Если ток и напряжение между контактами при размыкании лежат выше предела дугообразования, между ними возникает дуга. Дуга размыкания уничтожает следы переноса металла, являющегося результатом образования мостиков, и резко меняет весь характер эрозии. При зазоре между контактами больше 10-5—10-4 см между контактами образуется слой плазмы из-за попадания в зазор паров металла и воздуха и ионизации их первичными электронами. В результате образуется дуга с катодным падением, вследствие чего катод бомбардируют положительные ионы, вызывающие испарение материала, а анод — медленные электроны. При этом происходит грубый перенос металла с катода на анод. В результате теоретического сравнения количеств испаряющегося материала катода в дуге и тлеющем разряде при одинаковой затрате энергии был сделан вывод, что оба процесса идентичны и что, следовательно, эрозия катода в маломощной дуге не определяется только термическими процессами на катоде. При расстоянии между контактами меньше пути свободного 'пробега электронов образуется «короткая дуга» с одним только катодным падением и настолько тонким слоем плазмы, что многие первичные электроны свободно проходят ее, разрыхляя анод. Металл переносится с анода на катод, образуя «тонкий» перенос металла. Таким образом, длинная, или «световая», дуга с катодным и анодным падениями и положительным столбом (плазмой), наблюдающаяся главным образом при размыкании контактов, вызывает эрозию катода, и грубый перенос, тогда как короткая дуга с одним катодным падением вызывает эрозию анода и тонкий перенос металла.
В отличие от чисто мостикового переноса, не зависящего от индуктивности, тонкий перенос, обусловленный короткой дугой, увеличивается с индуктивностью цепи (рис. 2-9).
Короткая дуга наблюдается как при размыкании, так и при замыкании контактов.
В последнем случае короткая дуга возникает вследствие пробоя контактного промежутка и автоэлектронной эмиссии с поверхности катода благодаря высокому градиенту поля в промежутке в момент, предшествующий непосредственному соприкосновению контактов.
При маломощных контактных дугах с падением напряжения, определяемым одним катодным падением Uн, величину которого для данных металла и среды можно считать постоянной, энергия, вызывающая испарение катода, будет равна:
(2-6)
Рис. 2-9. Схема эрозии контактов в зависимости от индуктивности цепи.
1 — мостики; 2 — короткая дуга; 3 — дуга с плазмой (Кейль, Мерль).
т. е. будет зависеть только от количества электричества Q. Отсюда следует линейная зависимость эрозии катода от количества электричества, протекающего в контактной дуге, которая подтверждается экспериментально. Надо подчеркнуть, что указанная зависимость тока наблюдалась лишь для маломощных дуг в контактах типа релейных.
На рис. 2-10 представлена зависимость величины эрозии от количества электричества для некоторых металлов. Как видно из диаграммы, эти зависимости представляют собой прямые, стремящиеся к пулю при Q=0, и могут быть выражены уравнением
(2-7)
Количество электричества в дуге не находится в прямой зависимости от разрываемого контактами тока, так как эта зависимость определяется временем горения дуги, характеристикой дуги и прочими факторами. Однако расчет количества электричества, протекающего в дуге, показывает, что зависимость его от тока в рассматриваемом диапазоне почти линейна.
Рис- 2-10. Зависимость эрозии катодов из разных металлов от количества электричества (в азоте) (Усов).
На рис. 2-11 показана зависимость величины эрозии от тока для ряда металлов. На основании этих экспериментальных данных можно констатировать, что до известного предела эрозия катодов возрастает линейно с током. Прямые, выражающие величину эрозии в зависимости от тока, не сходятся в точке начала координат при токе, равном нулю, а пересекают ось абсцисс при некоторых значениях тока. Эти величины соответствуют предельному току, ниже которого начинается область положительного переноса при отсутствии дуги, имеющего обратное направление.
При исследовании эрозии при больших токах (до 25 ка амплитудного значения [Л. 2-14]) были установлены два механизма эрозии: испарение и разбрызгивание материала контактов, причем последнее тем больше выражено, чем ниже температура плавления металла.
Если принять падение напряжения в дуге для всех материалов одинаковым и равным сумме анодного и катодного падений (около 25 в), то расчет количества испарившегося металла показывает хорошее совпадение с экспериментально найденными величинами (за вычетом потерь металла от разбрызгивания — рис. 2-12).
В пределах 3—25 ка установлена почти линейная зависимость величины эрозии от тока, как и при малых токах, если процесс не осложнялся разбрызгиванием металла.
Вследствие того, что процесс эрозии при мощных дугах обусловливается энергией, выделяемой у обоих электродов, можно принять, что эрозия зависит от суммы катодного и анодного падений. Принимая последнюю, как уже сказано, постоянной величиной, получаем линейную зависимость величины эрозии от количества электричества, протекающего в дуге.
Рис. 2-12. Объемные потери (на полупериод тока) у разных металлов в зависимости от среднего значения тока (Вильсон).
Сплошные линии — экспериментальные; пунктирные линии — вычисленные.
При больших импульсах тока почти вся энергия разряда идет на испарение металла, вследствие чего потери на 1 к от испарения оказались во много раз больше, чем при малых токах. В последнем случае значительная доля энергии успевает отводиться от центра эрозии путем теплопроводности.
В приложениях I, II и III приведены коэффициенты эрозии металлов для случаев размыкания небольших токов (в омической цепи) и замыкания в цепи с емкостью.
