等离子体电弧放电分析

图1：物质的四种状态

物质通常分为固体、液体和气体，但如果继续对气体加热，就有可能产生等离子体。

因此，等离子体常被称为物质的“第四种状态”。

等离子体是物质发生电离后的状态。电离是指分子或原子分裂成电子和离子的现象。

当粒子之间（离子、电子、原子）相互碰撞时，就会产生等离子体。

在什么样的环境下会产生等离子体呢？

等离子体主要产生于太阳等超高温区域，或者在气体上施加高电压时。

这次我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体分析软件）来分析等离子体放电。

正如前面所说明的那样，当电中性的气体发生电离并变成含有大量自由电子和离子的状态时，这种状态就称为等离子体。

也就是说，等离子体可以看作是“更容易导电的高能气体状态”。

图2：等离子体中电弧放电的概念图

什么是电弧放电

通常，空气等气体是不易导电的绝缘体。

但是，当电极之间施加足够高的电压时，气体分子会发生电离并分裂成电子和离子。

此时气体具有导电性，电流开始流动。这就是放电的开始。

电弧放电的发生过程

- 1. 施加高电压：电极之间会形成强电场。
  2. 初始电子被加速：气体中少量存在的自由电子会在电场中被加速。
  3. 发生碰撞电离：被加速的电子与气体分子碰撞，进一步产生电子和离子。随着这一过程连锁式增加，电极之间会形成导电通路。
  4. 电流急剧增加并伴随发光和升温：当大电流流过时，放电通道的温度会变得非常高，气体会转变为强烈电离的等离子体状态。这种高温、高亮度的放电就是电弧放电。

下面我们使用 PIC PLASMA 3D 来模拟电弧放电。

分析模型如下所示。

分析模型

图3：电弧放电分析模型

我们构建了如上所示的电弧放电分析模型，并对电子轨迹与大气（中性粒子）碰撞所引起的等离子体生成过程进行了模拟。

另外，等离子体的产生机理如下所示。

图4：等离子体的生成过程

分析条件

分析条件如下。

这些初始条件也可以在软件（PIC-PLASMA 3D）中进行设置。

下图显示了本次在 PIC-PLASMA 3D 中输入分析条件的界面。

图5：PIC-PLASMA 3D中的分析条件设置

图6：电极间电子的分析结果

图7：电子与气体的碰撞位置

以上资料是实际使用 PIC-PLASMA3D 计算得到的真实分析结果。

图6以动画形式可视化了等离子体中电子的行为。

图7显示了电子与氧气相互作用而产生的氧离子。

另外，由于本次使用的 CAD 模型是简化创建的，因此电极电压及其他条件设置也进行了简化。

此外，PIC-PLASMA 3D 除了上述计算结果外，还可以输出各种数据。

※以上仅为示例。欢迎在等离子体产品开发中积极使用 PIC-PLASMA 3D。