Возникает вопрос: когда и какие именно значения пробега или эффективного сечения следует применять в расчетах?

Из рис. 2.9 видно, что эффект Рамзауэра и минимум сечения Se = nQe соответствуют энергиям электрона порядка eU ≈ 1 эВ.

В плазме столба сварочной дуги при Тст = 5000…10000 К, как будет показано ниже, средняя энергия электронов, имеющих максвелловское распределение скоростей, равна ≈ 1 эВ. Поэтому для плазмы в инертных газах следует брать

что отвечает минимуму соответствующей данному газу кривой Рамзауэра.

В приэлектродных областях дуги температуры электронов Те и газа Тд отличны, термическое равновесие не соблюдается (Те ≠ Тд) и электроны могут набирать энергию до 8…20 эВ. На рис. 2.9 это примерно соответствует газокинетическим сечениям

Скорость электронов намного больше скорости молекул ve >> vм. Кроме того, согласно кинетической теории газов электрон можно считать точкой (de << dм). Это значит, что электрон может подойти к центру молекулы на расстояние d/2, потому площадь круга эффективного соударения Qea будет вчетверо меньше. Учитывая это, получим газокинетический пробег электрона:

Такое значение Λе(≈ 10-5 м) часто принимают при расчете в приэлектродных

зонах дуги наряду с Λi ≈ 10-7 м.

Вычисленный по Рамзауэру пробег электрона в плазме Λе может отличаться от газокинетического в десятки раз.

2.2.6. Упругие и неупругие соударения.

Электрическое поле дуги напряженностью Е сообщает за 1 с энергию jE электронам и ионам в 1 м3 столба. Электроны в связи с подвижностью воспринимают наибольшую часть этой энергии и в результате соударений передают ее атомам и ионам.

Возможны два рода соударений - упругие и неупругие:

38

Электрон, который близко подходит к атому, отталкивается электронным облаком, но нарушает, в свою очередь, расположение облака. Окончательный результат зависит от скорости электрона (его энергии и направления движения). Медленный электрон легко отражается, а атомное электронное облако претерпевает лишь незначительное возмущение; это так называемое упругое соударение. Классически его можно представить как столкновение двух идеально упругих шаров, обменивающихся кинетической энергией. Изменения потенциальной энергии атома здесь не происходит.

При неупругих соударениях частиц энергия передаётся в виде энергии диссоциации εд, возбуждения εв или ионизации εi, причем за одно столкновение может быть передано сразу несколько электрон-вольт. При этом электрон нейтрального атома переходит с низкого уровня на более высокий, потенциальная энергия атома увеличивается и атом возбуждается либо ионизируется.

Значения энергии диссоциации εд молекул различных газов приведены ниже:

Запасенная в возбужденных атомах энергия уходит из них в виде излучения — столб дуги светится.

2.2.7. Потенциал ионизации

Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия большая, чем самый высокий возбужденный уровень атома.

Чтобы вырвать электрон из атома (молекулы), необходимо затратить энергию, равную энергии его связи в атоме. Эту величину энергии называют потенциалом ионизации — Ui, которую часто выражают в вольтах (точнее в электрон-вольтах). Первый потенциал ионизации – потенциал ионизации, соответствующий удалению наиболее слабо связанного электрона из нейтрального невозбужденного атома: удалению из ионизованного атома следующих электронов соответствует второй, третьей и так далее.

Значения 1-го потенциала ионизации Ui некоторых атомов приведены ниже:

2.2.8. Термическая ионизация

Неупругие соударения частиц между собой при высоких температуре и плотности газа приводят к так называемой термической ионизации, которая возникает за счет кинетической энергии частиц. Наиболее вероятна схема электронного удара:

После неупругого соударения оба электрона будут обладать малыми скоростями и вновь начнут ускоряться электрическим полем.

39

Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма небольшим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения. Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительно меньше, чем упругих.

Энергия ионизации зависит от строения атома, т. е. от его места в периодической системе элементов (рис. 2.11). Потенциал ионизации Ui представляет собой периодическую функцию атомного номера элемента Z и снижается с уменьшением номера группы и увеличением номера периода таблицы Менделеева. Наименьший потенциал ионизации Ui = 3,9 эВ имеют пары Cs (см. выше). Единственный валентный электрон у щелочных металлов I группы слабо связан с ядром, поэтому и энергия ионизации этих металлов невелика. Наивысший потенциал Ui =24,6 эВ наблюдается у самого легкого из инертных газов — гелия Не. Оболочка благородных газов заполнена и поэтому наиболее прочна.

2.2.9. Фотоионизация.

Атомы и молекулы могут возбуждаться не только при соударениях между собой или с ионами и электронами, но и путем поглощения квантов излучения. Такие кванты в дуге появляются при рекомбинации других сильно возбужденных атомов.

