АкцияАкцияАкция 

Физические основы дугового разряда

В нормальных условиях газ состоит из нейтральных молекул или атомов и является электрическим изолятором. Однако под действием сильного электрического поля, приложенного к электродам, а также при нагреве газа и электродов до определенной температуры происходит пробой газового промежутка. В этом случае через него проходит электрический ток. Такое физическое явление получило название «электрического разряда».

 

Дуговой разряд, являющийся одной из разновидностей электрического разряда в газе, отличается от других (темного, тлеющего, искрового) относительно высокими плотностью тока, температурой и электропроводностью газа. Дугой принято считать конечную устойчивую форму разряда.
Механизм проводимости газа существенно отличен от механизма проводимости твердого и жидкого вещества. В металлическом проводнике носителями тока являются свободные электроны, а в растворе электролита — положительные и отрицательные ионы. В проводящем газе носителями тока являются как электроны, так и ионы. Отличительной чертой газообразного проводника является постоянный взаимообмен энергией между электронами, ионами и нейтральными частицами, происходящий при их столкновениях в результате беспорядочного теплового движения.

movement of electrons

РИС. 1. Строение дуги и распределение напряжения вдоль ее оси.

На рис. 1 показано строение дуги (і+, і- — соответственно ионная и электронная составляющие тока дуги; L — расстояние от анода А до рассматриваемой точки). Переходные области, прилегающие к электродам (I — анодная, III — катодная), характеризуются весьма малыми размерами и резкими скачками потенциала.
На аноде электроны могут свободно входить в материал электрода, ионы же, как правило, не выходят в газ из электрода. Это приводит к скоплению электронов вблизи анода, т. е. к возникновению в указанном месте отрицательного объемного заряда, обуславливающего появление - анодного падения напряжения иа. На катоде К ионы газа могут свободно проходить к электроду, а электроны, чтобы выйти из металла в газ, должны преодолеть потенциальный барьер. Это приводит к скоплению ионов, т. е. к возникновению положительного объемного заряда вблизи катода, что вызывает появление катодного падения напряжения ик.
Переходные области характеризуются резким скачком температуры от сравнительно холодных электродов к весьма горячей плазме.
Высокая температура дуги и малые размеры ее переходных областей создают определенные трудности при измерении протяженности катодной и анодной областей, величин катодного и анодного падения напряжения и плотности тока на катоде и аноде.
Эти обстоятельства, а также сложность и разнообразие явлений, происходящих на катоде и аноде различных видов дуг, затрудняют создание единого представления о катодной и анодной областях дуги. Тем не менее установлено, что протяженность как катодной, так и анодной области составляет менее сотой доли миллиметра, т. е. порядок этой величины равен порядку длины свободного пробега электрона. Катодное падение напряжения составляет 5—10 в, анодное — 1—5 в, плотность тока на катоде изменяется в пределах 10 -1000 а/мм2, на аноде —1—100 а/мм2.
Существуют различные гипотезы, объясняющие механизм выхода электронов из катода. В соответствии с наиболее распространенной из них выход электронов происходит в результате термоэлектронной эмиссии, возникающей при высокой температуре катода, если он выполнен из тугоплавкого металла, или в результате автоэлектронной эмиссии, возникающей при сильном электрическом поле вблизи катода. Предполагают, что при горении дуги между неплавящимися электродами действуют оба механизма эмиссии с преобладанием первого.
Между катодной и анодной областями располагается столб дуги (II), падение напряжения на котором обозначено ис. Это более изученный участок дуги. Обычно столб дуги представляют в виде цилиндрического канала, заполненного квазинейтральной плазмой.
Под квазинейтральностью плазмы понимают равенство нулю алгебраической суммы зарядов в любом не слишком малом объеме, т. е. отсутствие заметного избытка электрических зарядов одного знака, как это имеет место в приэлектродных областях. Электрическое поле столба напряженностью Е сообщает энергию электронам и ионам. Так как масса ионов намного больше по сравнению с массой электронов, скорость движения электронов в направлении поля или так называемая скорость их «дрейфа» в несколько сотен раз больше скорости «дрейфа» ионов. Таким образом, более подвижные электроны отбирают практически всю энергию электрического поля столба.
Поэтому принято считать, что ток в столбе дуги переносится в основном электронами.
При давлении, близком к атмосферному и выше, электроны отдают часть своей энергии ионам, нейтральным атомам и молекулам при многократных столкновениях с ними в беспорядочном тепловом движении. Это приводит к выравниванию энергии и температуры между всеми частицами, составляющими плазму, т. е. к так называемому термодинамическому равновесию плазмы. В реальной дуге температура меняется по сечению столба. Поэтому можно говорить лишь о локальном термическом равновесии, имея в виду равенство температур различных частиц плазмы в небольшой области вблизи рассматриваемой точки.
В зависимости от температуры в любом малом объеме столба дуги непрерывно происходят те или иные процессы, связанные со столкновением частиц газа между собой при их хаотическом тепловом движении и взаимообменом энергии между ними.
Если газ молекулярный, то при относительно низкой температуре от 4 . 103 до 8 . 103 °К происходит диссоциация молекул, т. е. разделение их на отдельные атомы. Этот процесс происходит с поглощением значительного количества тепла и связан с увеличением подводимой к дуге мощности. С возрастанием температуры до 104 °К в плазме усиливаются процессы однократной ионизации — расщепления атомов на электроны и ионы. Ионизации атома часто предшествует его возбуждение, т. е. переход одного из электронов атома на орбиту с более высоким энергетическим уровнем.

Вернуться на Плазменная резка