-电压特性（负微分电阻），
• 与辉光放电相比，等离子体中的高电流密度，
• 气体和电子温度强耦合。 通常大约达到局部热平衡。
• 气压相对较高 (p > 0.1 bar)。
• 气体温度介于 5,000 K 和 50,000 K 之间。

电弧在铜线上需要至少 12 V 左右的电压和 0.4 A 左右的最小电流。除了高频波外，它们通常还会发出强烈的红外线、可见光和紫外线辐射。

需要大约 30 伏的电压来维持它。

根据操作参数，各种过程可能主要负责从阴极材料发射电子。 一个重要的参数是功函数，必须执行功函数才能使电子离开固体。 在电弧的情况下，这会因现有的外部场（肖特基效应或肖特基屈辱）而降低。 电子发射的其他相关过程如下：

• 热发射（也称为热电子发射、辉光电效应、爱迪生效应、理查森效应或爱迪生-理查森效应），
• 场发射：现有的电场允许电子以量子力学的方式从固体中穿出隧道。
• 热场发射：强电场会导致上述各点未涵盖的其他影响。
• 二次电子发射：由于阴极下降，正离子向阴极加速。 当它们撞击时，会导致电子释放。 激发的原子或离子也可以发射高能光子（在 UV 或 XUV 范围内），由于外部光效应，这些光子从阴极释放二次电子。

在电弧中，在电场中加速的电子与重粒子之间的碰撞会加热等离子体。 热量通过热传导传递到外部。 此外，在功率平衡中必须考虑辐射的发射和吸收。

如果你现在看一个垂直排列的静止操作的圆柱形电弧，那么功率平衡可以更简单地表示。 如果忽略流动（在这种情况下，体积元素的向上运动）和辐射项，则获得描述加热和旋转对称热传导到外部的功率平衡：

σ ⋅ E 2 = 1 r d d r r κ d T d r = 0

电弧的温度曲线取决于所使用的气体。 分子气体在电弧中解离。 在分子离解急剧增加的径向区域，气体的热导率非常高，温度梯度相应地比使用单原子惰性气体时更陡峭。分离效应（双极扩散、电泳）也会发生。

电弧最早用于照明技术：弧光灯是最古老的电光源。 电弧首先在空气中公开操作。 使用了石墨电极，它相对较快地烧掉了。

高压水银灯中使用压力为几毫巴的氩气和水银。 灯由高压脉冲点燃，仅产生辉光放电。 随着温度升高，水银蒸发，压力根据水银蒸气压增加，放电变成电弧放电。 强水银线在电弧的光谱中占主导地位。

氙气短弧灯用于电影放映机和强光头灯。 氙在可见光谱中有许多光学跃迁。 结合高放电压力，实现了强烈的谱线展宽，因此连同自由电子的连续谱发射，总体上发射出相当连续的、类似日光的光谱。 辐射源的空间范围很小，因此可以很容易地用反射器和透镜准直。

此外，不同的电弧变体已被确立为特定波长范围的辐射标准。

各种电弧在电焊以及玻璃纤维拼接中用作热源。

一个重要的应用是电炉炼钢电炉。

在发明效率更高的奥斯特瓦尔德工艺（从 1908 年开始）之前，硝酸是通过电弧（伯克兰-艾德工艺）中的空气燃烧产生氮氧化物来生产的。

另一个应用是使用电弧汽化 (Arc-PVD) 生产薄金属层。 在这里，电弧电子的动能用于从固体材料（目标）中释放原子或分子，并将它们沉积在基板上。 除其他外，该工艺还用于在切削工具上减少磨损的氮化钛层。

电弧的一个经典应用是光谱分析，用于测定主要和痕量成分，主要是固体。 待分析材料在电弧中汽化，从而激发出相应的谱线。 在光学发射光谱仪 (OES) 中通过发射线确定化学元素，并通过发射强度确定它们在样品中的比例。 主要使用带有碳或石墨电极的直流电弧。

电动推力器使用电动推力器加热推进剂气体，从而以高速（> 4 km / s）从喷嘴加速它。电动推力器用作卫星上的发动机来执行轨道维护和轨道改变机动。