Дуговые разряды

Электрической дугой называют установившийся (или почти уста­новившийся) разряд, который характеризуется низким катодным падением потенциала и высокой плотностью тока на катоде (j_к > 10  10² А/см²). Такие формы разряда известны с 1802 г. (Петров В.В.), но ряд особенностей не понятен и до сих пор. Не установилась еще даже обще­принятая классификация дуговых разрядов, которые делятся по типу като­дов и по давлению рабочего вещества. Так, по типу катода различают: а) подогревные; б) горячие; в) холодные; г) угольные; по давлению: а) низ­кого давления (р < 10^-3  1 атм); б) высокого (р ~ 1  5 атм); г) сверхвы­сокого (р > 10 атм). В дуговом разряде можно различить: 1) прикатодный слой — тонкий, падение напряжения порядка потенциала ионизации (быва­ет даже меньше) атомов газа; 2) положительный столб, состояние и пове­дение плазмы в котором определяется балансом энергии; (температуры ионов Т_i, и электронов Т_e в центральной части столба равны); в) анодный, тоже тонкий слой и тоже с малым падением напряжения на нем.

Дуги с подогревным катодом

Дуги с подогревным катодом это несамостоятельные разряды, ис­пользуются в основном как выпрямители, управляемые включением — выключением разрядного напряжения (газотроны) или изменением фазо­вого сдвига напряжений анода (или катода) и сетки (тиратроны). В дуге катодный слой только ускоряет электроны термоэмиссии настолько, что­бы они поддерживали нужную ионизацию газа. Образующаяся плазма как бы «приближает» анод к катоду, так что ограничение тока объемным заря­дом («закон 3/2» для вакуумного промежутка) в дуге нет. В результате при напряжении между анодом и катодом 10-20 В ток на порядки больше, чем был бы в вакууме.

Дуги с горячими катодами

Дуги с горячими катодами очень распространены. Они бывают от десятков миллиампер (лампы дневного света) до мегаампер (в электроли­тических ваннах для получения алюминия и магния). Прикатодная область горячего дугового разряда не проще прикатодной области тлеющего раз­ряда, да и изучена явно хуже. Ускоренные непосредственно вблизи ка­тода термоэмиссионные электроны в прикатодной области создают ион-электронные пары. Ионы ускоряются к катоду, на котором производятся 2 9 термоэмиссионных электронов на один ион. Производство электронов ионами на катоде через тепло (термоэмиссия) энергетически значительно выгоднее, чем прямая ион-электронная эмиссия (как в тлеющем разряде), но возможно только при большой плотности тока. Катодом обычно слу­жит или высокотемпературный металл (часто вольфрам) или расплав ме­талла (ванны при производстве Al, Mg). Несмотря на низкое падение по­тенциала, электрическое поле около катода в дуге большое, так как плазма поджимает прикатодный слой к поверхности катода. Так, для плотностей тока j ~ 10³ А/см² ток термоэмиссии возрастает за счет эффекта Шоттки в ~ 3 раза (Е_к~ 10⁶ В/см). Однако токи в 10⁸ А/см² объяснить термоэлек­тронной и автоэлектронной эмиссией катода невозможно, приходится де­лать предположения о взрывной эмиссии микроострий и о расплавлении поверхности катода и выбросе расплавленного металла в разрядный про­межуток с последующей его ионизацией.