Лекция 4. Физико-химические процессы в дуговом разряде.

План лекции. Определение дугового разряда и её основные зоны, статическая вольтампер-ная характеристика дуги. Ионизация газа, эмиссия электронов. Плазма дуги. Приэлектродные области дугового разряда, баланс энергии в приэлектродных областях. Магнитогидродина-мика и магнитное поле сварочной дуги.

Электрические разряды в газах. П рохождение электрического тока через ионизованные газы, возникновение и поддержание ионизованного состояния под действием электрического поля. Термин "разряд" возник от обозначения процесса разрядки конденсатора через цепь, включающую в себя газовый промежуток, что происходит, когда напряжение превышает порог пробоя промежутка. Существует множество видов электрических разрядов в газах  в зависимости от характера приложенного поля (постоянное электрическое поле, переменное, импульсное, ВЧ, СВЧ), от давления газа, формы и расположения электродов и т. п.

Разряды в постоянном поле. Законы прохождения электрического  тока через газы значительно сложнее, чем через металлы и электролиты; Их свойства описываютвольт-амперной характеристикой (BAX). Если в стеклянную трубку, наполненную каким - либо газом, ввести два электрода, подключённые к источнику пост, напряжения, то даже при небольшом напряжении (V <100 В) сверхчувствительный прибор зарегистрирует протекание очень слабого тока ~10^-15 А. Ток создаётся "вытягиванием" полем на электроды зарядов, образующихся под действием космических  лучей и естественнрй радиоактивности. Если облучать газ рентгеновским или радиоактивным источником, ток повысится до 10^-6 А. При повышении напряжения ток сначала возрастает, затем достигает насыщения (чему соответст-вует полное вытягивание всех зарядов, образуемых внеш. источником) -участок AB на рис. 4. 1.

Рисунок 4.1  Вольт-амперная характеристика газовых разрядов: AВ - несамостоятельный разряд; BC-тёмный таунсендовский; DE - нормальный тлеющий; EF -аномальный тлеющий; FG -переход в дугу; GH -дуговой; eЕ - нагрузочная прямая.  

Разряды и ток, которые существуют только при действии постороннего ионизующего агента или, например, благодаря электронной эмиссии, вызванной накаливанием катода, называются несамостоятельными. При некотором напряжении, зависящем от рода газа, давления r и расстояния между электродами d, происходит пробой и зажигается самостоятельный разряд, который не нуждается в постороннем источнике ионизации.

Классификация газовых разрядов. Среди стационарных самостоятельных разрядов в пост. поле наиболее важные и распространённые - тлеющий и дуговой. Они различаются механизмами катодной эмиссии, обеспечивающей возможность протекания постоянного тока, поскольку основными носителями тока являются электроны. В тлеющем и тёмном (таунсендовском) разрядах катод холодный. Электроны вырываются из него положительными ионами (и фотонами). В дуговом разряде катод разогревается сильным током и происходит термоэлектронная эмиссия. В резко неоднородных полях, усиленных около острий, проводов линий электропередачи, возникает коронный разряд, самостоятельный и слаботочный. Среди быстротечных сильноточных разрядов особенно важен искровой разряд. Он возникает обычно при р ~ 1 атм, d > 1 – 5 см и достаточно высоком напряжении, превышающем напряжение зажигания короны, если поле сильно неоднородное. Искровой пробой газа происходит в результате возникновения и быстрого развития тонкого плазменного канала от одного электрода к другому; затем получается как бы короткое замыкание цепи высокопроводящим искровым каналом. Одна из форм искрового разряда-молния. В коронном и искровом разрядах катодная эмиссия особой роли не играет.

Св а рочная дуг а, электрическая дуга, образующаяся в зоне сварки (или резки) при прохожде-нии электрического тока через газ между электродами.

                                                       Рисунок 4.2 Сварочная дуга

Сварочная дуга — наиболее развитая форма разряда в газах (д уговой разряд), характеризую-щаяся малым напряжением, большим током, наличием ионизации газов в дуговом промежутке

Ионизируемый газ столба дугового разряда ярко светится и имеет температуру 6000—10000 °С в осевой части столба разряда. Основной фактор ионизации — высокая температура, поддерживаемая притоком энергии из питающей цепи. Напряжение сварочной дуги, т. е. напряжение между электродами, существенно зависит от длины дуги, силы тока, материала и размера сварочных электродов, состава и давления газа и других факторов. Для управления свойствами изменяют длину дуги от 0,01 до 1 см, силу тока от 0,5 до 3000 а, давление газа от 10² до 10⁵ н / м ² (от 0,001 до 1 кгс/см ²), материал, форму и размеры одного из электродов, защищают зону горения газами, сжимают дугу и т. д. Тепловая мощность С. д. лежит в пределах от 10 до 10⁵ вт при концентрации от 10 ² до 10 ⁵ вт / см ².

Газовая среда становится проводником электрического тока только при определенных условиях: когда в газе имеются электрически заряженные частицы, т.е. когда газ ионизирован.

