2.1.3. Вольт-амперная характеристика дуги

Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠const), так как число заряженных частиц в нем зависит от ин­тенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика газового разряда обычно является нелинейной.

В зависимости от плотности тока вольт-амперная харак­теристика дуги может быть падающей, пологой и возрастающей (рис. 2.5). В области I при малых токах (примерно до 100 А) с увеличением тока дуги I_д интенсивно возрастает число заряжен­ных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а, следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение U_д; вольт-амперная характеристика дуги является падающей.

В области II при дальнейшем росте тока и ограниченном сече­нии электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, уча­ствующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная харак­теристика является пологой. Первые две области на рис. 2.5 опи­сывают сварочные дуги с так называемым отрицательным элек­трическим сопротивлением.

Падающая и пологая вольт-амперные характеристики свароч­ных дуг типичны для ручной дуговой сварки штучными электро­дами с покрытием (РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварки, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и ду­гой под флюсом (ДФ).

Сварка при высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют области III на рис 2.5. Они характе­ризуются сильным сжатием столба дуги и возрастающей вольт-амперной характеристикой, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.

В сильноточных сжатых дугах степень ионизации газа в столбе дуги может достигать значений, близких к 100 %, а термоэмисси­онная способность катода оказывается исчерпанной. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заря­женных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положитель­ным и почти постоянным (R ≈ const). Высокоионизованная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому провод­нику и для нее справедлив закон Ома.

2.2. Элементарные процессы в плазме дуги

2.2.1. Основные параметры плазмы

Как известно, плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газовая плазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и от­рицательные ионы.

Состав нейтрального компонента плазмы может быть доста­точно сложным: помимо атомов и молекул, находящихся в нор­мальном состоянии, в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных со­стояниях. Но поскольку плазма - это ионизованный газ, для ее описания используются те же понятия, что и для обычного газа.

Введем основные параметры плазмы, исходя из простых молекулярно-кинетических представлений. Прежде всего необходимо знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта n_α м^-3 (ин­декс α означает сорт частиц). Далее все величины, относящиеся к электронам плазмы, будем обозначать с индексом е, к ионам - с ин­дексом i, а к нейтральным частицам - с индексом α. Если в плазме присутствуют ионы нескольких сортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта. Состав плазмы удобно также характеризовать безразмерным параметром - отношением концен­трации электронов к сумме концентраций нейтральных частиц и

электронов, илистепенью ионизацииПо степени ионизации плазму обычно подразделяют на слабо ионизованную (χ << 10^-3 ) и полностью ионизованную (χ → 1), т. е. плазму, состоящую только из заряженных частиц.

Частицы, образующие плаз­му, находятся в состоянии хао­тического теплового движения. Для характеристики этого дви­жения вводят понятие темпера­туры плазмы в целом Т или от­дельных ее компонентов - час­тиц сорта α - Т_α. Температура плазмы вводится в предположе­нии, что плазма в целом нахо­дится в состоянии термодинами­ческого равновесия, а функции распределения частиц всех сор­тов по скоростям v являются максвелловскими с одной и той же температурой T; в этом случае плазма называется изотермической. Гораздо чаще в плазме имеет­ся частичное термодинамическое равновесие, когда отдельные ее компоненты имеют максвелловские распределения по ско­ростям с различными температурами. Такая плазма является не­изотермической.

В частности, распределение электронов по модулям скоростей описывается выражением:

(2.1)

где k = 1,38 • 10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т_е - температура электронов, К; v - скорость хаотического теплового движения электронов, м/с.

График функции f_e(v) приведен на рис. 2.6. Аналогичный вид имеют функции распределения по скоростям и для других час­тиц. Максимум функции f_e(v) определяет наиболее вероятную скорость

Средняя тепловая скорость электронов

(2.3)

Для средней квадратичной скорости получаем

(2.4)

В случае максвелловской функции распределения (2.1) темпе­ратура Т_е характеризует среднюю кинетическую энергию теплово­го движения электрона ε ־:

(2.5)

Поскольку температура и средняя кинетическая энергия тепло­вого движения частиц столь тесно взаимосвязаны, в физике плаз­мы принято выражать температуру в единицах энергии, например в электронвольтах. Температура Т_эВ, выраженная в электронвольтах, связана с соответствующей температурой Т, выраженной в кельвинах, соотношением

Рассчитаем, какая температура Т (в кельвинах) соответствует температуре Т_эВ = 1 эВ:

Отметим, что средняя кинетическая энергия частицы ε ־ равна

3/2 Т_эВ, а не Т_эВ.

Часто пользуются понятием температуры плазмы и в тех слу­чаях, когда функция распределения частиц (сорта α) отличается от максвелловской, понимая под температурой Т_α величину, опреде­ляемую соотношением (2.5).

Плазму газового разряда часто называют низкотемпературной. Ее температура обычно не превышает 10⁴ ...10⁵ К, а концентрация заряженных частиц n_е ≈ n_i ≈ 10⁸ ... 10¹⁵ см^-3 , причем такая плазма практически всегда слабоионизована, так как концентрация нейтральных частиц n_α ≈ 10¹² ...10¹⁷ см ^-3 . В плазме сильноточного дугового разряда Т ≈ 10⁴ ...10⁵ К, а концентрация заряженных частиц n_е ≈ n_i ≈ 10¹⁸ ... 10²⁰ см^-3 при практически полной ионизации.