Основные закономерности электродугового столба

Ток дуги и основные характеристики плазмы дугового столба, определяющие его электропроводность, связаны соотношением

I = r²_д n_e e₀_е,

где r_д – радиус столба дуги, м; n_e – концентрация электронов, 1/м³; e₀ – заряд электрона, Кл; _е – средняя скорость движения электрона вдоль электрического поля, м/с.

Ни одна из входящих в уравнения величин не является постоянной при изменении любой другой из них. Это при нелинейности вольт – амперной характеристики дуги (см. рис.).

Рис. Вольт – амперная характеристика электрической дуги

Причиной падения характеристики на участке I является снижение сопротивления дуги при увеличении тока за счет роста температуры, концентрации заряженных частиц и скорости их движения. При этом с ростом тока увеличивается диаметр дугового столба и требуется меньше напряжения на проведение увеличивающегося тока. Проходящий через разряд электрический ток создает магнитное поле вокруг столба дуги. Взаимодействие тока и магнитного поля приводит к появлению сил магнитного сжатия дугового столба (пинч - эффект), которые стремятся ограничить диаметр дугового столба. Это приводит к росту плотности тока и повышению линейной напряженности электрического поля.

В реальных условиях в сильноточных дугах температура свободногорящей дуги Т_д = (7,5  12,5)10³ К. При таких температурах проводимость дуги  определяется в основном кулоновским взаимодействием частиц и является примерно постоянной величиной. Таким образом, если ограничить сечение дугового столба и увеличить величину тока, будет расти плотность тока и напряжение на дуге. Зоны II и III соответствуют этому случаю. Силы магнитного сжатия, излучение и диффузия электронов плазмы приводят к уменьшению диаметра столба дуги. Это определяет повышение напряженности на дуге при увеличении силы тока.

Важные выводы об особенностях вольтамперной характеристики дуги можно получить из рассмотрения баланса ее энергии. Подводимая к дуговому столбу энергия рассеивается за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Уравнение баланса энергии для единицы объема столба электрической дуги имеет вид

jE = divGradT + c_pGradT + S(T) + …,

где  - коэффициент теплопроводности;  - плотность; c_p – теплоемкость среды при постоянном давлении.

Потери энергии на излучение дугой

W_изм = c_sТ⁴,

где c_s – константа излучения абсолютно черного тела.

При температуре выше 10⁴ К электрическая дуги излучает такую же энергию, как и абсолютно черное тело. При давлении около 4010⁵ Па большая часть энергии столба дуги отводится излучением.

Расход энергии на нагрев окружающего газа за счет теплопроводности и конвекции взаимосвязаны и реализуются одновременно.

При расчете теплообмена принимают две схемы процесса:

1. дуга, продуваемая газом, - проницаемая область полностью замещается протекающим газом;

2. дуга, не продуваемая газом, обтекается как твердое тело.

Очевидно, обе эти схемы в дуге существуют одновременно.

Эффективность использования теплоты дуги для нагрева газов сильно зависит от их свойств.

Большое практическое значение имеет взаимодействие дугового столба с внешним магнитным полем. Так как дуга представляет собой проводник с током, то при наложении на него поперечного магнитного поля появляется сила Лоренца F, воздействующая на дугу

F = e₀[E + (1/c)VH)],

где с – скорость света; e₀ - заряд электрона; Е, Н – напряженности электрического и магнитного полей.

Под действием этой силы дуговой столб интенсивно перемещается в межэлектродном пространстве. С ростом напряженности магнитного поля и тока дуги увеличивается скорость ее движения, интенсифицируется теплообмен дугового столба с окружающей средой.

Температура по сечению дуги распределяется неравномерно. Она имеет максимум на оси столба и понижается к его периферии. Так, например, для сильноточной дуги, горящей между двумя угольными электродами, на оси дуги температура достигает 12000 К, а на расстоянии около 2 см от оси она падает до 1000 К.

Интенсивное внешнее охлаждение дуги приводит к значительному повышению плотности тока и температуры в разрядном канале. Для получения высоких температур необходимо принимать меры по ограничению размеров проводящей зоны дугового столба и увеличению плотности тока в нем.

Лекция №12