Б) область дугового стовпа

Розрахунки показують, що енергія, яку набувають заряджені частинки в електричному полі дугового стовпа, настільки мала, що практично іонізація поштовхом не відбувається. Основним джерелом іонів і електронів є термічна іонізація.

При великій температурі швидкість частинки підвищується до величини, при якій удар в нейтральний атом призводить до його іонізації. Чим менша маса частинки, тим більша швидкість її руху. Кількість зарядів, що з’являються в результаті термічної іонізації, можна визначити за допомогою рівняння, отриманого індійським ученим Саха:

, (1)

де c – ступінь іонізації, що визначається як відношення кількості іонізованих частинок до повної кількості атомів у даному об’ємі, р – абсолютний тиск газу; Т – абсолютна температура; Ui – потенціал іонізації.

Аналіз (1) показує, що чим більший тиск, тим нижче ступінь іонізації. У зв’язку з цим в багатьох дугогасильних пристроях створюється підвищений тиск газу, що сприяє гасінню дуги. Дуже сильний вплив на іонізацію має температура. Для великого числа двохатомних газів через ступеневу іонізацію процес утворення іонів починається при температурі 6 10³ К. пари метала іонізуються значно легше. Помітна іонізація починається вже при температурах 3000-4000 К. у зв’язку з цим в дугогасильних пристроях необхідно застосовувати заходи, що перешкоджають попаданню металічних парів електродів у стовп дуги (зменшення перерізу плавких вставок запобіжників, переміщення дуги по електродах, зменшення температури електродів, а значить їх випаровування, та ряд інших засобів).

Оскільки ступінь іонізації визначається температурою, у всіх дугогасильних пристроях намагаються відводити тепло від дуги або за рахунок охолодження рухомим повітрям або газом (повітряні, масляні вимикачі), або віддачею тепла стінкам дугогасильної камери.

у дуговому стовпі поряд з іонізацією протікає процес деіонізації за рахунок рекомбінації і дифузії.

Рекомбінація – це нейтралізація частинок за рахунок з’єднання іонів із зарядами різних знаків. Як показали дослідження, в дуговому стовпі рекомбінація електрона і позитивно зарядженого іона внаслідок великої різниці в їх масах малоймовірна. Очевидно, що чим більше зарядів в одиниці об’єму, тим сильнішою буде рекомбінація. Зменшення числа зарядів в одиниці об’єму за рахунок рекомбінації можна знайти за допомогою рівняння.

, (2)

де – швидкість зменшення числа зарядів за рахунок рекомбінації; а – коефіцієнт рекомбінації; n – кількість іонів одного знаку (в стаціонарному режимі кількість позитивних і негативних іонів у стовпі дуги однакова).

Коефіцієнт рекомбінації залежить від роду газу, тиску і температури. При зниженні температури коефіцієнт рекомбінації зростає. Орієнтовно можна вважати, що коефіцієнт рекомбінації а зворотно пропорційний абсолютній температурі в третій степені. Деіонізація у стовпі йде також за рахунок дифузії. Внаслідок теплового руху відбувається вирівнювання щільностей заряджених частинок, кількість їх у стовпі зменшується, опір дугового стовпа збільшується. З теорії дифузії газів відомо, що швидкість зменшення частинок пропорційна їх кількості.:

, (3)

де – швидкість зменшення за рахунок дифузії; D – коефіцієнт дифузії; n – кількість заряджених частинок одного знаку; r – радіус дуги.

Коефіцієнт дифузії дорівнює , де l – довжина вільного пробігу; u - середня швидкість руху іона.

Аналіз (3) свідчить, що швидкість зменшення кількості заряджених часток різко зростає із зменшенням радіуса дуги. Тому в дугогасильних пристроях широко використовується принцип вузької щілини (дуга горить в щілині, що утворена дугогасильними стінками з високою теплопровідністю).

Якщо просумувати результати іонізаційних процесів у дузі, то можна записати:

, (4)

В рівнянні (4) величина – швидкість виникнення зарядів за рахунок термічної іонізації. Для стабільно палаючої дуги, опір якої незмінний при даному струмі, , тобто швидкість зростання кількості іонізованих частинок рівна швидкості їх зникання. Встановлюється динамічний баланс. У випадку згасання дуги, видно, . Зарядів, що виникають при іонізації, менше, ніж зарядів, що зникають при деіонізації. Видно, що при переході до більшого струму спочатку , потім установлюється динамічний баланс , відповідний цьому значенню струму.