Теория коммутации токов в вакууме
Если размыкаются контакты, несущие ток, между ними возникает электрическая дуга, которая поддерживает высокую проводимость межконтактного промежутка и позволяет току протекать между контактами, как будто они остались замкнутыми. Это вызывает подогрева среды межконтактного промежутка до довольно высокой температуры для диссоциации (разложения) ее молекул и ионизации промежутка.
Существование электрической дуги характеризуется квазиравновесным состоянием, при котором напряжение дуги саморегулируется на уровне, достаточном для поддержания проводимости образующейся плазмы, а диаметр столба дуги сжимается или расширяется в зависимости от изменения величины протекающего тока. Выделяющаяся при этом энергия отдается в окружающую среду посредством теплопроводности, конвекции и излучения. Этот энергетический баланс должен быть разрушен, если необходимо подавить дугу и прервать протекание тока. При достижении током естественного нуля приток энергии из сети прекращается, если в этот момент интенсивно охлаждать межконтактный промежуток, то можно погасить дугу, нарушить проводимость промежутка и восстановить его электропрочность, тем самым, осуществив отключение.
Охлаждение должно быть очень быстрым, чтобы скорость подавления остаточной дуги и восстановления электропрочности промежутка превышала скорость роста переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Если контакты, несущие ток размыкаются в вакууме, весь ток устремляется к последней оставшейся точке контакта, вызывая интенсивный местный нагрев в этой точке. При дальнейшем разведении контактов формируется мостик из расплавленного металла, который, вследствие огромной плотности тока в нем, мгновенно разогревается и взрывается, создавая дугу в среде ионизированных металлических паров, образовавшихся в результате взрыва. Ионизированный металлический пар является хорошим проводником тока, и в межэлектродном промежутке начинается устойчивый дуговой разряд. Таким образом, вакуумная дуга представляет собой, на самом деле, дугу в среде металлического пара. Носители тока попадают в межэлектродный промежуток с катода через множественные точечные источники тока, называемые катодными пятнами.
Через каждое пятно протекает ток 60-100 ампер, что при размерах катодного пятна от нескольких микрон до нескольких десятков микрон создает плотность тока до ста миллионов ампер на квадратный сантиметр. Огромная плотность тока разогревает металл электрода в катодных пятнах, он кипит и испаряется, давление в этих точках достигает десятков атмосфер, а температура - нескольких тысяч градусов. При таких температурах и давлениях из катодных пятен истекают сверхзвуковые струи плотной, сильно ионизированной плазмы, через которую и замыкается ток на анод. При наблюдении за катодными пятнами кажется, что они находятся в непрерывном хаотическом движении по поверхности катода. На самом деле эффект движения пятен создается из-за непрерывного процесса исчезновения (отмирания) одних пятен и возникновения других. Каждое пятно имеет ограниченное «время жизни», новые пятна рождаются в месте отмирания «старого» пятна, зачастую новые пятна появляются путем деления уже существующего на два и более пятен. Количество пятен, существующих на катоде в определенный момент времени, определяется амплитудой тока дуги и материалом катода. Так, например, каждое пятно на медном электроде несет ток порядка 100А. Таким образом, дуга, образуемая на медном электроде током 1000А создаст примерно 10 катодных пятен.
Если рассматривать полупериод переменного тока, то можно заметить, что одновременно с ростом уровня тока будет расти и количество катодных пятен, затем, по мере уменьшения тока, количество пятен будет уменьшаться до тех пор, пока непосредственно перед естественным переходом тока через ноль не останется только одно пятно. При достижении током предельной минимальной величины, которая называется током среза и зависит, в основном, от материала катода, последнее катодное пятно прекращает свое существование, при этом ток через межэлектродный промежуток практически перестает течь, а пары металла конденсируются на электродах за время около 10 микросекунд. После исчезновения тока на разведенных электродах начинает восстанавливаться напряжение сети, этот процесс занимает примерно 50-60 микросекунд, то есть, к моменту восстановления напряжения носители заряда в межэлектродном промежутке отсутствуют, и он полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства.
Наличие катодных пятен жизненно необходимо для существования вакуумной дуги, поскольку они являются источником плазмы, без которой дуга не живет. Анод, в отличие от катода, ведет себя как положительный зонд, вытягивающий из плазмы значительный ток, необходимый для удовлетворения потребностей внешней цепи. Межэлектродная плазма обеспечивает проводящую среду, необходимую для переноса тока от катода к аноду. При дальнейшем увеличении тока в дуге, плазма, вместо того, чтобы равномерно омывать анод, как было описано ранее, фокусируется на небольшой области этого электрода. Это анодное пятно, обычно находящееся на остром краю контакта и пребывающее в расплавленном состоянии, обычно играет ключевую роль в пробое промежутка при попытке восстановления напряжения. Катодные пятна, при этом, имеют тенденцию к группированию, а сама дуга принимает вид яркосветящегося жгута. Дуга вызывает большую эрозию обоих электродов, которая в количественном отношении зависит от амплитуды тока и длительности его протекания.