Назад: 1.10. Физические основы диэлектрического нагрева

2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой разряд, или электрическая дуга, которая нагревает различные среды до высоких температур, недостижимых при сжигании топлива. Благодаря этому, в настоящем столетии, интенсивно проводятся исследования физических свойств дугового разряда и его энергетических возможностей для применения в различных сферах деятельности человека.

Термин «разряд», «дуговой разряд» возник как описание явления потери «разряд» батареей гальванических элементов или конденсаторов через газы в вакуум:

В большинстве случаев формы существования электрической дуги самые разнообразные, однако, сохранилось первоначальное название «дуга» данное, этому явлению В.В.Петровым еще в 1802 г. при описании разряда между горизонтальными электродами в воздухе. Когда высокотемпературный газ в межэлектродном промежутке под действием конвективного потока воздуха и электромагнитных сил изгибался выпуклостью вверх, принимая ферму дуги или арки.

Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары и вакуум. В обычных условиях различные газы и их смеси (воздух, аргон, гелий, азот, углекислый газ и др.) не проводят электрический ток. Проводимость возникает только тогда, когда в газовой среде появляются свободные заряженные частицы – электроны, положительные и отрицательные ионы, газ превращается в плазму.

2.1. Процессы в электрической дуге

Ионизация газов. Плазмой принято называть вещество, находящееся в четвертом состояний (в дополнение к твердому веществу, жидкому и газообразному), характеризующееся наличием нейтральных молекул и атомов, а также заряженных частиц – электронов и ионов, проводящее электрический ток и подчиняющееся законам магнитной газодинамики. Превращение газа в плазму проходит несколько стадий. Для молекулярных газов первой стадией является диссоциация – образование атомов. Возникновение в газе заряженных частиц – ионизация газа, может происходить в результате его нагрева, поглощения энергии рентгеновского или ультрафиолетового излучения, космических лучей, лучей оптического квантового генератора (лазера), действия электрического поля и др.

Отрицательные ионы образуются при захвате молекулой или атомом свободных электронов, что возможно лишь для электроотрицательных элементов при весьма малой скорости движения электронов. Положительные ионы возникают при потере нейтральной частицей одного или нескольких электронов.

Образование ионов требует затрат энергии извне на преодоление кулоновских сил притяжения между электроном и положительным ионом, называемой энергией (работой) ионизации А_и, которую определяют как произведение заряда электрона на потенциал ионизации U_и: A_и = e₀×U_и. Потенциал ионизации атома равен разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома при соударении с ним. Численно величины U_и и А_и равны, если А_и выражать в электронвольтах.

Работа ионизации определяет химическую активность элемента, поскольку при ионизации отрываются валентные электроны: А_и = 3,9-26,0 эВ и составляет, например: для цезия 3,9, железа 7,9, азота 12,4, гелия 24 эВ. После отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома могут отрываться электроны, связанные сильнее. При этом образуются многократно ионизованные ионы. Энергия ионизации при повышении кратности значительно возрастает и составляет, например, для Li 75,6 эВ (двух кратная ионизация) и для трехкратной, например для Be она составляет 153,8 эВ.

Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительная по сравнению с термической ионизацией, причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока не удается.

Деионизация. В любой точке стационарного разряда концентрация заряженных частиц любого типа определяется равенством скоростей образования и потерь частиц в этой точке. Ионизация в плазме приводит к разделению зарядов, но электрическое притяжение ограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной. Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравнивающие её процессы деионизации. К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захват электронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия).

Рекомбинация. Скорость рекомбинации ионов, электронов и нейтральных частиц при их концентрации n_i, n_е, n определяется коэффициентом рекомбинации по уравнению

причем коэффициент R тем больше, чем больше плотность частиц. Он зависит также от типа частиц, времени их жизни и размеров ионов, от наличия близко расположенных тел (нейтральных атомов воздуха или охлаждающих стенок).

