论文速读：滑动弧的平衡与非平衡

滑动弧由于其较为宽广的能量输出和空间作用范围，近年来在气体裂解、转化等领域得到了很多的研究，但是对于滑动弧本质的研究进展相对较慢，目前对于滑动弧的数值计算研究工作极少，因为他是一种三维放电，且产生、发展和熄灭过程兼具平衡和非平衡特性。

平衡和非平衡滑动弧对于气体的作用机理完全不同，前者主要是气体加热分解，而后者电子碰撞反应与一系列后续反应扮演重要的角色。本期速读经典文献《Plasma Chemistry》，札记其中有关滑动弧平衡与非平衡相关论述的章节。

[1] Fridman, A. (2008). Plasma Chemistry. Cambridge: Cambridge University Press. 

滑动弧基本发展过程

滑动电弧是发生在两个发散电极之间的一种运动的放电状态。气流从电极间隙最窄处吹入电极间。当在电极上施加电压至阈值时，在裸电极间隙最窄处发生击穿，形成电弧。

在气流推动作用下，电弧快速向出口处移动（如上图所示），电弧随极间距离的增加而增大。当达到极限长度时，电弧熄灭，这时在电极间隙最窄处再次击穿并形成新的电弧，开始新的周期。

滑动弧的平衡与非平衡

滑动弧发展中既有平衡过程，又有非平衡过程，很难用一种统一的模型去描述所有的性质（《论文速读（四）：大气压滑动弧数值模拟》）。滑动弧的电路结构可以用下图表示：

• 在电极最近处，气隙击穿约1微秒后即形成了准平衡态的电弧，随着电弧逐渐拉长，电压增加，放电功率增加直到达到电源输出极限，电流达到极值I=V0/R。在准平衡阶段，滑动弧的温度约为稳定的3000K。

• 当滑动弧达到临界长度时，滑动弧由准平衡向非平衡态转变：热量损失开始大于电源能量注入，滑动弧的温度迅速衰减为1000-2000K，但是电导率不变（电子温度依然很高）。

• 平衡与非平衡电弧的一个重要区别是：平衡电弧是稳定的——电弧中微小的温升会引起电导率增加和电场减小（j=σE=const）和功率减小，从而导致温度下降；而非平衡电弧是不稳定的——微小的温升会引起气体密度的减小从而引起约化电场E/N和电离率增加，继而电导率和加热功率增加使等离子体继续被加热，引发不稳定状态。

• 当电弧中的电导率主要由气体温度决定时，滑动弧处于平衡态；当电导率主要由电场决定时，滑动弧处于非平衡态。
  

那么问题来了：有无能够从实验观测数据出发的，定量的判据来判定滑动弧的状态，从而辅助分析放电机理，或决定使用哪一种计算模型呢？

滑动弧的平衡/非平衡判据

我们引入一个量ω来表示单位长度电弧放电功率，即ω=EI（或者电压电流乘积除以电弧长度）。在平衡阶段，ω可以认为是常数。根据欧姆定律：

上式中，V0是电源开路电压，R为限流电阻，I为电流。根据欧姆定律，滑动弧电路中的电流可以写为长度l的函数：

上式有一个±号，+号对应稳定电弧放电，而为-号时，电流I<V0/2R，放电不再稳定。在准平衡阶段，电流随着电压的上升稍有下降，而功率几乎与电弧长度线性相关。我们令上式平方根为0，即可得到电弧准平衡-非平衡状态临界条件：

也就是说，当滑动弧的长度高于lcrit时，滑动弧从平衡转为非平衡态，此时：等离子体电阻与外电阻大小相同，电流达到其最小稳定值I=V0/2R（初始电流的一半），等离子体电压、电场和总功率达到峰值：

至此，我们获得了由实验参数直接判定滑动弧平衡/非平衡状态的解析公式。分析滑动弧特性与其与气体作用的机理，需要根据其所处的具体状态来加以研究；对滑动弧的数值计算，也可以针对平衡与非平衡状态分别模拟，减少计算复杂度，便于直指核心目的。

最后一个小问题：如果在电极周围套上磁铁，那么可以形成一种看起来很炫酷的旋转滑动电弧（如上图）。那么这种电弧到底是处于非平衡还是平衡态呢，哪种状态更适合用于滑动弧气体处理应用呢？

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