Баланс энергии в столбе дуги.

Энергия в плазме дуги расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях. В конечном итоге баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид , где - потери столба дуги излучением; и - потери теплопроводностью и конвенцией.

Отношение зависит от режима дуги, формы столба и рода атмосферы. Для слаботочных дуг, ограниченных стенками, можно пренебречь и (по Геллеру и Эленбаасу). Но для дуг в парах металлов уже при I =100…1000 А до 90% энергии столба дуги теряется на излучение. Спектр излучения таких дуг близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. они представляют собой эффективные излучатели (это так называемых металлические, или Me-дуги). Отличие от излучения “черного” тела учитывается специально введенным коэффициентом “степени черноты”, зависящим от T и R, которые пока достоверное неизветно , как неизвестна и толщина оптического слоя газа столба и невозможность выбора между поверхностным и объемным излучателем.

Упрощение модели процессов в столбе. Каналовая модель.

В настоящее время имеется лишь одна упрощенная модель столба дуг, позваляющая бз нарушения основных физических представлений, протекающих в дуге, существенно упростить все расчеты – это каналовая модель, предложенная в 1935г.

В соответствии с ней столб дуги представляется в виде однородного канала радиуса R, в перделах которого температура и ток распределены равномерно, они соответственно называются эффективными ( , , ) , а плотность тока – средней плотностью j(см.рисунок). В.Н.Колесниковым и Н.Н.Соблевым было установлено, что во всех дугах ток распределен по такому закону:

.

Установлено, что в пределах радиуса =2 протекает практически весь ток.

По каналовой модели допускается только поверхностное излучение столбом радиуса . Это положение близко к истине. Опыты по измерению поглощению излучения постороннего источника в столбе каопваи дуги высокого давления показали, что столб является практически непрозрачным. Это означает, что фотоны. Излучаемые внутренними слоями столба, поглощаются в соседних и т.д., т.е. происходит самопоглощение излучения и выход его за пределы столба напоминает диффузионный процесс. При этом, излучающими в окружающее пространство можно считать только наружные слои столба толщиной порядка нескольких свободных пробегов атомов. Поскольку радиальные размеры столба значительно превышают эти толщины, то можно считать излучающей боковую поверхность столба с радиусом .

Основными уравнениями, описывающими дуговой разряд, близкий к каналовой модели, являются следующие:

1. По Хернову Н.Н.(1949) уравнение баланса мощности единицы длины столба , где - степень черноты слоя, - радиус токоведущего канала дуги, = , - удельное излучение по закону Стефана-Больцмана.

2. Уравнение Саха:

Последнее с помощью уравнений и , где , , позволяет определить ток I.

Температура дуги.

Применяя уравнение и определяя из уравнения Саха,и также используя принцип Штейнбека К.К.Хренов получил для ручной дуговой сварки плавящимся электродом для температуры в столбе дуги , где - эффективный потенциал ионизации в плазме.

Для дуг, горящих в газовой среде (Ar, He), на тугоплавких катодах (уголь, W) каналовая модель не подходит, эти дуги по форме уже отходят от цилиндрической – она либо коническая либо порпобразная .

Для приближенной оценки средней температуры в центре столба дуги W-дуг принимают , что даст для дуги в аргоне T=1600К, в гелии – Т=25000К, что близко к опытным данным.