Проводимость газового промежутка определяют, прежде всего, электроны как высокоподвижные частицы. Захват электронов атомами и ионами в процессе рекомбинация можно в некоторых случаях рассматривать как процесс обратимый, а в других – как практически необратимый процесс. Например, процесс Na⁺ + e↔Na° можно считать обратимым. Если же при сварке в состав покрытия или флюса вводят плавиковый шпат CaF₂, то в этом случае может происходить необратимый захват электрона фтором.

Захват электронов с образованием тяжелых отрицательных ионов может осуществляться и другими атомами металлоидов, которые обладают довольно большим сродством к электрону (3-4 эВ). В дуговом разряде под флюсом из галогенов могут происходить процессы:

F + e → F^– + 3,94 эB; О + е → О^– + 3,8 эВ;

С1+е → С1^– + 3,7 эВ; Н + е→ Н^– + 0,76 эВ.

Порядок энергии электронного сродства таков, что указанные процессы могут считаться обратимыми. Но быстрая рекомбинация молекул из этих ионов с положительными ионами металлов (Ri велико) приводит к более интенсивной деионизации разрядного промежутка.

Электронная и ионная температура. Для обычных дуг, горящих при давлении порядка атмосферного, столб дуги представляет собой плазму. В полностью ионизированной плазме нейтральные частицы отсутствуют. Плазма дуги квазинейтральная (т.е. почти нейтральная), так как в ней отрицательный заряд электронов почти точно нейтрализует положительный заряд ионов. Так как электроны гораздо подвижнее чем положительные ионы, то поле заставляет электроны быстро уходить к аноду и столб дуги имеет положительный потенциал относительно катода.

Термическое равновесие в дуговом промежутке будет полным, когда частота появления всех возможных энергетических состояний удовлетворяет распределению Максвелла-Больцмана. В плотной среде столба дуга столкновения между частицами приводят к быстрому установлению локального равновесного состояния. Напротив, в разряженной плазме, где столкновение частиц редки, могут длительное время существовать состояния, далекие от равновесия. Столкновения частиц становятся редкими и при высоких температурах, в так называемой горячей плазме, когда энергия теплового движения kТ = 10-100 эВ и более. Плазма, имеющая kТ порядка 1 эВ (11600 К), в физике считается холодной плазмой.

Основное понятие термодинамики – понятие температуры, которая характеризует значение энергии и ее распределение между частицами вещества. В разряженной или в горячей плазме электронная Т_е и ионная Т_ΐ температуры не равны между собой (рис.2.1), а с увеличением давления газа их значение и распределение по сечению столба дуги становятся почти одинаковыми.

Рис.2.1. Электронная температура Т_е и температура газа Т_д = Т_і в столбе дуги в зависимости от давления

Рис. 2.2. Радиальное распределение температур Т_е и Т_д в столбе дуги при различных давлениях Р газа

Ионная температура близка к температуре газа T_i ≈ Т_д Движение заряженной частицы в электрическом поле равноускоренное, аналогично свободному падению тела, но сила, действующая на частицу, зависит от ее заряда, а не от массы. Уравнение сил, действующих на частицу с массой и единичным зарядом е₀, имеет вид

(2.1)

где Е – напряженность электрического поля. В/м ; m – масса частицы, г;

ν – скорость частицы, м/с; а – ускорение, м/с².

При начальной скорости, равной нулю скорости в момент t

Пройденный путь за время t

. (2.2)

Скорость и пройденный частицей путь определяются ее удельным зарядом – отношением заряда к массе е₀/m. Поэтому при свободном движении частиц в одном и том же поле скорость электронов много больше скорости ионов.

Подставляя в (2.2) значение Е =U/ℓ где U – разность потенциалов на пути ℓ, получим скорость электрона

(2.3)

Скорость иона с атомной массой М, несущего заряда, значительно меньше:

Здесь m_е – масса электрона; М_а = 1822·m_е атомная единица массы.

