電弧

當電勢差（電壓）和電流密度由于碰撞電離而足夠高時，就會發生電弧。 氣體放電形成等離子體，其中粒子（原子或分子）至少部分電離。 自由載流子導致氣體變得導電。 大多數等離子體是準中性的，因此帶正電的離子和電子的數量是相同的。 由于離子比輕得多的電子慢得多，因此電子通常幾乎完全與電流傳輸相關。

電力工程中開關操作時產生的電弧稱為開關電弧。 通常會導致損壞或事故的不良電弧被稱為電弧故障。

電弓的特點是：

• 與輝光放電相比相對較小的陰極電壓降（在所涉及原子的激發或電離電位的數量級上，大約 10 eV），
• 區域下降（非歐姆）電流-電壓特性（負微分電阻），
• 與輝光放電相比，等離子體中的高電流密度，
• 氣體和電子溫度強耦合。 通常大約達到局部熱平衡。
• 氣壓相對較高 (p > 0.1 bar)。
• 氣體溫度介于 5,000 K 和 50,000 K 之間。

電弧在銅線上需要至少 12 V 左右的電壓和 0.4 A 左右的最小電流。除了高頻波外，它們通常還會發出強烈的紅外線、可見光和紫外線輻射。

需要大約 30 伏的電壓來維持它。

根據操作參數，各種過程可能主要負責從陰極材料發射電子。 一個重要的參數是功函數，必須執行功函數才能使電子離開固體。 在電弧的情況下，這會因現有的外部場（肖特基效應或肖特基屈辱）而降低。 電子發射的其他相關過程如下：

• 熱發射（也稱為熱電子發射、輝光電效應、愛迪生效應、理查森效應或愛迪生-理查森效應），
• 場發射：現有的電場允許電子以量子力學的方式從固體中穿出隧道。
• 熱場發射：強電場會導致上述各點未涵蓋的其他影響。
• 二次電子發射：由于陰極下降，正離子向陰極加速。 當它們撞擊時，會導致電子釋放。 激發的原子或離子也可以發射高能光子（在 UV 或 XUV 范圍內），由于外部光效應，這些光子從陰極釋放二次電子。

在電弧中，在電場中加速的電子與重粒子之間的碰撞會加熱等離子體。 熱量通過熱傳導傳遞到外部。 此外，在功率平衡中必須考慮輻射的發射和吸收。

如果你現在看一個垂直排列的靜止操作的圓柱形電弧，那么功率平衡可以更簡單地表示。 如果忽略流動（在這種情況下，體積元素的向上運動）和輻射項，則獲得描述加熱和旋轉對稱熱傳導到外部的功率平衡：

σ ? E 2 = 1 r d d r r κ d T d r = 0

電弧的溫度曲線取決于所使用的氣體。 分子氣體在電弧中解離。 在分子離解急劇增加的徑向區域，氣體的熱導率非常高，溫度梯度相應地比使用單原子惰性氣體時更陡峭。分離效應（雙極擴散、電泳）也會發生。

電弧最早用于照明技術：弧光燈是最古老的電光源。 電弧首先在空氣中公開操作。 使用了石墨電極，它相對較快地燒掉了。

高壓水銀燈中使用壓力為幾毫巴的氬氣和水銀。 燈由高壓脈沖點燃，僅產生輝光放電。 隨著溫度升高，水銀蒸發，壓力根據水銀蒸氣壓增加，放電變成電弧放電。 強水銀線在電弧的光譜中占主導地位。

氙氣短弧燈用于電影放映機和強光頭燈。 氙在可見光譜中有許多光學躍遷。 結合高放電壓力，實現了強烈的譜線展寬，因此連同自由電子的連續譜發射，總體上發射出相當連續的、類似日光的光譜。 輻射源的空間范圍很小，因此可以很容易地用反射器和透鏡準直。

此外，不同的電弧變體已被確立為特定波長范圍的輻射標準。

各種電弧在電焊以及玻璃纖維拼接中用作熱源。

一個重要的應用是電爐煉鋼電爐。

在發明效率更高的奧斯特瓦爾德工藝（從 1908 年開始）之前，硝酸是通過電弧（伯克蘭-艾德工藝）中的空氣燃燒產生氮氧化物來生產的。

另一個應用是使用電弧汽化 (Arc-PVD) 生產薄金屬層。 在這里，電弧電子的動能用于從固體材料（目標）中釋放原子或分子，并將它們沉積在基板上。 除其他外，該工藝還用于在切削工具上減少磨損的氮化鈦層。

電弧的一個經典應用是光譜分析，用于測定主要和痕量成分，主要是固體。 待分析材料在電弧中汽化，從而激發出相應的譜線。 在光學發射光譜儀 (OES) 中通過發射線確定化學元素，并通過發射強度確定它們在樣品中的比例。 主要使用帶有碳或石墨電極的直流電弧。

電動推力器使用電動推力器加熱推進劑氣體，從而以高速（> 4 km / s）從噴嘴加速它。電動推力器用作衛星上的發動機來執行軌道維護和軌道改變機動。