Дуговой разряд
Если в схеме газового разряда (рис 3.1) увеличить ток регулирующим реостатом R, то после достижения некоторого его значения картина резко изменится – вспыхнет слепящее яркое пламя и загорится дуговой разряд - высшая форма газового разряда. Дальнейшее увеличение тока уже не изменяет характер разряда, но увеличивает его размеры и свечение. Характерный (типичный) дуговой разряд является стойким в очень широких пределах изменения тока и имеет четко обозначенные области, которые можно наблюдать при постоянном токе > 1А. В сварочных дугах используются токи 1-5000 А , а в электродуговых мечах – в десятки тысяч ампер. Следовательно, горения дуг возможно при любом большом токе.
Существует несколько определения самого понятия “дуга”. По комитету дуга – это такой электрический разряд между электродами в газе или в паре, в котором падение напряжения у прп по порядку величины совпадает с наименьшим потенциалом ионизации или возбуждения этого газа или пара.
Второе определение. Дуга – это самоподдерживающий разряд, способный поддерживать пропускание больших токов благодаря наличию характерного для него механизма эмиссии электронов с отрицательного электрода.
Наиболее удачным считаем такое определение: дуговой разряд – это такой электрический разряд в газах, которые характеризуется пропусканием больших токов высокой плотности с малым потенциалом вблизи апр. Этот разряд поддерживается термо- и автоэлектронной эмиссией.
РИС. 3.1
Рассмотрим несколько подробнее дуговой разряд как наиболее сложный и больше всего применяющийся в технике.
Возбуждение дуги и ее зоны
Возбуждение дугового разряда возможно 4 основными способами:
Перехода из устойчивого
Созданием высокоионизированного потока пара, перекрывающего межэлектродное пространство, в большинстве случаев с помощью третьего электрода(угольного )
Переход из неустойчивого прп разряда путем подачи импульса высокой частоты или высокого напряжения;
Замыкание и последующее размыкание токонесущих электродов (сварка плавящимся электродом)
При сварке плавящимся электродом обычно используют дугу размыкания, а при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом – высокочастотный вспомогательный разряд от осциллятора. Импульс высокого напряжения получают обычно с помощью конденсатора. Угольную дугу возбуждают чаще всего, использую третий электрод.
В самостоятельном разряде, начиная с
токов выше нескольких микроампер,
наблюдается неравномерное распределение
электрического поля в межэлектродном
пространстве, состоящем из трех зон
(рис. 3.2) : катодной 1, анодной 2 и столба
разряда 3. На электродах часто наблюдаются
пятна – анодное А и катодное К. Скачки
потенциала
и
обусловлено скоплением пространственного
заряда (рис. 3.3) и повышенным сопротивлением
этих зон по сравнению со столбом. В
длинной дуге можно отчетливо различать
три указанные выше области, причем
основные свойства столба мало зависят
от процессов в катодной и анодной зонах.
В связи с этим в дальнейшем отдельно
рассмотрены явления в столбе дуги и в
пограничных областях – катодной и
анодной. Для коротких дуг, где влияние
процессов, происходящих у одного
электрода, пробирается до второго
электрода, подразделение дуги на
отдельные части, очевидно, становится
бесполезным. В газовом промежутке между
двумя электродами заряженные частицы
могут возникать во всех трех зонах, но
главным образом они появляются в
результате процессов эмиссии на катоде
и объемной ионизации в столбе дуги. В
связи с ограниченностью эмиссии
электронов столб дуги( как и любой другой
проводник) вдали от катода сохраняет
по отношению в нему положительный
потенциал, поэтому его часто называют
положительным столбом, хотя плазма
столба дуги обычно квазинейтральна.
Вольт-амперная характеристика дуги
Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠const ), т.к. число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации, и, в частности, от тока. Поэтому электрический ток в газах не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика разряда для газов обычно является линейной. (рис. 3.4.)
В зависимости от плотности тока
вольт-амперная характеристика дуги
может становиться падающей, пологой и
возрастающей (см. рис.3.5). В 1 области
при малых токах(≤100 А) и свободно горящей
дуге с увеличением тока дуги
интенсивно возрастает число заряженных
частиц и главным образом вследствие
разогрева и роста эмиссии катода, а,
следовательно, и соответствующего ей
роста объемной ионизации в столбе дуги.
Сопротивление столба дуги уменьшается. Нужное для поддержания заряда Uд падает. Характеристика дуги является падающей.
Во 2 области при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб души несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение души становится мало зависящим от тока, а характеристика – пологой. Первые две области токов охватывают дуги с впп отрицательным электрическим сопротивлением. Падающая и пологая характеристики типичны для души при ручной дуговой сварке (ДР) и газоэлектрической сварке (ГЭ), а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под павр .
Сварка на высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют 3 области режимов дуги. Они характеризуются сильным сжатием столба дуги, а вольт-амперная кривая здесь – возрастающая, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.
В сильноточных сжатых дугах ионизация газа в столбе может достичь значений, близких к 100%, а термоэмиссионная способности катода исчерпана. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным: R=const. Высокоионизированная сжатая плазма по своим свойствам близка в проводнику. Закон Ома вновь становится справедливым в его обычном виде.
Элементы термодинамики плазмы
Вернемся теперь к тому материалу, который мы рассматривали в начале пошлой лекции – к плазме, образованной термическим путем, и сравним особенности протекания процессов в такой плазме и в плазме, образованной благодаря электрическому разряду.
Изотермическая плазма
Между плазмой, полученной путем нагревания вещества вместе с сосудом, и плазмой, образованной путем ионизации при газовом разряде имеется одно существенное отличие. Первая является термически равновесной, и температура составляющих ее частиц практически одинаковая. Такая плазма именуется изотермической , равновесной, а иногда – термической.
Плазма же, образованная в результате газового разряда уже не является равновесной. Она нагревается изнутри за счет энергии, выделяющейся при прохождении тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образованная при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз более высокую, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые ее окружают. Кроме того, такая плазма термически неравновесна еще в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Это – электроны, положительные и отрицательные ионы, нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в земной атмосфере.