Основным видом ионизации при наличии электрического поля является ударная ионизация электронов. Вышедший из катода электрон под действием градиента поля ускоряется и при столкновении с нейтральными атомами или молекулами может выбить один электрон или придать атому или молекуле некоторую скорость. Так, при движении электрона от катода к аноду произойдет ряд столкновений, в результате чего температура газ повысится. При высоком давлении и больших градиентах поля этот вид ионизации может привести к значительному повышению температуры и росту тока проводимости.

Ионы тоже участвуют в ионизации, но так как их скорости значительно меньше скоростей электронов, то роль ионной ионизации в дуговом разряде невелика. Однако при высоких температурах, когда скорость теплового движения молекул возрастает, соударения ионов и нейтральных частиц приводят к термической ионизации газа. Роль этого вида ионизации весьма значительна при высоких температурах и давлениях. Ионизация атомов излучением – фотоионизация возможна лишь в том случае, если энергия фотона hυ превышает работу ионизации

где υ – частота излучения, 1/c , h – постоянная Планка; С – скорость света, м/с λ – длина световой волны, м.

Одновременно с процессом ионизации происходит деионизация – рекомбинация положительных и отрицательных частиц и диффузия их за пределы ионизированного объема газа. Между этими процессами в стационарных условиях существует равновесие, характеризуемое степенью ионизации χ, определяемой отношением числа ионов и электронов к полному числу нейтральных атомов в единице объема. Зависимость степени ионизации от температуры, давления и рода газа, описывается уравнением Саха:

где р – давление; Т – температура; е₀U_и, – работа ионизации, Дж; k – постоянная Больцмана, Дж/К

Из уравнения Саха следует, что термическая ионизация становится заметной при температуре, превышающей 2000-3000 К, и приближается к 100 %-ной при 10000 – 30000 К. Степень ионизации особенно высока при содержании в газовой среде паров металлов с низкой работой выхода электронов (щелочные металлы).

Уравнение процесса деионизации атома, потерявшего один электрон А⁺, запишем в виде

A⁺+ e = A⁰ + ∆W,

где А^о нейтральный атом; ∆W – количество теплоты, выделяющееся в результате этой реакции, равное энергии ионизации

∆W =e₀∙U_и.

Процесс деионизации зависит от давления и температуры, и в некоторой степени определяется коэффициентом рекомбинации

Откуда следует, что с повышением давления и понижением температуры плазма быстро деионизируется и теряет электропроводность, превращаясь в нейтральный газ. Процесс деионизации ускоряется диффузией заряженных частиц из нагретых плазменных объемов. Коэффициент диффузии

D = lu,

где υ – средняя скорость движения заряженных частиц, м/с;

λ – длина свободного пробега, м.

Скорость диффузии ионов невелика. Электроны диффундируют значительно быстрее. Обычно количество существующих зарядов разного знака, вследствие процесса ионизация и рекомбинации в объеме плазмы, примерно одинаково и суммарный заряд плазмы равен нулю. Такую плазму называют квазинейтральной, т.е. почти нейтральной.

Существует понятие равновесной и неравновесной плазмы. Плазму называют равновесной в том случае, если температуры ее компонентов молекул, атомов, ионов и электронов – одинаковы. Такую плазму еще называют изотермической.

Неравновесной или неизотермической называют плазму, у которой температуры компонентов различны. Отсутствие равновесия может наблюдаться при низких давлениях, а также в сильных электрических полях. Это случай, когда средняя скорость электронов превышает среднюю скорость других частиц, что и соответствует их повышенной температуре.

По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны, поэтому их подразделяют на самостоятельные и несамостоятельные разряды.

В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного заряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10²-10⁶ А/см²), низким катодным падением напряжения (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значений порядка (3-10)10³ К и выше.

