4. Электрическая дуга

Дуга появляется при условии:

U > U₀ и I > I₀

где U₀ и I₀ – минимальные значения напряжения и тока, необходимые для поддержания дугового разряда.

Для разных материалов они следующие:

	U0, В	I0, А
Платина	17,0	0,9
Золото	15,0	0,38
Серебро	12,0	0,4
Вольфрам	17,0	0,9
Медь	12,3	0,43
Уголь	18-22	0,03

Если I < I₀, то при U = 270 – 330 В возникает тлеющий разряд или искра.

Рисунок 8 – Электрическая дуга

Основные свойства дугового разряда:

1. Дуга сопровождается большими токами при малых напряжениях.

2. Температура центральной части дуги в ЭА достигает величины 6000 – 18000 К.

3. Плотность тока на катоде достигает 10² – 10³ А/мм^2.

4. Падение напряжения у катода составляет всего 10-20 В и практически не зависит от тока.

Поскольку для ЭА дуга опасна, если не используется для технологии, то нас в первую очередь, интересуют процессы возникновения, устойчивого горения дуги и условия ее быстрого погашения.

Дуга имеет три области: околокатодную, столб дуги, околоанодную (рисунок 8). Здесь: Х – длина дуги; Е – напряженность электрического поля; U – напряжение дуги.

Ток дуги Iq ≈ const через все три области, однако процессы ионизации и деионизации в областях разные. Рассмотрим последовательно все области.

Околокатодная область: α ≤ 10^-6м, Uкатода = 10 ÷ 20 В, Е_ср = 10⁷ В/м (средняя напряженность электрического поля). Основные носители тока – электроны с катода, движущиеся в электрическом поле, создаваемым объемным положительным зарядом (положительные ионы около катода) и катодом. Электроны, ускоряясь, соударяются с нейтральными частицами и ионизируют их. Положительные ионы разгоняются в поле катода и бомбардируют его, вызывая повышение температуры катода и испарение его материала. При высоких температурах катода возникает термоэлектронная эмиссия, хотя для дуги достаточно и автоэлектронной эмиссии (эмиссия за счет электрического поля).

Дуговой столб:

Основной источник ионов и электронов – термическая ионизация: большая температура увеличивает скорость частицы настолько, что, ударяясь о нейтральный атом, она его ионизирует. Здесь характерны зависимости:

1) увеличение Е → ионизация ↑;

2. рост температуры → ионизация ↑;

3. масса ↓ → скорость ↑→ ионизация ↑;

4. давление газа ↑ → степень ионизации ↓;

5. присутствие металлических паров → степень ионизации ↑.

Зависимости используются как для поддержания устойчивости горения дуги в технологических процессах, так и для гашения дуги. Гашение дуги происходит за счет деионизации дугового столба, которая в большей степени зависит от теплового (энергетического) баланса дуги.

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции. Решающими факторами здесь являются теплопроводность и конвекция (до 85% потери энергии дуги). Например, горение в трансформаторном масле приводит к образованию водорода, у которого теплопроводность очень велика. Дуга в атмосфере водорода быстро охлаждается и гаснет. Для сравнения: ток, отключаемый в атмосфере «Н», в 7,5 раза выше, чем в воздухе при одинаковом давлении. Аналогичным эффектом, но за счет конвекции, обладает принудительное дутье сжатым воздухом с высокой скоростью или магнитное дутье за счет действия магнитного поля – это приводит к перемещению дуги в пространстве и ее интенсивному охлаждению.

Околоанодная область:

Вблизи анода за счет движения электронов к аноду создается отрицательный объемный заряд, что вызывает околоанодное падение напряжения и повышение Е.

U_анода= 5 ÷ 10 В.

Энергия электронов отдается аноду, что резко увеличивает температуру анода (выше температуры катода!), что приводит к вторичной эмиссии электронов.

Однако ↑ анода и околоанодной области существенно не влияют на возникновение и условие горения дуг.

Для сильноточной дуги U_а↓ и очень мало.

В ЭА до 1 кВ «α» дуги не велика и

U_столба << U_катода + U_анода.

Такие дуги называют короткими. Основная часть тепла отводится электродами.

В ЭА с U > 1 кВ:

U_столба >> U_катода + U_анода.

Такие дуги называют длинными. Процессы горения дуги, в основном, определяются состоянием столба дуги.