1.5. Электрическая дуга как вид электрического разряда

Явление прохождения электрического тока через газы получи­ло на-звание газового разряда. Это явление зависит от рода и дав­ления газа; ма-териала, из которого изготовлены электроды; геометрии электродов и сое-диняющего их канала; протекающего тока. Широко известны и часто испо-льзуются в практике темный, тлеющий, коронный, искровой и дуговой разряды. Строгих границ между смеж­ными разрядами провести не удается, так как разряд из одного вида может переходить в другой без заметного внешнего воздействия.

Отличительной чертой газовых разрядов является перенос электричес-ких зарядов не только электронами, но и ионами. Следо­вательно, для про-текания электрического разряда в газе межэлектродного промежутка необ-ходимо наличие электрически заряженных частиц.

В зависимости от причин появления заряженных частиц различают не-самостоятельные и самостоятельные газовые разряды. Для несамостояте-льных газовых разрядов необходимо наличие постороннего источника за-ряженных частиц, при устранении которого разряд самопроизвольно пре-кращается. Так, например, вспомогательными источниками заряженных частиц при несамостоятельном газовом раз­ряде могут быть: рентгеновское излучение, подогреватель катода, ток высокой частоты и другие.

При самостоятельном газовом разряде никаких внешних воздей­ствий для образования заряженных частиц не требуется.

В зависимости от количества заряженных частиц и времени их сущест-вования газовые разряды могут быть устойчивыми и неустойчивыми (например, искровой разряд).

Анализ характеристик и особенностей дугового разряда позво­ляет сде-лать вывод, что электрическая дуга — это, как правило, устойчивый само-стоятельяый газовый разряд, отличающийся от других разрядов малым катодным падением напряжения (порядка 10 В вместо сотен при тлею-щем), большой плотностью тока (может достигать тысяч А/см²), высокой температурой в проводящем канале (при 1атм Т = 5000...50000 К), высокой концентрацией частиц в катодной области.

1.6. Особенности электрической проводимости твердых тел,

жидкостей и газов

Электрическим током принято называть упорядоченное движение эле-ктрических зарядов. В зависимости от состояния и состава вещества его электрическая проводимость может быть:

а) электронной — в металлах (твердых и жидких);

б) ионной — в жидкостях (например, в шлаках);

в) электронно-ионной — в газах.

(Проводимость — величина, обратная удельному сопротивлению).

В твердых проводниках электрическая проводимость пропорциона-льна числу свободных электронов и средней длине свободного пробе-га . (У различных веществ и различны). Формула проводимости име-ет вид

(1.1)

где е — заряд электрона, 1,602·10^-19 Кулон;

m_e — масса электрона, 0,91·10^-27 г;

— средняя квадратичная тепловая скорость электрона.

Жидкими проводниками электрического тока при сварке чаще всего служат расплавленные металлы и шлаки. Механизм протекания тока в жидких металлах и шлаках различен и поэтому их сопротивление изменя-ется по разным законам.

Перенос электрического заряда в жидких металлах осуществ­ляется свободными электронами таким же путем, как и в твердых металлических проводниках. Об этом свидетельствует тот факт, что на кривой электро-проводности отсутствует скачок в области темпе­ратур перехода металла из твердого состояния в жидкое.

Природа электрической проводимости шлаков весьма сложна. В ряде работ показано, что механизм протекания тока в шлаках за­висит прежде всего от его химического состава. С увеличением температуры электриче-ская проводимость шлаков увеличивается, чему способствует уменьшение вязкости шлаков и повышение подвижности электронов. В результате с ростом температуры жидких шлаков их удельное сопротивление снижа-ется, тогда как у твердых про­водников оно растет,

Важно отметить, что электрическая проводимость расплавленных сва-рочных флюсов сильно повышается с увеличением содержания фторидов (например, CaF₂, NaF, Na₃AlF₆), образующих легкоподвижные ионы, и сни-жается, если в составе имеются окислы, образующие малоподвижные ани-оны. Например, повышение содержания во флюсе ЖА-64 Si0₂ с 1,94% до 4,18% снижает при температуре 800 °C электрическую проводимость с 2,1 до 1,1 Ом ^-1см^-1 .

Электрическая проводимость шлака — весьма важная его технологи-ческая характеристика. Уменьшение ее ведет к увеличению выде­ляюще-гося в шлаке тепла, что, например, при электрошлаковой свар­ке повышает коэффициент расплавления электрода, определяющий про­изводительность процесса. Чрезмерное же увеличение электропровод­ности шлака при дуго-вой сварке ведет к увеличению тока шунтирова­ния, а иногда и к наруше-нию устойчивости дугового процесса, что не способствует получению высококачественного сварного соединения.

Газообразным проводником может служить плазма, находящаяся меж-ду электродами при дуговом разряде. Плазма — это газ, состоящий из эле-ктронов, ионов, атомов и молекул. В полностью ионизированной плазме нейтральные частицы отсутствуют. В плазме различают электронную тем-пературу и ионную температуру .

Представляют интерес два крайних случая электропроводности плазмы: полностью ионизированная плазма и слабо ионизированная плазма. В пер-вом случае все молекулы и атомы веществ, содержащих­ся в межэлектрод-ном пространстве, ионизированы, т. е. носителей тока много. Электропро-водность плазмы резко увеличивается, при­ближаясь к электропроводнос-ти твердого проводника. Например, водородная плазма при температуре 15·10⁶ К имеет такую же электропроводность, как и обыкновенная медь при комнатной температуре.

В слабо ионизированной плазме электропроводность мала из-за недо-статка носителей тока, в результате чего она в десятки тысяч раз меньше электропроводности меди.

Поскольку самостоятельность и устойчивость газового разряда зависят от количества электронов и ионов в газообразном проводнике, необходи-мо, сочетая различные факторы (материал электрода, состав флюсов и электродных покрытий, род защитного газа, род и полярность тока и т. п.), создавать такие условия, при которых электрическая проводимость плазмы была бы возможно большей.