В цепи, состоящей из проводниковых материалов, передача электрической энергии осуществляется электронами. В цепи с включенным проводником второго рода, прохождение электрического тока сопровождается протеканием сложных явлений, в процессе которых электроны превращаются в носители электрических зарядов другого вида, а затем снова в электроны.

Для обеспечения прохождения тока по цепи, в которую включена электрическая дуга, электрон должен покинуть электрод-катод, для чего ему необходимо преодолеть силы притяжения к атому, а затем войти в анод.

Чтобы электрон вышел из катода, ему необходимо преодолеть силу статического взаимодействия с электронной оболочкой атома и потенциальный барьер электрода, т.е. совершить работу выхода. Для различных веществ она не одинакова. Так, для алюминия она составляет 2,8; вольфрама 4,5; железа 4,77 эВ.

Работа выхода электронов для металла меньше энергии его ионизации. Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это достигается наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).

Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счет бомбардирования поверхности электрода ионами. Эмиссию электронов катода в результате его разогрева называют термоэлектронной эмиссией. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала катода и определяется по формуле:

(2.4)

где J_тэ – плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/см², A₁, B₁ – постоянные, зависящие от материала электродов; Т – температура поверхности электрода К. Значения A₁ и B₁ равны соответственно для углерода 5,03 и 45700, для вольфрама 60,2 и 52700.

С увеличением температуры ток эмиссии быстро возрастает. Так, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока термоэлектронной эмиссии при 1500 К составляет 10^-7 А/см², а при 3500 К она возрастает до 220 А/см².

На холодных электродах при напряженности электрического поля у электродов 10⁶-10⁷ В/см² возникает автоэлектронная эмиссия (выравнивание электронов электрическим полем), плотность тока которой определяется эмпирическим выражением

(2.5)

где Е – напряженность электрического поля у поверхности электрода, В/см A₂, B₂ – постоянные для данного материала.

Формула (2.5) аналогична (2.4) и свидетельствует о большой зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности поля.

При температурах до 1000 К ток эмиссии слабо зависит от температуры. При более высоких температурах начинает появляться термоэлектронная эмиссия. В этом случае суммарная плотность тока с поверхности электрода

(2.6)

где А = 120,4 А/(см²К²) для чистых металлов.

Для повышения тока эмиссии и снижения работы выхода электронов в электродный материал вводят активирующие добавки в виде щелочных или редкоземельных металлов, а также их оксидов. Например, ионизирующими добавками для вольфрама служат лантан, иттрий, а для углерода цезий, литий, калий, натрий, кальций.

При расстоянии между электродами более 3-4 мм вдоль дугового промежутка существует определенное распределение потенциала (рис.2.3).

Рис. 2.3. Распределение потенциала и носителей электричества вдоль канала столба дуги

В межэлектродном промежутке четко выделяются три основные, зоны: область катодного падения напряжения (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 напряжения (2-20 В).

Протяженность катодной и анодной областей составляет порядка по 10^{-6 м. Полное падение напряжения между электродами,}

U_д = U_а + U_к + Е ℓ_д (2.7)

где U_а и U_к – анодное и катодное падение потенциала, В; Е – напряженность электрического столба дуги В/м ℓ_д – длина дуги, м.

Характеристика приэлектродных областей и протекающих в них процессов. Применительно к элекгротехнологическим процессам изучение протекающих в приэлектродных областях и на электродах процессов и их закономерностей преследует две цели:

- выявление закономерностей переноса теплоты и материала электрода при электродуговой сварке, плазменно-дуговой и плазменной сварке и резке металлов, переплаве металлов в дуговых печах;

- создание тугоплавких нерасходуемых или малорасходуемых электродов для электродуговых печей, плазматронов и т.д.

Контакт электрической дут с электродами происходит в активных пятнах дуги (анодном и катодном), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.

