Строение катодной области. Дуги с холодным и горячим катодами

Катодная область играет определяющую роль в дуговом разряде. Здесь обеспечивается непрерывность прохождения электрического тока из относительно холодного материала катода в плазму столба дуги за счет эмиссионных процессов. Процесс эмиссии электронов с поверхности эмиттера представляется как преодоление потенциального барьера высотой φ (работа выхода электрона). Условие эмиссии

m_e V²/2 > φ,

где m_e V²/2 – кинетическая энергия электрона, приобретенная в результате внешнего воздействия.

Основные типы электронной эмиссии:

1. Термоэлектронная – под действием высокой температуры.

2. Автоэлектронная – под действием электрического поля.

3. Фотоэлектронная – под действием электрического поля.

4. Вторичная – при бомбардировке тяжелыми ионами.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии j_Т определяется уравнением Ричардсона-Дешмена

где А – эмиссионная постоянная;

Т– абсолютная температура;

k – постоянная Больцмана.

Наложение электрического поля напряженностью Е уменьшает потенциальный барьер и увеличивает плотность тока эмиссии j (эффект Шоттки)

lg j = lg j_T + B E^1/2 /T;

где В – константа.

В зависимости от материала катода сварочные дуги разделяются на два основных типа

1. С неплавящимся (горячим) катодом (вольфрамовым, угольным).

2. С плавящимся (холодным) катодом (Ме- дуги).

В первом случае благодаря высокой температуре плавления электрод разогревается до температуры, при которой преобладает термоэлектронная эмиссия. Введение в материал горячего катода активирующих добавок (лантана, тория) способствует созданию пленочных катодов с пониженным значением φ.

Термин «дуга с холодным катодом» применим к катодам из металлов, для которых даже при температуре кипения термоэлектронная эмиссия незначительна и основной вклад в проводимость вносят Шоттки-электроны. Металл катода интенсивно испаряется, что позволяет отнести эти дуги к дуга в парах.

Наиболее простая модель катодной области состоит из двух зон.

 

 

Зона I (прикатодная зона) меньше длины свободного пробега электрона. В ней осуществляется ускорение ионов, поступающих из плазмы столба дуги. За счет малой подвижности ионов и высокой доли ионного тока j_i возникает избыточный пространственный положительный заряд, ведущий к скачку потенциала у катода. Наличие скачка потенциала ведет к следующим явлениям:

1. В зоне I ускоряются ионы, которые бомбардируют поверхность катода, обеспечивая эмиссию электронов.

2. Создается электрическое поле, обеспечивающее эффект Шоттки.

3. Ускоряются эмитированные ионы.

4. Создается барьер для электронов из столба дуги.

Зона II (зона ионизации) является переходной. В ней начинает выполняться условие квазинейтральности и происходит генерация заряженных частиц за счет энергии, полученной электронами в зоне I. Доля ионного тока падает, а электронного – увеличивается, причем суммарный ток остается постоянным. Напряженность электрического поля Е уменьшается, достигая на границе зоны ионизации градиента потенциала в столбе дуги b.

Анодная область

IV III II I

je

Анод

Согласно современным представлениям, анодная область состоит из четырех зон.

 

 

Зона I – пограничная со столбом;

Зона II – переходная;

Зона III – ускоряющая;

Зона IV – ионизационная.

Эти зоны отличаются поведением ионов и электронов. В зоне I напряженность электрического поля начинает возрастать от низкого значения, равного градиенту потенциала в столбе дуги b. Здесь начинается переход от дрейфового движения электронов в плазме столба дуги к направленному под действием электрического поля.

В зонах II и III электроны ускоряются электрическим полем и в конце ускоряющей зоны III приобретают энергию, достаточную для ионизации.

В зоне IV происходит образование ионов и электронов. Образовавшиеся за счет соударений и действия поля ионы движутся к столбу дуги. В зоне III ионы движутся без столкновений, а в зоне II – испытывают столкновения с нейтральными атомами. Упорядоченное движение ионов переходит в тепловое движение, соответствующее температуре плазмы.

Считается, что анод не эмитирует положительных ионов. Вблизи анода оказывается избыток отрицательных зарядов и возникает анодное падение напряжения. Если анод способен эмитировать положительные ионы (угольный анод с присадкой щелочных металлов), то величина анодного падения уменьшается.

Схема трех источников

Рассмотрим дугу как совокупность самостоятельно действующих источников теплоты в столбе дуги и катодной и анодной областях.

Общая электрическая мощность, затрачиваемая источником питания на поддержание дуги, представляется как сумма трех источников

IUд = IUк + IUа + IUс = Wk +Wa + Wc.

На катоде мощность Wk расходуется на нагрев катода и эмиссию электронов, приобретающих кинетическую энергию Wэ.

Тепловая мощность, выделяемая на катоде

Рк = Wk – Wэ.

На аноде электроны бомбардируют анод и отдают кинетическую энергию, приобретенную на катоде

Ра = Wa + Wэ.

Рк и Ра расходуются на нагрев соответственно катода и анода, причем анод нагревается всегда интенсивней. Это учитывается при выборе схемы подключения источника питания.

Прямая полярность (катод – электрод, анод – изделие) применяется при сварке неплавящимся электродом, когда стремятся к минимальному разогреву электрода для уменьшения его эрозии.

Обратная полярность (катод – изделие, анод – электрод) применяется при сварке плавящимся электродом, когда стремятся к достижению максимальной производительности расплавления электродного материала.

В столбе дуги мощность в основном расходуется в виде безвозвратных потерь на излучение теплопроводность и конвекцию.