Потоки плазмы обычно направлены перпендикулярно поверхности электродов
иих интенсивность увеличивается с ростом тока.
ВМе-дугах возникают встречные плазменные потоки как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться концентрически: внутренняя — от электрода к пластине, а наружная — от пластины к электроду, причем анодные струи часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5·103 м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной зоне.
Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения потока плазмы из-за появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях (а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток. На широком аноде его нет. В отверстии возникают потоки, направленные в обе стороны.
Вобычной дуге сужения, а следовательно, и плазменные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжектирование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара, способствуют возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги.
Рис. 2.31. Возникновение плазменных струй в местах сужения дуги
Такой сердечник возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой «теплопроводность — температура», имеющимся после максимума диссоциации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шнуром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струёй (потоком).
2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги
Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитных полей, то существуют они, безусловно, и в сварочной дуге. На проводник длиной l с током I, находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила Ампера F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу Ампера (левой руки):
F = BIl, |
(2.85) |
где магнитная индукция В = µа Н, Тл (В·с/м2), µа – абсолютная магнитная проницаемость вещества. µа = µ0µ где µ0 = 1,257·10-6 В·с/(А·м) – магнитная постоянная, µ - относительная магнитная проницаемость вещества. При µ ≈ 1 для неферромагнитной среды (для вакуума),
F = µ0 HIl, |
(2.86) |
где Н — напряженность магнитного поля, А/м.
70
В газовом разряде вектор силы Лоренца F, действующей на каждую частицу зарядом е, движущуюся в магнитном поле со скоростью v, будет определяться вектор-
ным произведением |
|
F = еv x В, |
(2.87) |
или на единицу объема |
|
F = j x В, |
(2.88) |
Сила Лоренца F перпендикулярна плоскости векторов В и v . Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле со скоростью, перпендикулярной вектору магнитной индукции B , то сила Лоренца F создает центростремительное ускорение v2/r и частица будет двигаться под действием центростремительной силы mv2/r = еvВ.
Движение заряженной частицы будет происходить по спирали или винтовой траектории, радиус которой называется ларморовским радиусом r, см. Формула для его вычисле-
ния при энергии частицы ε, эВ, и магнитной индукции В, Тл, имеет вид: |
|
|
для электрона |
r = 3,4 10−4 ε / В , см, |
(2.89) |
|
e |
|
для иона с атомным весом А |
|
|
r |
=145 10−4 εА/ В, см. |
(2.90) |
i |
|
|
При А=1 для протона ri ≈ 42re.
2.7.1. Собственное магнитное поле дуги и сварочного контура
Магнитное поле дуги. Так как в столбе дуги могут быть два вида тока — электронный и ионный, то сила F будет направлена по-разному для каждого сорта частиц при одинаковом направлении их скоростей. Но дрейфовые скорости электронов ve и ионов vi противоположны и сила F для любой частицы оказывается направленной к центру дуги (рис. 2.32). При цилиндрической симметрии имеется только азимутальная составляющая напряженности магнитного поля Нφ. Взаимодействие собственного азимутального магнитного поля с аксиальной составляющей плотности тока приводит к сжатию электромагнитной силой столба цилиндрической дуги, что способствует повышению давления в столбе. Действию данных сил препятствует газостатическая сила, вызванная появлением градиента термического давления плазмы столба дуги. Собственный магнитный поток столба дуги B соб, силовые линии которого охватывают столб (их направление может быть определено по правилу буравчика) и стабилизируют дугу вследствие пинч-эффекта. Рассмотрим его подробнее.
Значение электромагнитного сжимающего давления так называемого пинчэффекта (от англ. to pinch — сжимать), можно определить, проинтегрировав элементарные силы, действующие на отдельные площадки кольцевого слоя проводника (плазмы) единичной длины (рис. 2.33).