Из прикатодного участка плазмы ионы движутся к катоду и разогревают его за счет передачи ему энергии нейтрализации и собственной кинетической энергии. Таким образом, у поверхности катода образуется положительный электрический заряд, а у поверхности анода - отрицательный. При прохождении заряженных частиц - электронов и ионов - через эти пространственные заряды образуется анодное и катодное падение потенциалов. Выделяющаяся на аноде мощность

Q_а = I_д·(U_а + φ), (2.8)

где I_д – ток дуги. A; U_а – анодное падение напряжения, В; φ – работа выхода электронов, эВ;

Анодное падение потенциала зависит от материала анода, температуры его плавления (повышается с ростом последней) и силы тока.

Выделяющаяся на катоде мощность

Q_к = I_д (U_k - φ), (2.9)

где U_k - катодное падение потенциала, В.

Для катодов работу выхода электрона φ берут со знаком «–», так как электрон, покидающий катод, уносит с собой энергию и катод охлаждается.

Плотность тока в электродных пятнах зависят и от материала электрода. Например, на вольфрамовом и угольном электроде плотность тока в катодном пятке j_k = (3 – 5) 10³ А/см² .Для легкоплавких металлических катодов j_k = 10⁴ – 10⁵ А/см² В анодных пятнах для тугоплавких электродов j_а = (1 – 6)10² А/см² а для легкоплавких j_а = l0³ – 10⁴ А/см².

Энергию, поступающую в электрод, можно представить состоящей из следующих компонентов:

внутреннего источника (I² R t – джоулева тепла, выделяющегося на границе электрода с плазмой);

внешнего источника, связанного с приходом электрических зарядов на электрод;

излучения плазмы дуги;

конвективного нагрева окружающим газом;

теплоты от экзотермических реакций материала электродов с окружающими газами.

На рис.2.4 показаны линии тока, по которым электрический ток проходит из электрода в столб дуги.

Рис.2.4. Схема линий тока на границе "дуговой столб – электрод"

Область, в которой концентрируются токовые линии, расположена непосредственно под электродным пятном и характеризуется повышенной плотностью тока. Мощность объемного источника энергии в этом случае

где r – радиус пятна, м; σ – проводимость материала электрода, 1/Ом м.

Энергия внешнего источника теплоты обусловлена мощностью, выделяющейся в приэлектродных областях. Для определения этих величин пользуются формулами (2.8) и (2.9).

Мощность излучения определяется по формуле радиационного теплопереноса (1.4).

Выделение теплоты за счет конвективного теплопереноса наблюдается в том случае, когда высокотемпературный газ обтекает электрод.

Теплота, обусловленная прохождением на электродах экзотермических, реакций, зависит от химической активности системы плазма-материал электрода.

Отвод энергии от дуги осуществляется следующим образом:

1. За счет теплопроводности в тело электрода.

2. В результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании металла электрода.

3. В результате уноса энергии электронами, которые эмитируют разогретые поверхности электродов. Вышедшие из электрода частицы обладают определенной энергией, которую они уносят с собой:

где φ – работа выхода; I_е, и I_i – электронный и ионный ток соответственно.

4. За счет отвода теплоты от электродов излучением вследствие того, что электродные пятна имеют высокую температуру.

Электроды дуговых установок. Электроды, применяемые в технологических процессах, подразделяются на два типа: легкоплавкие и тугоплавкие. Тугоплавкие электроды изготавливают 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. Выделяют два типа технологического использования тугоплавких электродов:

в технологических процессах, проходящих в установках с использованием материала электрода (вакуумные дуговые печи). Такие процессы называются процессами с расходуемым электродом;

в технологических процессах, происходящих в установках с нерасходуемыми электродами (электродуговой нагрев различных газов в плазматронах, вакуумных дуговых печах, некоторые виды сварки и электрической резки металлов).

На рис.2.5 показан вольфрамовый катод, выполненный в виде вольфрамового стержня 1, выступающего на несколько миллиметров из охлаждаемого наконечника 2 с трубкой 3 водоохлаждающей системы. Этот катод предназначен для работы в электродуговых нагревателях газа при токах до 100-2000 А в среде аргона, водороде и азота, исключающих присутствие кислорода.

