 |
|
Тлеющий разряд при высоком давлении.
Стабильный тлеющий разряд реализуется даже при давлении несколько атмосфер, но при условии, что ток достаточно мал. При этом влиянии давления в основном сводиться к сокращению длины (протяженности) катодной области dc, заметному возрастанию плотности тока j возрастанию напряженности электрического поля в положительном столбе. Из-за роста j увеличивается температура газа и катода.
Возрастание плотности тока происходит по закону j ∞ рn ,где показатель 1<n<2. Обычно, при давлении выше 10 мм.рт.cт., если ток велик, реализуется вольт -амперная характеристика показанная на рисунке, тлеющий разряд при этом переходит в дуговой. Участок FG-переходной, далее идет дуга.
Для дуги характерны большие значения тока и меньшие значения разности потенциалов, чем для тлеющего разряда (для него обратное соотношение).
Дуговой разряд на постоянном токе.
В типичном случае разность потенциалов в дуге меньше 50 В, т.е. на порядок ниже, чем в тлеющем разряде, а плотность тока выше, катодная область визуальна неразличима, частично потому, что положительный столб сильно светится из-за большой плотности тока. Необходимым условием возникновения дуги является нагревание отрицательного электрода. При охлаждении катода дуга горит неустойчиво, периодически гаснет и снова зажигается. Охлаждение же анода не вызывает нарушения режима работы дуги. Таким образом, высокое значение тока, следовательно, хорошая электропроводность дуги обеспечивает термоэлектронной эмиссией электронов с катода. Процессы, имеющие место в тлеющем разряде, в электрической дуге дополняются термоэлектронной эмиссией. Вследствие этого увеличивается концентрация электронов вблизи катода, уменьшается концентрация положительных ионов в этой области, что в конечном счете ведет к уменьшение катодного падения потенциала, которое для дуги составляет всего лишь около 10 В. Плотность тока в дуге трудно измерить, она сильно изменяется вдоль дуги, но она очень высока и постоянна на электродах. Это можно объяснить следующим образом: с повышением давления газа размеры приэлектродных участков дуги уменьшается и в продольном, и в радиальном направлении. По измерениям следов дуги на электродах можно оценить значение плотности тока, например, j на катоде может быть больше 106 А/см2. Этим объясняется нагрев поверхности катода до высоких температур, когда термоэлектронная эмиссия создает необходимое количество электронов для поддержания тока дуги.
В положительном столбе плотность тока много меньше, ее значение зависит от различных обстоятельств. Но плотность тока достаточно для поддержания высокой температуры газа, выше 6000 К, когда реализуется термическая ионизация частиц газа. В положительном столбе тлеющего разряда происходит ударная ионизации (электронов − нейтр. атом).
В положительном столбе дуги энергия теплого движения частиц ( 
) выше работы ионизации частиц газа, поэтому при взаимных столкновениях частицы ионизируют друг друга (в основном электроны + нейтральные атомы, EЭЛЕКТР = 3/2kT). Для тлеющего разряда eλE>EUi. Для дугового разряда 3/2kT > e Ui.
Распределение потенциала.
Самостоятельные электрические разряды имеют неоднородную структуру в продольном направлении. Эта неоднородность связана распределением электрических зарядов в объеме между электродами. Например, перед электродами образуется пространственные заряды, которые, в свою очередь, обуславливают неравномерное распределение потенциала. Распределение потенциала в дуге также определяется с помощью зондов, показано на рисунке, оно напоминает распределение потенциала в тлеющем разряде, но отличается значениями:
Uk ≈ 10 В; Uа = 0 ÷ 30 В
Анодное падение зависит от температуры плазмы в области анода. Анодное падение существенно зависит от тока дуги. Напряжение дуги можно представить:
U=Uk + Ua + Uc=Uk+ Ua+ 
Свободно горящие дуги.
а) Угольная электрическая дуга − горит в воздухе между графитовыми стержнями U = 50 – 80 В, I ≈ 40 A, температура поверхности катода Tk = 3200-3600 K, Tанода = TА = 4000 K. Твердый углерод обладает поглощательной способностью 0,76, и дает излучение, соответствующее излучению абсолютного черного тела с температурой около 3820 К, поэтому электрод из твердого углерода используется в качестве эталона излучения.
