СЕЛФ

26

и С.Б. Каравашкин

Следует отметить, что Миллс, считая основной причиной эрозии контактов серии коротких дуг, сам недостаточно уточнил и их природу, и характерные особенности, что было скорее всего обусловлено сложностью исследования столь коротких промежутков. Это же является причиной того, что и в другой научной литературе по газовому разряду короткие дуги мало описаны. В ряде известных обзорных работ они или вообще не рассматриваются [6, 7], или дается очень короткое их описание [8, 9, 10, 11].

Под короткой дугой Р. Хольм [9] понимает бесплазменную дугу, длина которой намного (более чем в 10 раз) меньше радиуса катодного пятна. Длину короткой дуги считают равной 10 ^{- 4} см [12], что соответствует длине свободного пробега электронов в газах при нормальных условиях. Поэтому В.Т. Омельченко [8] утверждает, что "короткая дуга - такой вид дугового разряда, при котором столб состоит только из околокатодного падения потенциала". И хотя этот вывод в общем перекликается с утверждением Р. Хольма, тем не менее тот же Аллен [13], оценивший длину короткой дуги, предполагает совсем иную ее модель. Он полагает, что в контактном промежутке после взрыва мостика давление паров металла составляет несколько атмосфер, так, что длина промежутка оказывается равной нескольким длинам свободного пробега электронов. Такая дуга, по его мнению, будет продолжаться до тех пор, пока пары рассеются. Здесь, к слову, Аллен, как и другие исследователи, говоря о мостике, имел в виду первичный мостик, образующийся при расхождении контактов перед началом ливневой дуги. Этот момент очень важен для дальнейшего изложения. Также нельзя не отметить, что, например, Слейд [12] предполагал возможность образования нескольких последовательных мостиков, а именно: "При этих (малых - авт.) индуктивностях дуга очень нестабильна и мостик может образовываться несколько раз". Высказывая данное предположение, Слейд связывает возможность неоднократного образования мостика в начальной стадии ливневой дуги именно с нестабильностью дуги, обусловленной малой индуктивностью нагрузки, а значит, и малой запасенной энергией. Это предположение в первую очередь основывалось на том простом факте, что в области малых индуктивностей нагрузки результаты экспериментов по массопереносу между контактными парами больше всего расходились с теорией, основывающейся на однократном первичном мостике и следующей за ним цепочке коротких дуг. При этом важно, что Слейд понимал под короткими мостиками именно горизонтальные участки между участками роста напряжения в полном соответствии с теорией Миллса.

В целом же массоперенос, связанный с короткой дугой, обусловливается ее типом - анодным или катодным. По устоявшимся представлениям [4, 14], при анодных дугах эродирует анод в результате разогрева его электронами, ускоренными полем в контактном промежутке. При катодных дугах эродирует катод в результате плавления и испарения металла из множества мелких пятен на нем, образующихся вследствие большой плотности эмиссионного тока, протекающего через катодное пятно. Характерно, что при катодном массопереносе на самом катоде образуется множество отдельных кратеров, что, вероятно, и послужило причиной вышеприведенных утверждений. Но катодный характер дуга может приобрести только при достижении некоторого верхнего предела своей длины. До этого предела короткая дуга всегда является анодной [14]. Хотя и после перехода через этот предел дуга может, тем не менее, не изменить тип.

Указанная причина эрозии катода, а именно - большая плотность тока, которая составляет порядка 10⁷ A/см² [15], привлекала очень большое внимание исследователей [3, 4, 8, 9, 14, 16]. Большинство ученых согласно с мнением М.М. Аталла [16], что электрический ток в короткой дуге возникает за счет автоэлектронной эмиссии с катода, обусловленной внешним электрическим полем, напряженность которого для этого должна составлять (0,6 - 16)  В/см [8]. Но при этом В.Т. Омельченко [8], отмечая существенное отличие в механизме образования и развития коротких дуг при замыкании и размыкании контактов, считает, что автоэлектронная эмиссия может быть причиной тока только в дуге замыкания, с чем можно не согласиться. Анализируя в случае размыкания контактов три возможных причины возникновения тока - автоэлектронную эмиссию, наличие плазмы в дуге и возбуждение атомов металла, присутствующих в контактном промежутке после взрыва металлического мостика, - В. Т. Омельченко [17] пришел к выводу, что первые две причины не могут быть "основными поставщиками электронов в дугу". Первая - из-за недостаточной напряженности поля (что хотелось бы особо отметить для дальнейшего изложения), вторая - из-за отсутствия достаточного количества плазмы в дуге.

Последнее утверждение само противоречит постановке вопроса. Если плотность паров металла мала (в противовес предположению Аллена [13]), то длина пробега электрона возрастает и ионизационная способность его падает, а значит, при малой плотности плазмы дуги и соизмеримости длины столба плазмы с длиной свободного пробега, возбуждение атомов металла будет еще ниже. И тем более неоправданно категоричным является вывод Омельченко: "Катод разрушается возбужденными атомами, анод - электронами. Так как при соударении электронов с атомами металла электрон теряет значительную часть своей энергии, то поверхность анода разрушается значительно меньше, чем в случае чисто автоэлектронного механизма образования тока. То, что в короткой дуге эрозии подвергается и анод, и в несколько меньшей мере катод, хорошо согласуется с экспериментом". Категоричность здесь явно излишняя. Судя по всем вышеприведенным рассуждениям, все три процесса в определенной степени участвуют в эрозии контактов, а каждый из них может доминировать в тех или иных условиях и в определенных границах обусловленности того или иного процесса. В подтверждение этого следует отметить, что, например, Р. Хольм [9] полагает, как мы уже ранее отмечали, что большую часть времени короткая дуга остается короче длины свободного пробега, а потому соударений с атомами металла нет. А баланс энергии, произведенный им, показал, что бомбардировка анода электронами является, возможно, не единственным способом его разогрева, что тем более противоречит выводам Омельченко.

Говоря о токовой эмиссии, нельзя не сказать отдельно о так называемой взрывной эмиссии. Физическое ее обоснование авторами [18, 19] было следующим: "различные дополнительные процессы (например, нагрев и испарение анода, десорбция и адсорбция газов и паров, миграция и диффузия атомов, ионная бомбардировка, удары микрочастиц и т.д.) приводят в конечном счете к усилению электрического поля на катоде, интенсификации автоэлектронной эмиссии и тем самым способствуют возбуждению взрывной эмиссии и переходу к пробою при электрических полях, меньших, чем в случае, когда эти процессы отсутствуют".

И хотя авторы так называемой взрывной эмиссии проводили исследование эмиссионных токов при импульсном пробое контактных промежутков наносекундными импульсами, тем не менее их утверждение, что "нами установлено, что развитие быстрой фазы пробоя при постоянном напряжении происходит аналогично импульсному пробою" требует определенного учета и этого направления исследования пробоя контактных промежутков. Хотя, с другой стороны, сама неясность формулировки так называемой взрывной эмиссии, подтверждаемая самими авторами: "необходимо, однако, отметить, что исследования эмиссионных процессов и их роли в вакуумном разряде еще далеко не закончены … Очень много неясного до сих пор таит в себе и само явление взрывной электронной эмиссии…", а также обусловленность пробоя тем же стандартным набором факторов, без привлечения действительно ранее неизвестных причин, ставит под сомнение сам вопрос о праве на особое название тех процессов, которые уже один раз были названы учеными.

Тем не менее, вопрос об аномальной плотности тока в коротких дугах достаточно серьезен и имеет не только научную ценность, но важен и для целей практики.