5.2. Структура электродугового разряда

По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах подразделяют на самостоятельные и несамостоятельные.

В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного разряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд или электрическая дуга характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10²-10⁶ А/см² ), низким катодным падением потенциала (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значений порядка (3 5) 10³ K и выше.

Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это может быть достигнуто следующими способами: наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия), повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).

Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счет бомбардирования поверхности электрода ионами. Эмиссию электронов катодом в результате его разогрева называют термоэлектронной эмиссией.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала катода и определяется по формуле

= . (5.4)

где – плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/см²; А₁, B₁ –постоянные, зависящие от материала электродов; Т – температура поверхности электрода, К.

На холодных электродах при напряженности электрического поля у электродов 10⁶-10⁷ В/см возникает автоэлектронная эмиссия (вырывание электронов электрическим полем), плотность тока которой определяется эмпирическим выражением

, (5.5)

где Е – напряженность электрического поля у поверхности электрода, В/см; А₂, B₂ – постоянные для данного материала.

Формула (5.5) аналогична (5.4) и свидетельствует о большой зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности поля.

При расстоянии между электродами более 4-5 мм вдоль дугового промежутка существует определенное распределение потенциала. Для осесимметричного дугового столба распределение потенциала соответствует показанному на рис. 5.1. В межэлектродном промежутке четко выделяются три основные зоны: область катодного падения потенциала, простирающаяся от катода на расстояние примерно 10^-6 м и имеющая падение потенциала около 8-15 В; область положительного дугового столба с напряжением от нескольких вольт до нескольких киловольт в зависимости от длины и условий горения дуги; область анодного падения потенциала, имеющая протяженность порядка 10^-6 м и падение потенциала 2-20 В.

Электроды дуговых установок. Электроды дуговых установок, применяемых в технологических процессах, подразделяют на два типа: легкоплавкие и тугоплавкие.

Тугоплавкие электроды изготовляют из графита и материалов на его основе, металлов, имеющих высокую температуру плавления – вольфрам, молибден, тантал и др., используя их способность выдерживать большие тепловые потоки и обеспечивать высокий уровень плотности тока термоэлектронной эмиссии.

Рис. 5.1. Распределение потенциала и носителей электричества вдоль канала столба дуги

Полное падение напряжения между электродами: , где и – анодное и катодное падения потенциала, В; Е – напряженность электрического поля (линейный градиент напряжения) дугового столба, В/м; – длина дуги, м.

Можно выделить два вида технологического использования тугоплавких электродов:

1) в технологических процессах, проходящих в установках с использованием материала электрода (вакуумные дуговые печи). Такие технологические установки называют установками с расходуемым электродом;

2) в технологических процессах, происходящих в установках с нерасходуемыми электродами (электродуговой нагрев различных газов в плазмотронах, вакуумные дуговые печи, некоторые виды сварки и электрической резки металлов).

Рассмотрим электроды, применяемые в электродуговых нагревателях газа. На рис. 5.2 показан вольфрамовый катод, выполненный в виде вольфрамового стержня 1, выступающего на несколько миллиметров из охлаждаемого наконечника 2. Он предназначен для работы в электродуговых нагревателях газа при токах до 100-2000 А в среде аргона, водорода и азота, исключающих присутствие кислорода.

Легкоплавкие электроды используются в технологических процессах с расходуемыми электродами (электродуговая сварка, переплав металлов и их сплавов в вакуумных дуговых печах и др.) и в процессах с нерасходуемыми электродами (нагрев газов в плазмотронах).

Рис. 5.2. Конструкция катодного узла плазматрона

Рис. 5.3. Вольт – амперная харак-теристика электрической дуги

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

,

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

Ни одна из входящих в уравнение величин не является постоянной при изменении любой другой из них. Это приводит к нелинейности вольт-амперной характеристики дуги (рис. 5.3)

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, что ведет к росту плотности тока и повышению линейной напряженности электрического поля.

Проводимость и в столбе электрической дуги является сложной функцией температуры, состава газа и других факторов. Для ее определения можно пользоваться формулой

, (5.6)

где – постоянная Больцмана; – масса электрона; – сечение столкновения электрона с частицами компоненты S.

При температуре дуги Т_д (7,5 12,5)10³ К таких температурах проводимость определяется в основном кулоновским взаимодействием частиц и является примерно постоянной величиной. Таким образом, если ограничить сечение дугового столба и увеличить силу тока, будут расти плотность тока и напряжение на дуге. На рис. 5.3 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.

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

Температура по сечению столба дуги распределяется неравномерно. Она имеет максимум на оси столба и понижается к его периферии.

Интенсивное внешнее охлаждение дуги приводит к значительному повышению плотности тока и температуры в разрядном канале. Так, для свободногорящей сильноточной дуги плотность тока в столбе составляет около 10² А/см².

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:

, (5.9)