2.11 Вплив неоднорідності катода на емісійні процеси

2.11.1 Плівкові і оксидні катоди

В загальному випадку поверхня катода як фізично, так і хімічно неоднорідна. На поверхні катода завжди присутні плівки. В залежності від природи плівок емісія може бути посилена чи зменшена.

Якщо на поверхні твердого тіла знаходиться шар з позитивними зарядами повернутими до повітря (рисунок 2.19, б), то утворюється допоміжне електричне поле. Це приводить до зменшення повної роботи виходу електрона і емісія зростає.

Якщо плівки переважно з електронегативних атомів, то утворюється шар з негативними зарядами повернутими до повітря (рисунок 2.19, а), робота виходу електрона підвищується і емісія зменшується.

а — негативний дипольний шар; б — позитивний дипольний шар

Рисунок 2.19 — Формування дипольних шарів на поверхні металу

— повна робота виходу електрона без адсорбованих шарів;

— повна робота виходу для шарів з електропозитивних атомів;

— повна робота виходу для шарів з електронегативних атомів

Рисунок 2.20 — Зміна повної роботи виходу електрона при

формуванні дипольних шарів на поверхні

металу

2.11.2 Емісійна плямистість

Інтенсивність емісії з поверхні твердого тіла нерівномірна. Для чистих металів це пов’язано з порушенням атомної будови поверхневого шару. Для металів покритих плівками весь емісійний струм протікає через ділянки, де робота виходу найменша (емісійна плямистість). Між окремими плямами встановлюється контактна різність потенціалів, з’являється локальне електричне поле, яке накладається на зовнішнє електричне поле і змінює вольт–амперну характеристику дугового розряду.

2.11.3 Емісія діелектричних шарів

Якщо природнім або штучним шляхом на поверхні металу створити діелектричну плівку товщиною порядку 10^–4 см, на поверхні якої утворюється позитивний електричний заряд (наприклад, при обробці алюмінію в парах цезію), то в середині плівки утворюється електричне поле з напруженістю 10⁶–10⁷ Всм^-1, що забезпечує вихід Шоткі–електронів і автоелектронну емісію.

2.11.4 Іонна емісія та поверхнева іонізація

В окремому випадку в плазмі дугового розряду можлива емісія іонів. Невелика емісія позитивних іонів з аноду має місце для чистих металів. Ця емісія збільшується, якщо в склад металу входять домішки (лужні метали). Можлива також емісія негативних іонів, коли емітер (електрод) покритий електролітом (солями металів, оксидними плівками з напівпровідниковими властивостями).

При зварюванні плавким електродом здійснюється інтенсивне випаровування електрода, такі дуги відносяться до дуг в парах металів. В цьому випадку атоми металу з пару адсорбуються на поверхні електрода, а через деякий час випаровуються в вигляді іонів — цей процес має назву поверхневої іонізація.

2.12 Перехідні області зварювальних дуг

2.12.1 Проблеми перехідних областей

Проблеми пов’язані з перехідними областями в зварювальній дузі можна розділити на дві групи:

1. Проблеми, пов’язані з механізмом емісії. Густина струму у дузі визначена експериментально: j 10⁶–10⁷ Асм^–2. Розглянуті механізми емісії, крім фотоемісії, підлягають розрахунку. Відповідно до розрахунків густина струму в дузі повинна бути менша ніж 10⁶–10⁷ Асм^–2. З цього був зроблений висновок, що незалежно від матеріалу електрода емісійний струм з катода є результатом комплексної емісії, тобто емісійний струм складається з термоелектронів, автоелектронів, вторинних електронів, та Шоткі–електронів.

2. Проблеми, пов’язані з вимірами в перехідних областях. Існує два метода вимірювання анодного і катодного падіння напруги.

Метод контакту і розмикання електродів. В час перед зіткненням електродів

, (2.49)

де U_д — напруга на дузі;

U_к — катодне падіння напруги;

U_а — анодне падіння напруги.

Проблема полягає в розділенні U_д на U_к і U_а.

Зондовий метод. Обертовий зонд із тугоплавкого металу вводять в катодну і анодну зони і визначають U_а і U_к з точністю до 1–2 В.

Проблеми: недовговічність зонда і низька точність цього методу.

Вимірювання густини струму. Густину струму ( j ) вимірюють:

а) по слідам які залишає розряд на поверхні електродів;

б) по ширині струмонесучого каналу дуги біля електрода.

Проблема полягає в тому, що не існує прямих методів вимірювання густини струму.

2.12.2 Катодна зона

В залежності від матеріалу електрода визначають дуги:

а) з неплавким (гарячим) катодом (W–дуги);

б) з плавким (холодним) катодом (Ме–дуги).

Дуги з неплавким катодом. Матеріал катоду: вольфрам (Т_плав = 3650 К, Т_кіп = 5645…6000 К) або вуглець (Т_возг = 4470 К).

W–дуги можуть існувати у двох видах: з катодною плямою і без катодної плями.

При порівняно невеликих струмах і інтенсивному охолодженні на катоді має місце пляма, стовп дуги біля катоду сильно стиснутий, а густина струму досягає 10⁵ Асм^-2. Значну роль відіграє автоелектронна емісія з плями. Такі катоди іноді називають термоелектростатичними.

Якщо поступово збільшувати струм, то дуга розширяється біля катоду і густина струму падає в 10–100 разів — майже до 10³ Асм^–2. Така дуга називається дугою без катодної плями або термоелектронною дугою. Значну роль відіграє термоелектронна емісія

Дуги з плавким катодом. Термін «дуга з холодним катодом» використовується для катодів з металів, для яких термоемісія незначна, наприклад залізо (Т_кіп = 3013 К), мідь (Т_кіп = 2870 К), ртуть (Т_кіп = 630 К).

Особливості Ме–дуги:

1. Дуги з катодною плямою.

2. Катодні плями постійно переміщуються по поверхні катоду. При цьому направлене переміщення катодних плям простежується у випадку, коли власне магнітне поле дуги однорідне. Плями переміщуються в магнітному полі паралельно поверхні катода, навпаки до правила Ампера. В інших випадках катодні плями переміщуються хаотично.

3. Основний вид емісії — автоелектронна. Катодна зона є основною — це тому, що вона поставляє в дуговий розряд основну масу електронів. Катодне падіння напруги більше ніж у W – дугах і становить як правило 10–20 В.

2.12.3 Анодна зона

За виключенням деяких випадків (наприклад, дуга Бека) анод не імітує позитивні іони. Анодне падіння напруги є результатом накопичення заряду в цій зоні і як правило дорівнює 2–3 В. Анодна зона не є постачальником зарядів в дуговий розряд, тому вона майже не впливає на процеси в плазмі дуги (в порівнянні з катодною зоною).

2.12.4 Баланс енергії в дузі

Дуга розглядається як квазірівноважна система, в яку вводиться енергія з трьох джерел тепла:

1) анодного (W_а);

2) катодного (W_к);

3) стовпа дуги (W_ст).

Баланс енергії має вигляд

, (2.50)

де U_д — падіння напруги на дузі;

U_ст — падіння напруги на стовпі дуги;

U_а — анодне падіння напруги;

U_к — катодне падіння напруги ;

або

, (2.51)

Точний баланс енергії на катоді

, (2.52)

де І — сума струмів (І _і + І _е);

W_кі — кінетична енергія іонів, що необхідна для переносу 1А

струму на катод;

W_pі — потенціальна енергія іонів, що необхідна для переносу 1А

струму на катод.

Енергія в катодній зоні витрачається на нагрів, розплавлення та випаровування матеріалу, а також на механічну дію.