4.6. Особенности дугового разряда

Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым (1802). Этот газовый разряд осуществляется при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт). Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало. Если, уменьшая сопротивление внешней цепи, увеличить силу тока дугового разряда, то проводимость газового промежутка столь сильно возрастает, что напряжение между электродами уменьшается. Поэтому говорят, что дуговой разряд имеет падающую вольт-амперную характеристику.

При атмосферном давлении температура катода достигает 3000 °С. Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер) и нагревают его. Температура кратера около 4000 °С, а при больших давлениях воздуха достигает 6000 − 7000 °С. Температура газа в канале дугового разряда (плазменном канале) достигает 5000 − 6000 °С, поэтому в нем происходит интенсивная термоионизация. В ряде случаев дуговой разряд осуществляется и при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).

Впервые дуговой разряд был использован в качестве источника света П. Н. Яблочковым (1876). В «свече Яблочкова» угольные электроды были расположены параллельно и разделены изолирующей прослойкой, а их концы соединены проводящим «запальным мостиком». При включении тока запальный мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испаряется. Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах.

Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности − для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, оксида азота и т. д.

Н. Н. Бенардос (1882) впервые использовал дуговой разряд для резки и сварки металла. Для нагрева места соединения двух свариваемых металлических листов или пластин Бенардос применил дуговой разряд между неподвижным угольным электродом и металлом. Тот же метод Бенардос применил для резки металлических пластин и получения в них отверстий. Н. Г. Славянов (1888) усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим, создав способ дуговой сварки плавящимся электродом, который широко применяется в настоящее время.

Рисунок 4.7

Электрическая дуга горит в среде защитных газов (Ar, Не, СО₂ и др.). Эти газы влияют на состав плазмы столба дуги, определяющей его температуру, напряженность электрического поля и плотность тока. Для дугового разряда характерно неравномерное распределение потенциала и температуры в межэлектродном пространстве, состоящем из трех зон: катодной 1, анодной 2 и столба 3 дуги (рис. 4.7).

На электродах часто наблюдаются пятна – анодное А и катодное К. Приэлектродные области электрического разряда представляют собой переходные зоны между твердыми (или жидкими) поверхностями электродов и плазмой разряда. Падения потенциала U_а и U_к в приэлектродных областях (рис. 4.8) обусловлены скоплениями пространственного заряда и повышенным сопротивлением анодной и катодной зон по сравнению с сопротивлением столба, основные свойства которого почти не зависят от процессов в этих зонах.

Рисунок 4.8

В газовом промежутке между двумя электродами заряженные частицы могут возникать во всех трех зонах, но они появляются, главным образом, вследствие процессов эмиссии электронов е на катоде и ударной ионизации нейтральных атомов А⁰ в столбе дуги ускоренными электронами е^. Наряду с образованием ионов А⁺ и электронов, происходит обратный процесс − их рекомбинация в нейтральные атомы. В связи с ограниченностью эмиссии электронов, столб дуги представляет собой проводник с падением напряжения U_ст. Плазма столба дуги как правило квазинейтральна.

Температура в столбе дуги Т_ст зависит от эффективного потенциала ионизации в плазме _и. Полагают, что по длине столба температура постоянна. Для ручной дуговой сварки плавящимся электродом Т_ст  800 _и. Для дуг с тугоплавким неплавящимся катодом (вольфрам), горящих в газовой среде (Аr, Не), приближенная оценка средней температуры в центре столба с помощью соотношения Т_ст  1000 _и показывает, что в аргоне Т_ст = 16000 К, а в гелии Т_ст = 25000 К.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги нелинейная. Для газового разряда сопротивление не является постоянным, так как число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от силы тока дуги I_д. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома.

Рисунок 4.9

В зависимости от плотности тока ВАХ дуги может быть падающей, пологой и возрастающей (рис. 4.9). В области 1 при малых токах (примерно до 100 А) с увеличением силы тока дуги интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а, следовательно, и соответствующего ей роста ударной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается.

При дальнейшем росте силы тока столб дуги сжимается, скорость роста числа заряженных частиц снижается – напряжение дуги U_д слабо зависит от тока (2). При сильном сжатии столба дуги и прекращении роста заряженных частиц, что характерно для больших плотностей тока, сопротивление дуги остается постоянным. При этом выполняется закон Ома, что характеризуется возрастающим участком 3 ВАХ дуги.