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把电极放在密闭的瓶子内,瓶子抽真空,会发生什么?

图片:Yestone.com 版权图片库

Patrick Zhang,电气工程师

有点意思的问题。

要弄懂这个问题,必须先了解真空击穿特性。我们看下图:

我们把电极放在身旁的环境中,把电池 E 接通,然后来测量上述电路的电流。注意电池的电压取接近于零的最小值。由于电路是断的,当然不会有电流流过。

现在我们开始把电池电动势 E 缓慢地调高,我们会发现,电路中居然有很小的电流流过。这是因为宇宙射线轰击空气分子,使得空气分子电离,并由此产生的电流。

上图右方 A-B-C 天蓝色区域就是这种情况。我们发现,随着电池电动势不断上升,而电流却保持为常数。这是因为宇宙射线的数量是常数,因而出现近似恒流的情况。

继续调高电池电压,从 B 点开始,气隙中的空气开始局部电离,我们看到电流开始增加。当电压调高到 C 点后,气隙空气被击穿,Uc 叫做击穿电压,所对应的电流叫做击穿电流。

再往下,就是空气的辉光放电、弧光放电等等。这部分与题主主题无关,我们不讨论。

现在,我们设想一下,如果我们把电极放在密闭的瓶子内,瓶子接到抽真空机上抽真空,那么上述情况又会如何?

早在 1889 年,著名科学家巴申已经给出答案了,这就是巴申曲线,如下:

图中的横坐标是气压与电极间隙(开距)的乘积,纵坐标是击穿电压。

我们看到,击穿电压存在最小值。从最小值往左,我们看到随着气压越来越低,击穿电压越来越高;反之,从最小值往右,我们发现随着气压越来越高,击穿电压也越来越高。

这就是真空灭弧和高压灭弧的原理。

有了这些知识,我们就可以讨论题主的问题了。我们分两种情况来分析。

第一种情况,真空环境中的电阻

想象宇航员在空间站的外部,当他拿出万用表时,两表棒空置,等效于测量真空电阻,可以预料,万用表的显示值一定是无穷大。

为何?

我们都知道万用表内部有一块测量用 9V 电池,蓝表棒(黑表棒)端为正,红表棒端为负。这 9V 电池电压太低了,按上图图示,测量电路都不通,万用表如何有示值?

不要说真空环境,就算在我们生活的正常环境中,表棒空置后万用表的电阻档测量值也一定是无穷大。

结论是,在第一种情况下,真空电阻是无穷大的。

第二种情况,真空器件的电阻

典型代表就是真空断路器。

我们来看下图:

我们把电压加载在真空电极间隙的两端。由巴申曲线可知,尽管气压很低,但必定存在对应的击穿电压。

这是因为,电池电动势给两电极之间建立了电场。当电场强度足够高时,阴极金属中的自由电子在电场的驱动下,溢出了金属电极本体,并向阳极运动。当电子到达阳极时,会轰击阳极金属,使得阳极发热。

我们继续调高电压,轰击越加激烈,以至于金属发红,甚至熔化。熔化后的金属产生了金属蒸汽,并带上电荷后参与轰击电极。再往下,阴极成为轰击的重灾区,它也出现熔化现象,也产生金属蒸汽,并与电子一起轰击阳极。最后的结果是:真空被击穿,真空管内出现电弧。

别以为金属蒸汽的浓度有多大。这里的金属蒸汽的浓度非常低,完全不影响真空度,但这就足够了,足以让真空击穿。

金属蒸汽是真空器件中出现真空击穿和真空电弧的关键因素。

根据欧姆定律,电阻等于电压除以电流。所以上述现象的等效电阻在初始时刻很大,但随着金属蒸汽出现并发生真空击穿后,等效电阻很小。

结论是:在第二种情况下,一旦发生真空击穿,真空电阻很小。

相信,这第二种情况是题主不曾料到的。这第二种情况对于从事于供配电工作的电气人来说,是应知应会,属于常识的范畴。

可见,在技术领域还真是术有专攻。

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看了若干评论,感觉许多知友们对真空以及真空电弧十分陌生。我来简单介绍一下吧。

真空灭弧室是真空断路器的最重要部分,见帖子中的图。

真空,一般是指气体稀薄的空间。凡是气体压强低于一个大气压的状态都可以认为是真空状态。所谓绝对真空,则是指气体压强为零的状态。

真空程度用压强来表示。

对于真空灭弧室,它内部的压力值低于

,电极间隙中的气体分子非常少,每立方厘米空间中的气体分子数仅为标准大气压环境下的千万分之一。在这样稀薄的气体环境中,即使空间中存在电子,它从一个电极飞向另一个电极时,很少有机会与气体分子相撞。因此,高真空的绝缘性能比变压器油、六氟化硫和高压压缩空气要好很多。

前面已经说过,在真空环境下,真空击穿并不是电子与气体分子相撞造成的,而是金属蒸汽。

最严重的情况是触头分开时,由于触头表面存在微小的凸起,在触头即将分开瞬间,电流很大,使得这些凸起发热气化而产生金属蒸汽,从而给电弧提供了带电粒子。

带电粒子在电场的作用下运动,并撞击电极,引起二次电子发射,使得间隙中粒子束极大地增加,引起间隙击穿,同时出现真空电弧。

真空电弧一旦出现,就会引起高电流密度的阴极斑点。所谓阴极斑点,指的是电子和带电粒子主要轰击区域。阴极斑点的出现,更加加剧了金属的熔化和蒸发。

所以,维持真空电弧的是金属蒸汽而非气体分子。

至于题主所声称的真空电阻,其实就是真空电弧的电弧电压与电弧电流之比。

由于真空电弧的电压基本上为常数,而电弧电流则由外部电路决定,因此真空电弧的等效电阻阻值很小。一般来说,电弧电压大约为数十伏,而电流则可达数千安,因此电弧等效电阻仅为数十毫欧。

关于开关电器的真空灭弧原理,请看任何一本《电器学》或者《高压电器》等教材。

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