Анодная область
Анодная область состоит из трех зон:
переходная;
ускоряющая;
зона ионизации.
В первой зоне, граничащей со столбом дуги, напряженность электрического поля возрастает в направлении к аноду. В этой области начинается дрейф электронов и дальнейшее их движение под действием ускоряющего поля.
В первой и второй зоне электроны ускоряются электрическим полем и в конце второй зоны приобретают энергию, достаточную для ионизации.
В третьей зоне происходит образование ионов или электронов. В результате ионизации полем, образовавшиеся ионы начинают двигаться к столбу дуги.
Ионизация в анодной области может происходить двумя путями:
ионизация полем, т.е. электронами ускоренными электрическим полем;
термическая ионизация, когда электроны на пути своего пробега сталкиваются с тяжелыми частицами.
Анодная область имеет значительно большой размер, чем катодная. Доля тока положительных ионов на аноде не велика, поэтому ток на аноде считается чисто электронным. Вблизи анода преобладает избыток отрицательных зарядов.
Напряженность электрического поля в анодной области значительно меньше чем в катодной.
Электронные и ионные
компоненты суммарного тока
в разных частях дуги.
Распределения напряжения по длине дуги
,
,
,
,
- градиент падения напряжения [В/мм].
обычно соизмеримо с потенциалом ионизации.
- для РДС,
,
(РДС),
,
, 
.
.
Баланс энергии дуги
Энергическую структуру дуги рассматривают как квазиравновесную систему из 3-х источников теплоты.
- теплота катодная;
- теплота анодная;
- столба дуги.
- работа выхода.
Ток во всех зонах принимают чисто электронный.
Термодинамический баланс энергии в различных законах дуги за 1с на 1 А
Зоны |
Приход |
Расход |
Катодная |
|
|
Анодная |
|
|
Столб дуги |
|
|
,
и - теплота выделяющаяся на катоде и аноде;
и
- катодное и анодное падение напряжений.
- электроны уносят в столб дуги
потенциальную энергию, равную высоте
потенциального барьера
,
и кинетическую энергию соответствующей
температуре плазмы столба дуги.
и тратятся на нагрев, плавление и испарение соответствующих электронов.
,
- конвекции;
- теплота теплопроводности.
Точный баланс энергии для катода
Приход = расход в катод + расход в столб.
,
.
,
- кинетическая и потенциальная энергии
ионов, передаваемые одним А тока на
катод.
- доля ионного тока.
- доля электрического тока.
- доля ионного тока.
Увеличивая
плазмы или работу выхода, можно увеличить
долю ионного тока. Теплоту, выделяющуюся
на катоде и аноде, оценивают как
эффективное падение напряжения.
,
.
Тепловыделение в столбе дуги зависит от длины дуги и напряженности, а напряженность зависит от теплофизических свойств среды и тока.
Плазменные струи в дуге
Плазменные струи в дуге могут существовать в виде потоков пара, газа и их смеси. При малых токах (>30A) это движение называется подъемными силами, возникающими из-за того, что плотность горящей плазмы меньше, чем плотность окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газов определяется свободной конвекцией, называются слаботочными дугами.
При увеличении тока возникает гидравлическое течение со скоростями значительно большими, чем скорость естественной конвекции.
Такие дуги относят к сильноточным дугам. Течение сильноточных дуг направлено от стержневого катода к плоскому аноду и называется катодной струей.
Давление в дуге
возникает за счет электромагнитных сил
Лоренца. Радиальное сжатие (пинч-эффект)
обратно пропорционально сечению, по
которому идет ток, поэтому давление это
убывает от катода к аноду. Наибольшее
давление по оси столба
при токе
и плотности
определяется как
,
,
где - коэффициент;
- плотность плазмы;
- скорость света.
Для W дуг характерна колокообразная форма
В Ме-дугах возникают встречные плазменные потоки как на катоде, так и на аноде. Эти струи могут располагаться концентрически, причем внутренняя от электрода к плазме, а наружная от пластины к электроду. Причем анодные струи движутся быстрее, чем катодные.
м/с;
м/с.
Причины возникновения анодной струи является охлаждение газа Е-зоне в прианодной области.
