Амбиполярная диффузия.
Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и при условиях. Когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. Силой, приводящей в движение частицы, здесь будет разность давлений.
Процесс совместного движения ионов и электронов через газ называется амбиполярной диффузии (т.е. двуполярная).
Характерной особенностью процесса является то, что по условиям квазинейтральности скорость диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Электроны движутся быстрее ионов. Воздавая этим опережением электрическое поле, которое сильно тормозит движение электронов и ускоряет движение ионов.
В результате их скорости движения в электрическом поле выравниваются. Дальнейший процесс идет со скоростью обычной диффузии газов, которое наблюдается при отсутствии электрического поля
где
- средняя скорость ионов,
- длина их пробега, D –
коэффициент амбиполярной диффузии.
Теплопроводность плазмы.
Главную роль
в переносе теплоты от более горячих к
более холодным участкам играют электроны.
При перепаде температур электроны с
большими энергиями идут в одну сторону.
А с меньшими – в другую. В результате
появляется поток тепловой энергии
в сторону холодных слоев плазмы,
пропорциональный относительной величине
перепада температур, т.е. температурному
градиенту
=-
T,
где κ – коэффициент теплопроводности
(далее - теплопроводность).
Для плазмы
κ=
+
,
те учитывая атомный
и электронный
механизмы теплопередачи. Причем,
=(1/2)k
;
=(2/3)k
(1+x)
В центре
столба дуги из-за большого
и
будет
,
а на границах столба значение
мало,
т.к. мало
.
Подставляя
в эти уравнения значения k,
=
1/(nQ),
=1,6*
,
получим
(1/Q)
Саморегулирование столба дуги. Принцип Штейнбека.
Электрическая дуга представляет собой сложную систему, зависящую от многих факторов и способную к автоматическому саморегулированию, основы которого определяются уравнением Саха – по степени ионизации (α), давлению (p), температуре (Т). В дуге автоматически устанавливается также и минимальная напряженность электрического поля Е – в соответствии с принципом Штейнбека:
В цепи постоянного тока, содержащей дугу, устойчивым состоянием разряда при данном токе будет состояние с наименьшим напряжением дуги.
Температура
столба дуги
и его токопроводящий радиус
при данном токе
и в данной среде должны быть такими,
чтобы напряженность электрического
поля в столбе была минимальной
;
Подтверждение:
с ростом I сечение столба
(
)
увеличивается, напряженность падает
ток
уменьшается, R уменьшается,
U возрастает и т.д.
Механизм саморегулирования.
Известно три столба саморегулирования столб дуги – поддержание постоянными 1) мощности дуги; 2) длины дуги (дугового промежутка); 3) степени ионизации. Наибольшее распространение получил первые способ – поддержка постоянного значения мощности дуги.
Механизм саморегулирования столба дуги основан на взаимодействии источника питания, поддерживающего постоянную мощность, и сварочного контура, составляющей которого является дуга.
Если по какой-то причине падает ток I . то будет уменьшаться и проплавление электрода, увеличится длина дуги. Поэтому для поддержания постоянной мощности должна возрасти напряжения U. Но с увеличением U возрастает эмиссия катода и ток, увеличивается проплавление, уменьшается длина дуги а вместе в этим – и падение напряжения. Процесс повторяется.
Именно этот механизм лежит в основе автоматической сварки, т.е. IU=const.
Поддержка постоянной длины дуги при помощи средств механики и автоматики.
Поддержка постоянной степени ионизации дугового промежутка за счет введения дозированных количеств легко ионизирующихся примесей (Cs, Ca, Na, Rb и т.п.). В этом случае постоянным должен быть ток (степень ионизации).
Принцип саморегулирования в сварочных дугах обнаружил В.И. Дяблов. Он использовал его при разработке нового тогда способа сварки – автоматической сварки под флюсом.