Рис.2.5. Конструкция катодного узла плазмотрона

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 плазматронах).

Для увеличения срока службы нерасходуемых электродов предусмотрено быстрое перемещение активного пятна дуги по их поверхности. Это достигается воздействием на дугу внешних магнитных полей или механическим перемещением электрода.

Термохимические катоды. При горении дуги в активных газах на поверхности электрода возможно образование соединений, существенно влияющих на электрофизические свойства электродов: работу выхода, плотность тока эмиссии, температуру поверхности.

Термохимическим катодом называют электрод, активная зона которого образуется при взаимодействии материала электрода с окружающим газом, расходуется во время работы и регенерируется по мере разрушения.

Лантаноиды (цирконий, гафний и др.) образуют соединения, сохраняющиеся при довольно высоких температурах, и являются высокоэффективными электродами. Они наиболее перспективны для создания термохимических катодов. При горении дуги на поверхности электрода (цирконий, гафний или лантан) на катоде в присутствии кислорода образуются оксиды металлов, которые характеризуются более высокой температурой плавления, чем у исходных металлов. Так, если температура плавления циркония около 2500 К, то диоксид циркония плавится при температуре около 4800 К.

Электрическое сопротивление диоксида циркония с повышением температуры снижения с 1×10⁴ Ом·м при температуре 700 К до 0,1 Ом×м при температуре 2300 К. Катодное пятно на цирконии или гафнии, покрытых слоем оксидов, не перемещается и представляет собой концентрированную тепловую нагрузку. Температура максимальна в центре катодного пятна и резко спадает к его периферии. С понижением температуры уменьшатся проводимость активного слоя электрода, тем самым положение пятна дуги стабилизируется расплавленными и твердыми слоями соединений на электроде. Вследствие низкой теплопроводности материала ограничивается значение действующего в пятне теплового потока (около 0,8 кВт для циркония и 1,5-2,0 кВт для гафния). Стабилизация катодного пятна на электроде из циркония способствует понижению величины работы выхода электронов. Так, работа выхода циркония составляет 4,4-4,7 эВ, а работа выхода образующейся пленки диоксида циркония – 2,3 эВ.

Термохимический катод (рис.2.6) не может работать без взаимодействия с окружающей средой. Он представляет собой массивную втулку 1 в которую запрессована активная вставка из циркония или гафния 2. Во втулку 1 введена трубка 3 с интенсивно циркулирующей охлаждающей жидкостью.

Рис.2.6. Термохимический катод

При работе на токах, когда пятно дуги занимает 75-85 % площади активной вставки, образующаяся лунка окружена пленкой соединений, предотвращающей контакт дуги с медной втулкой. При переходе дуги на медную втулку вследствие роста тока дуги втулка отжигается, что приводит к нарушению теплового контакта в системе оболочка (втулка) – активная вставка и электрод выходит из строя. Допустимая плотность тока на цирконии составляет 50-60 А/мм².

Основные закономерности столба электрической дуги. Ток дуги и основные характеристики плазмы дугового столба, определяющие его электропроводность, связаны соотношением:

I = π r_д² n_е е₀ υ_е, (2.10)

где r_д – радиус столба дуги, м; n_е – концентрация электронов,1/м³ е₀ – заряд электрона, Кл; υ_е – средняя скорость движения электрона вдоль электрического поля, м/с.

Все физические величины, входящие в уравнение (2.10), не является постоянными при изменении любой другой из них. Это является причиной нелинейности вольтамперной характеристики дуги (рис.2.7) и сильно затрудняет теоретический расчет ее параметров.

Рис. 2.7. Вольтамперная характеристика электрической дуги

Энергия внешнего источника теплоты обусловлена мощностью, выделяющейся в приэлектродных областях. Для определения этих величин пользуются формулами (2.8) и (2.9).

