1.9. Приэлектродные области дугового разряда

Приэлектродные области дугового разряда — анодная и катодная —являются переходными зонами между твердыми (или жидкими) поверх-ностями электродов и плазмой дугового разряда (столбом ду­ги). Особен-ности физических процессов, протекающих в приэлектродных областях, во многом определяют не только электрические, но и технологические харак-теристики дугового разряда. Рассмотрим структуру дугового разряда по-стоянного тока прямой полярности и изменение напряжения по его длине, представленные на рис. 6.

Общее напряжение на дуговом разряде равно

(1.24)

где U_a — падение напряжения в анодной области; U_к — падение напря-жения в катодной области; U_c — падение напряжения в столбе дуги.

Рис. 6. Структура дугового разряда (а) и распределение

напряжения по его длине (б)

Из графика (рис. 6,б) можно установить неравномерность рас­преде-ления напряжения по длине дугового разряда. Эта неравномерность связа-на с различием физических процессов, протекающих в различных зонах дугового разряда (электрической сварочной дуги). Рассмотрим эти про-цессы.

1.9.1. Катодная область

При выходе с поверхности катода электрон направляется к аноду. На пути свободного пробега (примерно 10^-5 см) он ускоряется электрическим полем и к концу пробега может накопить энергию, достаточную для ио-низации.

На границе катодной области и столба дуги (рис. б) электрон сталкива-ется с нейтральной частицей и при условии происходит иониза-ция. В результате в катодной области навстречу друг другу движутся два потока заряженных частиц: поток электронов и поток положительных ио-нов. Ионы движутся медленнее, поэто­му в катодной области их будет больше, чем электронов, и катодная область приобретет объемный поло-жительный заряд. При попадании на катод ион либо тормозится, либо отражается от его поверхности. В случае торможения в месте удара иона о ка­тод выделяется кинетическая энергия в виде теплоты. При нейтрали­за-ции иона выделяется потенциальная энергия. Измерив ток дуги и катодное падение напряжения, мощность, выделяемую на катоде пото­ком положи-тельных ионов, можно определить по формуле

(1.25)

где I_д — ток дуги, А;

U_к — катодное падение напряжения, В.

Катодное падение напряжения металлических дуг обычно больше, чем вольфрамовых. Оно соизмеримо с потенциалом ионизации паров ме-талла электрода и в среднем составляет около 10 В.

1.9.2. Анодная область

В обычных дугах анод не эмитирует положительных ионов, поэтому анодный ток является чисто электронным. Вблизи анода созда­ется избыток электронов, а вся анодная область приобретает объем­ный отрицательный заряд. На аноде электроны отдают не всю кинетическую энергию, а только ее часть, так как продолжают двигаться в металле, но уже с меньшей ско-ростью. Кроме того, на аноде выделяется потенциальная энергия, получен-ная электроном при его вырывании с поверхнос­ти катода или при образо-вании положительных ионов в процессе ионизации газа. Зная ток дуги и измерив анодное падение напряжения, мощность, выделенную потоком электронов на аноде, можно определить по формуле

(1.26)

где — анодное падение напряжения, В.

В большинстве случаев анодное падение напряжения меньше, чем ка-тодное. Его величина не зависит от тока, материала анода, состава атмос-феры дугового разряда и для металлических дуг составляет (2,5 ± 0,5) В.

Влияние анодной области на параметры дугового разряда несравненно меньшее, чем катода и катодной области. Вследствие различия процессов, протекающих на аноде и катоде, активные пят­на получают различное ко-личество теплоты и нагреваются до разных температур.

Катодное и анодное падение напряжений связано с эмиссией электро-нов и ионизацией газов и зависит от материала электродов и состава газо-вой среды, но не зависит от длины дуги. Для задан­ных электродов и газо-вой среды суммарное падение напряжений на аноде и катоде — величина постоянная.

(1.27)