 Ионы могут быть положительными, если в электронных оболочках недостает одного или нескольких электронов, и отрицательными, если суммарный отрицательный заряд электронов превышает положительный заряд ядра. Наряду с ионами в ионизированном газе всегда имеются свободные электроны, несущие отрицательные заряды. Процесс образования ионов и электронов носит название ионизации газа.

Различают следующие виды ионизации газов:

1) ионизация соударением;

2) ионизация облучением (фотоионизация);

3) ионизация нагревом (тепловая, термическая ионизация).

Ионизация соударением заключается в том, что электроны, движущиеся с большой скоростью, встречаясь с нейтральными атомами газа, оказывают ударное воздействие и выбивают электроны, тем самым, ионизируя атом. Количество энергии, которое необходимо для отрыва электрона от ядра, называется работой ионизации (eU). Она измеряется в вольт-электронах. Вольт-электрон - это то количество энергии, которое приобретает электрон под действием разности потенциалов в 1 В. Один вольт- электрон равен 1.59*10"¹⁹ вт*сек. Для упрощения часто говорят, что работа ионизации измеряется в вольтах.

Работу ионизации, выраженную в вольтах, которую необходимо затратить для ионизации атома того или иного элемента, называют потенциалом ионизации.

Для того чтобы произошла ионизация соударением, ударяющий электрон должен обладать такой скоростью, при которой его кинетическая энергия равна или больше потребной работы ионизации:

                                                        eU = mv²/2.

 Ионизация облучением (фотоионизация) заключается в том, что кванты лучистой энергии могут ионизировать атомы:

                                                         hy = eU

где h - постоянная Планка (6,62 * 10" эрг * сек);

 у - частота колебаний.

Сущность ионизации нагревом (термической ионизации) состоит в том, что при нагреве газов растет число соударений и скорость электронов с возможным образованием ионов

Для осуществления термической ионизации всех частиц газа, заключенных в данном объеме, нужен очень высокий нагрев (дпя 100% ионизации азота необходима температура 113 000° К). При меньшей температуре произойдет частичная ионизация, характеризуемая степенью ионизации.

Для возбуждения дуги и поддержания ее горения необходим мощный поток электронов, который мог бы обеспечить ионизацию. Поток электронов может быть получен за счет термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии, а также при бомбардировке катода движущимися частицами.

Сущность процесса термоэлектронной эмиссии состоит в том, что от поверхности раскаленного тела могут «отрываться» те электроны, которые обладают кинетической энергией, достаточной для того, чтобы преодолеть силы электростатического притяжения.

   Приэлектродные области. Интенсивная эмиссия электронов происходит с части торца катода, называемой катодным пятном. Плотность тока на катодном пятне около 7200 А/см. Вылетевшие из катодного пятна электроны под действием электрического поля приобретают скорости, достаточные для осуществления ионизации. Свободный полет электронов составляет величину порядка 10"⁵ см. Такая же протяженность катодной области. Ионы под действием электрического поля устремляются к катоду и, ударяясь об него, отдают ему свою энергию, поддерживая тем самым высокую температуру последнего.

Таким образом, в прикатодной области движутся два потока: электронов и ионов. Так как масса ионов во много раз больше массы электронов, то ионы значительно медленнее, чем электроны, движутся в прикатодной области. Следовательно, в прикатодной области имеет место избыток ионов, которые создают положительный объемный заряд, искажающий электрическое поле. Поэтому в прикатодной области наблюдается значительно больший градиент потенциал а.

        В прианодной области имеется только электронный ток, потому что анод «отсасывает» из плазмы дуги электроны. Так как анод может отсасывать количество электронов, отличающиеся от того, которое может дать столб дуги, то в прианодной области также может возникнуть объемный заряд, который изменит напряженность электрического поля и создаст дополнительно падение напряжения.

  Если анод отбирает электронов больше, чем может дать столб дуги, то прианодная область обедняется электронами и в ней образуется избыточный положительный объемный заряд, увеличивающий общее напряжение на дуге. Если же анодная область отбирает электронов меньше, чем поступает из столба, то в этой области создается некоторый избыток электронов, т.е. избыточный отрицательный объемный заряд.

Падение напряжения на участке металлического проводника подчиняется закону Ома и может быть представлено в виде прямой. Падение напряжения в дуге на различных ее участках неодинаково. Возникновение объемных зарядов в прикатодной и прианодной областях создает в них повышенный градиент потенциала. На рисунке 4.3 представлено распределение падения напряжения в дуге.

Рисунок 4.3. Строение электрической дуги и распределение напряжения в ней:

 1 - катодная область, 2 - столб дуги, 3 - анодная область

В прикатодной области на длине около 10"⁵ см сосредоточена значительная часть напряжения дуги, называемая катодным падением напряжения (U_k).В прианодной области сосредоточено анодное падение напряжения (U_a).

Таким образом, напряжение дуги может быть представлено как сумма трех составляющих:

                                                     U_д = U_к + U_c + U_a.