Условие фотоионизации

где h = 4,13-10-15 эВ·с — постоянная Планка.

Имея в виду, что частота колебаний

ν = c/Λ.

где с — скорость света, можно определить длину волны Λi электромагнитного излучения, м, способного вызвать ионизацию атомов:

Λi = he с/(eUi) = 4,13·10-15·3·108/(eUi)= 12,4·10-7/(eUi), м. (2.28)

Рис. 2.11. Потенциалы ионизации элементов в зависимости от их порядкового номера z в периодической системы элементов Менделеева

40

Чем больше потенциал ионизации элемента Ui, тем меньше требуемая Λi. Для сварочной дуги, где Ui лежит в пределах 4-25 эВ, соответствующие длины волн находятся в ультрафиолетовой части спектра.

Например, для аргона

Ui = 15,7 эВ; Λi = 1,24 10-6/15,7 = 7,85·10-2 мкм,

а для щелочных металлов Ui = 4-6 эВ; Λi = 0,2-0,3 мкм.

Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительна по сравнению с термической ионизацией, причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока не удается.

2.2.10.Деионизация.

Влюбой точке стационарного разряда концентрация заряженных частиц любого типа определяется равенством скоростей образования и потерь частиц в этой точке. Ионизация в плазме приводит к разделению зарядов, но электрическое притяжение ограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной. Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравновешивающие ее процессы деионизации. К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захват электронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия).

Скорость рекомбинации ионов, электронов и нейтральных частиц при их кон-

центрации ne, ni, n определяется коэффициентом рекомбинации R по уравнению dni/dt = dne/dt = dn/dt = - Rn3. (2.29)

причем коэффициент R тем больше, чем больше плотность частиц. Он зависит также от типа частиц, времени их жизни и размеров ионов, от наличия близко расположенных тел (нейтральных атомов воздуха или охлаждающих стенок).

Проводимость газового промежутка определяют прежде всего электроны как высокоподвижные частицы. Захват электронов атомами (прилипание) и ионами в процессе рекомбинации можно в некоторых случаях рассматривать как процесс обратимый, а в других — как практически необратимый процесс.

Например, процесс Na+ + e Na0 можно считать обратимым. Если же при сварке в состав покрытия или флюса вводят плавиковый шпат CaF2, то в этом случае может происходить необратимый захват электрона фтором.

Захват электронов с образованием тяжелых отрицательных ионов может осуществляться и другими атомами металлоидов, которые обладают довольно большим сродством к электрону (3-4 эВ). В дуговом разряде под флюсом из галогенов могут происходить, например, такие процессы:

F + e → F-1 + 3,94 эВ; O + e → O-1 + 3,8 эВ; Cl + e → Cl-1 + 3,7 эВ; H + e → H-1 + 0,76 эВ.

Порядок энергии электронного сродства таков, что указанные процессы могут считаться, обратимыми. Но быстрая рекомбинация молекул из этих ионов с положительными ионами металлов (Ri велико) приводит к более интенсивной деионизации разрядного промежутка.

41

2.2.11. Излучение плазмы

Явление рекомбинации электрона с ионом заключается в том, что свободный электрон, пролетая в поле иона, захватывается последним и переходит в связанное состояние. При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и его энергии связи. Например, если электрон с энергией εe захватывается протоном и в результате образуется нормальный атом водорода, то полный выигрыш энергии составит εe + 13,6 эВ (рис. 2.12).

Заштрихованная область на диаграмме энергий соответствует свободным электронам. Кинетическая энергия их отсчитывается от нулевой линии вверх. Нормальное состояние электрона, связанного в атоме водорода, соответствует отрицательной энергии 13,6 эВ.

Напомним, что за нулевой уровень энергии условно принимается состояние, при котором связь между ядром и электроном разорвана и эти частицы разведены на очень большое расстояние с нулевой кинетической энергией.

Освобождающаяся энергия может быть излучена в виде фотона с энергией εe + 13,6 эВ. Возможен также ступенчатый переход, при котором атом сначала оказывается в одном из доступных возбужденных состояний, а затем перескакивает на нормальный уровень. Это изображено на правой стороне диаграммы.

Тормозному излучению соответствует изменение энергетического состояния электрона в заштрихованной области (переход между точками а и b).

Так как свободные электроны обладают непрерывным набором энергий, то фотоны, излучаемые в процессе рекомбинации, образуют сплошной спектр, на который накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов, образующихся при ступенчатых переходах.

Для сварочных дуг, имеющих Te ≈ Ti ≤ 104 К, излучение рекомбинации преобладает над тормозным излучением электронов и имеется преимущественно сплошной спектр с максимумом в области видимого и ультрафиолетового диапазонов (0,3…1,0 мкм). Спектр сварочной дуги в парах металлов приближается к спектру солнечного излучения с небольшим сдвигом от последнего в сторону длинных волн (рис. 2.13).

42