Дуги с холодными катодами

Дуги с холодными катодами — это по существу дуги с локальными термо­эмиттерами: на катоде образуются токовые пятна, при чем плотность тока должна быть больше критической (для данного металла), иначе дуга гас­нет. Это объясняется необходимостью концентрации энергии для получе­ния электронов с катода. Плотности тока очень большие (у меди до 10⁸ А/см²!), данные опытов сильно различаются, а теоретического описания нет. Пятна хаотически бегают по катоду, попытки упорядочить их дви­жения пока не дали результата. С 1903 г. известно, что если пятно помес­тить в магнитное поле Н, перпендикулярное току j, то пятно побежит навстречу (!) вектору j х Н ... Объяснения до сих пор нет.

Нет полного понимания и механизмов электронной эмиссии: если для средних значений плотности тока (j ~ 10⁶ А/см²), расчетное поле Е ~ 10⁷ В/см (у самого катода) — теория и эксперимент примерно совпадают, то ни для малых, ни для самых больших значений j необходимые для обеспечения соответствующей автоэлектронной эмиссии значения Е ока­зываются неправдоподобно большими. Иногда пятна останавливаются (бывает надолго), в таком месте идет сильная эрозия (до дыр и прекраще­ния разряда). Широко применяются катоды из ртути в выпрямителях — игнитронах. При падении напряжения ниже потенциала зажигания разряд должен погаснуть (нет тепловой «инерции» горячих катодов), его надо поджигать. Для этого вводят специальный дополнительный анод-«игнайтор», напряжение на который подают с нужным сдвигом по фазе. Каждый соответствующий полупериод в соответствующем игнитроне соз­даются «затравочные» пары ртути, инициирующие разряд. По терминоло­гии [33] игнитрон, пожалуй, надо отнести к «вакуумным дугам» — без па­ров металла катода разряд не горит. «Вакуумные» дуги горят всегда с уча­стием паров материала катода и имеют возрастающую вольт-амперную характеристику (ВАХ) (обычно ВАХ падающая).

Положительный столб дугового разряда

Положительный столб дугового разряда сильно зависит от рода газа, давления, силы тока. При малых давлениях (р < 0.1 атм) и силе тока (I ~ 1А) столб неравновесен (Т_e > Т_i) и сильно напоминает контрагированный шнур тлеющего разряда. Плазма паров металла, молекулярных газов, при давлении р > 1 атм всегда равновесна, характерное распределение (по радиусу столба) температуры и проводимости представлено на рис. 8.7. Т

Рис. 8.7. Схематические распределения Т и проводимости  по радиусу столба дуги штриховая линия — замена  (r) ступенькой в каналовой модели

При обычном распределении тока температура будет иметь колоколообразную форму, равномерно уменьшаясь от T~(1012)*10³ К в центре до температуры стенки. Плотность электронов по радиусу спадает очень быстро — в равновесной плазме n_e ~ ехр(-r/r₀) (а с ней и проводимость ( ~ n_e)), так что токопроводящий канал сосредоточен у оси. На радиусе, большем r₀ (рис. 8.7), проводимостью плазмы можно пренебречь.

Однако связать количественно ток I, радиусы r₀ и R, мощность w удалось Штенбеку, только введя принцип минимума мощности «min w». При заданном токе I и радиусе R устанавливается r₀ такое, чтобы выде­ляющаяся в разряде мощность была минимальной (позже доказали, что принцип «min w» справедлив не всегда, но в дуге справедлив). Существен­но, что максимальная температура Т_к (см. рис.8.7) весьма слабо за­висит от охлаждения дуги (важен только теплоотвод от катода) и растет с вкладываемой мощностью несколько медленнее, чем корень квадратный из мощности. При высоком давлении (р > 10 атм) и высокой температуре (Т > 12000 К) очень существенным оказывается охлаждение излучением, оно уносит до 90% мощности. В последние годы высокий световой КПД дуг высокого давления широко используют для освещения дорог.