Распределение избыточного электромагнитного давления имеет параболическую форму с максимумом в центре (рис. 2.34). При r = 0
Pmax = µ0I2/(4π2R2). |
(2.91) |
Так как, при равномерном распределении j по сечению столба дуги |
|
j = I/(πR2), то |
|
Pmax = µ0Ij/4π, Па. |
(2.92) |
71
Рис. 2.32. Действие сил ЛоренРис. 2.33. К расчету давлений в столбе дуги:
ца F на |
заряженные частицы |
а – сжимающие силы пинч-эффекта; б – противо- |
плазмы – |
ион и электрон |
действующее термическое давление плазмы рт = nkT |
Для проводника переменного сечения, например, для сужения столба дуги около стержневого электрода разность давлений вызовет осевую силу F, действующую от меньшего сечения S1 к большему S2 (рис. 2.35). Для ее оценки определим сначала осевую силу в проводнике постоянного сечения
Электромагнитное давление р, выражаемое формулой (2.92) для жидкого или газообразного проводника, может быть в данной точке принято постоянным незави-
симо от направления. Поэтому |
в осевом направлении элементарная сила df = |
||||||||
p 2πrdr, а силу F по всей площади сечения определим по формуле |
|||||||||
R |
R |
|
μ |
|
π I 2 |
R |
|
||
F = ∫df = ∫p 2π rdr = |
|
0 |
2 |
R |
4 |
∫(R2 − r 2 )r dr = μ0 I 2 / 8π , |
(2.93) |
||
0 |
0 |
|
2π |
|
|
0 |
|
||
тогда |
|
F = 5·10-8 I2, Н |
|
|
|
|
(2.94) |
||
Продольная сила F не зависит от сечения проводника, а зависит только от квадрата тока.
Рис. 2.35. Осевая сила пинч-эффекта в проводнике переменного сечения
Рис. 2.34. Распределение электромагнитного давления по сечению проводника
Пример. 2.10.Найти осевую силу F, если сечения S1 и S2 отличаются по площади в 4 раза.
Решение. Поскольку осевая сила зависит от тока, то разность давлений при токе, например, 200 А создаст силу
72
S2 |
10−8 I 2 (ln S |
|
−ln S ) = |
F = ∫ 5 10−8 I 2ds / S = 5 |
2 |
||
S1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
= 5·10-8·4·104·1,386 ≈ 0,28·10-2 , Н. |
|||
Этой силы достаточно, например, для удержания на торце электрода |
|||
стальной капли диаметром около 4 мм. |
|
|
|
В теории магнитного поля доказывается, что полю напряженностью Н, соответ- |
|||
ствует условное магнитное давление |
|
|
|
Рм = µ0Н2/(8π). |
|
|
(2.95) |
Следует учесть, что действие пинч-эффекта должно уравновешиваться изнутри термическим давлением плазмы (идеального газа) рм = рт, причем рт = nkT,
где
n = ne + ni + na.
Давление рт, распределено в соответствии с изменением температуры и концентрации частиц по радиусу столба дуги, поэтому эффект сжатия столба дуги будет определяться теплофизическими свойствами вещества в столбе дуги. Однако из равенства давлений рм = рт следует, что температура газа в столбе под влиянием пинчэффекта будет повышаться пропорционально квадрату тока T = µ0 I2 /(4nkπ2 R2 ).
2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье
Сварочная цепь электрод — дуга — изделие вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону. Это явление называется магнитным дутьем. Разность плотностей магнитных силовых линий, сконцентрированных внутри и вне сварочного контура, образованного электродом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу (рис. 2.36).
Рис. 2.36. Влияние места подвода тока на отклонение дуги (магнитное дутье). Точками и крестиками обозначены магнитные силовые линии и их направление (точка – на нас, крестики – от нас): a, в - несимметричный подвод тока; б - симметричный подвод тока.
Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги. Отклонение дуги можно регулировать также изменением угла наклона электрода к поверхности изде-
лия (рис. 2.37).
73