Мощность излучения определяется по формуле радиационного теплопереноса (1.4).

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 столба дуги и требуется меньшее напряжение на проведение увеличивающего тока. Проходящий через разряд электрический ток создает магнитное поле вокруг столба дуги. Взаимодействие тока дуги и магнитного поля приводит к появлению сил магнитного сжатия дугового столба - электродинамические силы или пинч-эффект, которые стремятся сжать столб и ограничить диаметр дугового столба. Это способствует росту плотности тока и повышению напряженности электрического поля.

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

(2.11)

где k – постоянная Больцмана; m_е – масса электрона; Q_es – сечение столкновения электрона с частицами компоненты s.

В реальных условиях в сильноточных дугах температура свободно горящей дуги Т_д составляет (7,5-12,5)×10³ К. При таких температурах проводимость σ определяется в основном кулоновским взаимодействием частиц и является примерно постоянной величиной (участок II, рис.2.7). С ростом тока возрастает магнитное сжатие, что приводит к уменьшению диаметра столба дуги. Это определяет повышение напряженности на дуге (участок III, рис.2.7).

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:

(2,12)

где с – скорость света; е_о – заряд электрона; Е, Н – напряженности электрического и магнитного полей соответственно; I – ток дуги.

Под действием этой силы столб дуги интенсивно перемещается в межэлектродном пространстве.

С ростом напряжённости магнитного поля и тока дуги увеличивается скорость её движения, интенсифицируется теплообмен столба дуги с окружающей средой. Это приводит к изменению положения вольтамперной характеристики электродугового разряда.

Температура по сечению столба дуги распределяется не равномерно. Она имеет максимум на оси столба и понижается к его периферии (рис.2.8).

Рис.2.8. Распределение температуры по радиусу столба дуги

Интенсивное внешнее охлаждение дуги приводит к значительному повышению плотности тока и температуры в разрядном канале. Так для свободно горящей сильноточной дуги плотность тока в столбе составляет около 10² А/см². Стабилизированная водяным вихревым потоком дуга (дуга Гердиена) имеет плотность тока порядка 5×10⁴ А/см² и температуру порядка 70×10³ К. Таким образом, для получения высоких температур необходимо принимать меры по ограничению размеров проводящей зоны столба дуги и увеличению плотности тока в ней.

Способы зажигания дуги. В промышленных установках применяют следующие способы зажигания дуги (возбуждения дугового разряда): импульсное касание электродов; взрыв проводника малого сечения – проволочки; высокочастотный высоковольтный пробой дугового промежутка.

1. При касании электродов под напряжением в точках касания в переходном контакте выделяется тепловая энергия, вызывающая расплавление участка электрода. При последующем разведении электродов мостик из расплавленного металла взрывается. Под действием электрического поля между электродами горячие участки электрода эмитируют электроны, увеличивающие ионизацию продуктов электрического взрыва жидкого металла и создают цепь тока через образовавшуюся плазму.

2. В случаях, когда электроды неподвижны или бросок тока, возникающий при их замыкании, превосходит допустимые пределы, зажигание дуги производится включением источника питания на электроды закороченные тонким проводником или электроды, находящиеся под напряжением, замыкаются тонкой проволокой. Для успешного зажигания дуги необходимо, чтобы проволочка взрывалась при токе, близком к номинальному току дуги. Материал проволочки должен иметь высокую температуру плавления, чтобы после ее взрыва температура продуктов взрыва была близка к температуре плазмы дугового разряда.

3. Зажигание дуги импульсным пробоем дугового промежутка, находящегося под напряжением источника питания дуги, производится с помощью осциллятора. Осциллятор - преобразователь тока промышленной частоты низкого напряжения (60-220 В), в ток высокой частоты (150-500 кГц) высокого напряжения 2000 В и выше.

Далее: 2.2. Физико-технические основы дуговой сварки