1.8. Общие законы образования заряженных частиц в газе

В электрической дуге имеются три вида заряженных частиц: электро-ны, положительные и отрицательные ионы.

Положительные ионы легко образуются щелочными и щелочнозе­мель-ными элементами и улучшают условия горения дуги. Отрицатель­ные ионы образуются галогенами и ухудшают условия горения дуги. Наиболее рас-пространенным галогеном, применяемым в производстве электродных по-крытий и флюсов, является плавиковый шпат (флюорит, фтористый кальций, плавень), который вводится в состав покрытий и флюсов из ме-тал­лургических соображений.

Так как ионы образуются при отдаче или присоединении элект­рона, то заряд иона всегда кратен заряду электрона и поэтому за­ряд электрона мо-жет служить единицей заряда иона. Ионы могут быть одно-, двух- и мно-гократно заряженными. Электрически заряженные частицы в дуговом раз-ряде могут воз­никать за счет эмиссии электронов и ионизации газов.

1.8.1. Ионизация газов

Под ионизацией понимают образование заряженных частиц из нейтра-льных в газовой среде. Обратный процесс называется рекомбинацией. При ионизации работа затрачивается, при рекомбинации — выделяется. Для каждого элемента работа ионизации (рекомбинации) постоянна и для боль-шинства элементов она известна.

Если к нейтральной частице подводится энергия, недостаточная для ио-низации, то возможно явление, которое называется возбуждением. Смысл явления заключается в том, что валентный элект­рон переходит с одного уровня на другой — более удаленную от яд­ра орбиту. При этом затрачи-вается работа возбуждения. Само состоя­ние возбуждения неустойчивое и через некоторое время электроны самопроизвольно возвращаются на прежние орбиты. При этом ранее затраченная на возбуждение энергия вы-деляется.

Если к возбужденной частице подвести еще некоторую порцию энер-гии, то может произойти ионизация. Такая ионизация называ­ется ступен-чатой. При возбуждении и ионизации запас потенциаль­ной энергии части-цы изменяется. Сумма работ, затраченных на возбуждение и последую-щую ионизацию возбужденной частицы, равна работе ионизации. Работа ионизации исчисляется в электрон-вольтах и определяется по формуле

   _(1.4)

где e — заряд электрона;

U_i — потенциал ионизации, В.

Если заряд электрона принять за единичный, то работа иони­зации будет численно равна потенциалу ионизации.

 _(1.5)

По аналогии с предыдущим можно сделать вывод, что работа возбуждения численно равна потенциалу возбуждения

(1.6)

Минимальными значениями работ возбуждения и ионизации обладают щелочные и щелочноземельные элементы. Отсюда становится ясным, по-чему в электродные покрытия и флюсы добавляют карбона­ты кальция (мел, мрамор). Пары кальция ионизируются значительно легче, чем кисло-род, водород, азот и даже железо. Примерами влияния щелочных эле-ментов на устойчивость дугового разряда мо­гут быть следующие.

I. Электроды с покрытием марки УОНИ-13, содержащие CaF₂ более 50% по составу покрытия, не обеспечивают устойчивого дугового разряда на переменном токе. Для повышения его устойчивости применяют осцил-ляторы или другие возбудители. Если же в состав покрытия дополнитель-но ввести 3Ð4% поташа (К₂С0₃), дуговой разряд устойчив без применения осциллятора.

2. Если в производстве электродных покрытий или флюсов приме­няется натриевое жидкое стекло, то дуговой разряд неустойчив на переменном то-ке. Если же натрий заменить калием, то дуговой разряд на переменном то-ке устойчив без дополнительных мер (потенциал ионизации паров калия 4,3 В, потенциал ионизации паров натрия 5,11 В).

Причинами, вызывающими ионизацию газов, могут быть фотоиони-зация, ионизация соударением частиц, термическая ионизация, ионизация частиц в результате их ускорения электрическим полем.