1. Угольная дуга применяется в качестве источника света в кинопроекционной аппаратуре (диаметр анода 6-16 мм, сила тока 40-200 А), а при I = 1000 A − в качестве источника света для мощных прожекторов.
2. Угольная сварочная дуга− катод стержень из твердого углерода анод − свариваемая деталь (ток 600 А) для разрезания толстых массивных деталей (корпусов старых кораблей), сила тока 1000 А.
б) свободно горящие дуги с металлическими электродами. Обычно дуга горит при атмосферном давлении. Различают свободные дуги с испаряющимися электродами - электропроводность обеспечивается за счет паров материала электродов.
Это обычные сварочные дуги, когда электрод выполнен из того же материала, что и свариваемые детали. Разновидностью такой дуги является сварочная дуга с аргоновой защитой шва, которая имеет вольфрамовый катод. Катод обдувается аргоном. Температура на оси аргоновой дуги при токе 200 А составляет 25000 К и 30000 К при I = 500А. напряжение горения аргоновой дуги -низкое около 10В.
В металлургической промышленности для получения высококачественных сталей используют дуговую плавильную печь. Дуга горит между металлом и электродами из угля или графита, диаметр которых превышает полметра. Ртутные дуговые лампы, дуга горит в парах ртути и является мощным источником ультрафиолетовых лучей, используется в медицине и для научных опытов.
Электрические дуги в замкнутом объеме.
Исторически сложилось, что угольные дуги использовались в светотехнике. Основным недостатком их было обгорание электродов в воздухе. Обгорание является химическим процессом, поэтому их изолировали от атмосферы с помощью стеклянными или кварцевыми трубками. Обгорание прекращалось после израсходывания кислорода, имевшегося в объеме трубки.
В настоящее время применяются практически только два вида электрических дуг, горящих в замкнутом объеме; ртутные дуги, и дуги горящие в инертных газах. Горение таких дуг зависит от давления внутри сосуда.
Ртутные лампы высокого давления (порядка 30÷60 атм.), сила тока 2÷200А, напряжение горения 60-90В, длина дуги от 0,5 мм до 10 мм, светоотдача таких ламп порядка 50 лм/Вт применяются в качестве мощных источников света.
Дуговые лампы высокого давления с инертным газом применяются в качестве источника света заданного (интенсивного) спектра I = 8÷10 A; a = 1÷4 мм; р ≈ 25 атм; U=15÷28 В.
Дуги, горящие в инертных газах, давление атмосферного и ниже, применяются для целей исследования свойств и характеристик (электрических, тепловых и др.) разрядов.
Особые виды электрических дуг.
а) Дуги с накаливаемым катодом. Катод нагревается за счет энергии внешнего источника и становится источником термоэлектронов. I = 1÷25 A, U = 100÷300 В. Мощность 1÷4 кВт, катод в основном вольфрам, газ-аргон. Электронно-лучевая обработка материалов.
б) Вакуумная дуга, применяются для испарения в вакууме электропроводящих материалов с последующим осаждением продуктов испарения на поверхности. Дуга горит стационарно, когда ток разряда 100÷140 А и более. Установки типа «Булат».
в) Низковольтная импульсная дуга. Реализуется путем замыкания и размыкания электродов, находящихся под напряжением.
Способы зажигания дуги.
Имеются три принципиально различных способа зажигания дуги:
1. Посредством контакта электродов, находящихся под напряжением, и последующего увеличения расстояния между ними.
2. Посредством создания высокоионизованной среды между электродами (неподвижными). Например, путем соединения электродов тонкой проволокой с последующим взрывом проволоки путем подачи рабочего напряжения.
3. Путем подачи импульса высокого напряжения, достаточного для возникновения искрового разряда в межэлектродном промежутке. Это удается так: электроды находятся под рабочим напряжением, одновременно подается высокое напряжение – происходит пробой 
искровой (короткий дуговой) разряд.
При зажигании дуги с помощью контакта электродов испаряется, образуя плазму в межэлектродном зазоре, поверхность локально нагревается до такой температуры, когда начинается термоэлектронная эмиссия, т.е. приводится в действие механизм горения духового разряда.
