4.8 Диффузия

Выход заряженных частиц из области с более высокой их концентрацией в область с меньшей концентрацией, (из ствола дуги в окружающее пространство) называется диффузией. В стволе дуги всегда имеется неравномерное распределение плотности тока вдоль радиуса дуги, поэтому выход электронов и ионов из центральных частей ствола к его периферии неизбежен.

Диффузия электронов должна была бы проходить быстрее, чем диффузия ионов, вследствие разницы в скоростях их движения. Но, если из данного объема дуги уходит некоторое число электронов, то избыток положительных ионов, оставшихся в этом объеме, притягивает уходящие электроны и тормозит их движение. В свою очередь, ионы, притягиваясь к уходящим электронам, ускоряют свое движение и «догоняют» электроны. Поэтому из ствола дуги выходит одинаковое число электронов и положительных ионов. Такой вид диффузии получил название двуполярной (амбиполярной) диффузии. Ее интенсивность характеризуется коэффициентом диффузии D_д (см3/с), определяемым формулой

Dд=, (4.10)

где М_и ‑ молекулярная масса иона; Θ ‑ температура газа в дуге, К;  ‑ длина свободного пробега электрона при Θ = 273 К и р = 105 Па.

4.9. Подвижностью ионов (электронов)

Отношение скорости их направленного движения, вызванного электрическим полем, к напряженности этого поля называется подвижностью ионов. Единица подвижности — см2/(В·с). При атмосферном давлении подвижность ионов может находиться в интервале от 1 до 10 см2/(В·с), а электронов в интервале 10—104 см2/(В·с), поэтому можно считать, что подвижность электронов в тысячу раз больше подвижности ионов. Приведенные значения характеризуют порядок величин и в конкретных случаях могут существенно отличаться от этих значений. Приближенно подвижность электронов может быть найдена:

, (4.11)

где  ‑ длина свободного пробега электрона при абсолютном давлении р = 105 Па и Θ=273 К; Θ ‑ температура электрона, К; р ‑ абсолютное давление, Па.

Скорость процесса диффузии, т. е. уменьшение числа пар зарядов за одну секунду, пропорциональна плотности зарядов и обратно пропорциональна квадрату диаметра дуги d_д и равна:

, (4.12)

где  ‑ постоянная уменьшения плотности зарядов в секунду, с; n₀ ‑ начальная плотность зарядов, 1/см3; t ‑ время от начала диффузии, c.

4.10 Радиационный захват электрона

Радиационный захват электрона происходит при захвате нейтральной частицей свободного электрона. Способность атома или молекулы к захвату дополнительного электрона зависит от устойчивости структурной оболочки атома. Последняя выражается в электрон-вольтах и изменяется от нуля для инертных газов, имеющих заполненную структуру электронной оболочки, до максимального значения, равного 3,9 эВ для фтора. Приводим некоторые ее значения:

Н	О2	О2	Вr	С1	F
0,7 эВ	1 эВ	2 эВ	3,6 эВ	3,8 эВ	3,9 эВ

Наибольшей способностью к захвату электронов обладают элементы расположенные в системе периодической таблицы Д.И.Менделеева перед инертными газами,т.е с такими структурами электронных оболочек, которые при присоединении к ним одного добавочного электрона преобразуются в структуру инертного газа. Элементы и вещества с повышенной способностью к захвату добавочных электронов называются электроотрицательными. При образовании отрицательного иона кинетическая энергия присоединившегося электрона выделяется в виде фотона. Отрицательные ионы легче образуются при относительно невысоких температурах, когда электроны имеют меньшие скорости и, следовательно, в процессе своего перемещения более длительное время находятся вблизи атома или молекулы. К числу электроотрицательных газов относится элегаз (SF6), широко применяемый в АВН. При гашении дуги в элегазе радиационный захват электронов молекулами элегаза или продуктами его разложения на периферии дуги сильно способствует деионизации газа, так как подвижность отрицательных ионов незначительна.

Таблица 4.2

Основные свойства электроотрицательных газов

Газ	Плотность, кг/м3	Температура кипения ْС	Епр.газа Епр.азота
Азот N2	1.25	-196	1
Гексафторид серы SF6	6.7	-64	2.3
Дихлордифтор метан ССl2F2	6.33	-30	2.4
Гексафторэтам С2F6	9.01	-78	2.0
Октафторциклобутан С4F8	9.62	-6	2.6
Трифторметилпентафтор сера СF3SF5	-	-20.4	3.05