Структура электродугового разряда

Основы теории и свойства дугового разряда. Ионизация газов. Понятие плазмы

В обычных условиях различные газы и их смеси (воздух, аргон, водород, гелий, углекислый газ и др.) не проводят электрический ток. Проводимость возникает тогда, когда в газовой среде помимо молекул и атомов появляются свободные заряженные частицы - электроны, положительные и отрицательные ионы и газ превращается в плазму.

Плазмой принято называть вещество, находящееся в четвертом состоянии (в дополнение к твердому, жидкому и газообразному), характеризующееся наличием нейтральных молекул и атомов, а также заряженных частиц - электронов и ионов, проводящее электрический ток и подчиняющееся законам магнитной газодинамики. Первой стадией превращения газа в плазму 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 электронов. Положительные ионы возникают при потере нейтральной частицей одного или нескольких электронов.

Основным видом ионизации при наличии электрического поля является ударная ионизация электроном. 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 газа повысится. При высоком давлении и больших градиентах поля этот вид ионизации может привести к значительному повышению температуры и росту сквозного тока проводимости.

Ударная ионизация ионом в дуговых разрядах невелика. При высоких температурах и давлении ее роль значительно возрастает.

Плазму называют равновесной в том случае, если температуры ее компонентов - молекул, атомов, ионов и электронов - одинаковы. Такую плазму называют также изотермической.

Неравновесной или неизотермической называют плазму, у которой температуры компонентов различны. Отсутствие равновесия может наблюдаться при низких давлениях, а также в сильных электрических полях.

Структура электродугового разряда

В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой разряд, или электрическая дуга, которая позволяет нагревать различные среды до высоких температур, недостижимых при сжигании топлива.

Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары или вакуум.

По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны. Их 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 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, значений порядка (З÷5)10³ К и выше.

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 неодинакова. Так, для магния работа выхода составляет 1,0 эВ; алюминия - 2,8; ниобия - 4,0; вольфрама - 4,5; железа - 4,77 эВ и т.д.

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 электродов катодом в результате его разогрева называют термоэлектронной эмиссией.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала катода. С увеличением температуры ток эмиссии быстро возрастает. Так, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока термоэлектронной эмиссии при 1500 К составляет менее 10^-7 А/см², а при 3500 К она возрастает более чем на девять порядков до -220 А/см².

Для повышения тока эмиссии и снижения работы выхода электронов в основной материал электродов вводят активирующие добавки в виде щелочных или редкоземельных металлов, а также их оксидов. Например, ионизирующими добавками для вольфрама служат ThO₂, LaO₂,AlCaO₂, для углерода Cs, Li, Na, Ca.

Для несимметричного дугового столба распределение потенциала вдоль дугового промежутка показано 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. Полное падение напряжения между электродами:

U_Д = U_А + U_К + EL, (5.1)

где: U_А и U_К- анодное и катодное падения потенциала, В; Е - напряженность электрического поля дугового столба, В/м; L - длина дуги, м.