Дуговой разряд в газах

План:

1. ВВедение.

2. Свойствадугового разряда.

1.Образованиедуги.

2.Катодное пятно.Внешний види отдельныечасти

дуговогоразряда.

3.Распределениепотенциалаи вольтамперная

характеристикапри дуговомразряде.

4.Температураи излучениеотдельныхчастей дуговогоразряда.

5.Генерациянезатухающихколебаний припомощи элек-

трическойдуги.

6.Положительныйстолб дуговогоразряда привысоком

исверхвысокомдавлении.

III.Применениедуговогоразряда.

1.Современныеметоды электрообработки.

2.Электродуговаясварка.

3.Плазменнаятехнология.

4.Плазменнаясварка.
IV.Заключение.

I

Дуговойразряд в видетак называемойэлектрической(или вольтовой)дуги был впервыеобнаруженв 1802 году русскимучёным профессоромфизикиВоенно-медико-хирургическойакадемии вПетербурге,а впоследствииакадемикомПетербургскойАкадемии наукВасилиемВладимировичемПетровым. Петровследующимисловами описываетв одной из изданныхим книг своипервые наблюдениянад электрическойдугой:

«Еслина стекляннуюплитку или наскамеечку состеклянныминожками будутположены дваили три древесныхугля... и еслиметаллическимиизолированныминаправлятелями...сообщеннымис обоими полюсамиогромной батареи,приближатьоные один кдругому нарасстояниеот одной дотрёх линий,тоявляется междуними весьмаяркий белогоцвета свет илипламя, от которогооные угли скорееили медлительнеезагораютсяи от котороготёмный покойдовольно ясноосвещен бытьможет... ».

Путьк электрическойдуге началсяв глубокойдревности. Ещегреку ФалесуМилетскому,жившему в шестомвеке до нашейэры, было известносвойство янтаряпритягиватьпри натираниилегкие предметы—перышки,солому, волосыи даже создаватьискорки. Вплотьдо семнадцатоговека это былединственныйспособ электризациител, не имевшийникакогопрактическогоприменения.Ученые искалиобъяснениеэтому явлению.

Английскийфизик УильямГильберт (1544—1603)установил, чтои другие тела(например, горныйхрусталь, стекло),подобно янтарю,обладают свойствомпритягиватьлегкие предметыпосле натирания.Он назвал этисвойстваэлектрическими,впервые введяэтот терминв употребление(по-греческиянтарь—электрон).

Бургомистриз МагдебургаОтто фон Герике(1602—1686) сконструировалодну из первыхэлектрическихмашин. Это былаэлектростатическаямашина, представлявшаясобой серныйшар, укрепленныйна оси. Однимиз полюсовслужил... самизобретатель.При вращениирукоятки изладоней довольногобургомистрас легким потрескиваниемвылетали синеватыеискры. Позднеемашину Герикеусовершенствовалидругие изобретатели.Серный шар былзаменен стеклянным,а вместо ладонейисследователяв качествеодного из полюсовприме- неныкожаные подушечки.

Большоезначение имелоизобретениев восемнадцатомвеке лейденскойбанки—конденсатора,позволившегонакапливатьэлектричество.Это был стеклянныйсосуд с водой,обернутыйфольгой. В водупогружалиметаллическийстержень, пропущенныйчерез пробку.

Американскийученый БенджаминФранклин (1706—1790)доказал, чтовода в собиранииэлектрическихзарядов никакойроли не играет,этим свойствомобладаетстекло—диэлектрик.

Электростатическиемашины получилидовольно широкоераспространение,но лишь какзабавные вещицы.Были, правда,попытки лечениябольных с помощьюэлектричества,однако каковбыл физиотерапевтическийэффект такоголечения, сказатьтрудно.

Французскийфизик ШарльКулон (1736—1806)—основательэлектростатики-в1785 г. установил,что сила взаимодействияэлектрическихзарядов пропорциональнаих величинами обратнопропорциональнаквадрату расстояниямежду ними.

Всороковых годахвосемнадцатоговека БенджаминФранклин выдвинултеорию о том,что существуетэлектричествотолько одногорода—особаяэлектрическаяматерия, состоящаяиз мельчайшихчастиц, способныхпроникатьвнутрь вещества.Если в телеимеется избытокэлектрическойматерии, онозаряженоположительно,при ее недостатке—телозаряженоотрицательно.Франклин ввелв практикузнаки «плюс»и «минус»,атакже термины:конденсатор,проводник,заряд.

Соригинальнымитеориями оприроде электричествавыступили М.В. Ломоносов(1711—1765), ЛеонардЭйлер (1707—1783), ФранцЭпинус (1724—1802) идругие ученые.К концу восемнадцатоговека свойстваи поведениенеподвижныхзарядов былидостаточноизучены и вкакой-то мереобъяснены.Однако ничегоне было известнооб электрическомтоке—движущихсязарядах, таккак не существовалоустройства,которое моглобы заставитьдвигатьсябольшое количествозарядов. Токи,получаемыеот электростатическоймашины,былислишком малы,их нельзя былоизмерить.

II

1.Если в тлеющемразряде увеличиватьсилу тока, уменьшаявнешнее сопротивление,то при большойсиле тока напряжениена зажимахтрубки начинаетпадать, разрядбыстро развива-етсяи превращаетсяв дуговой. Вбольшинствеслучаев переходсовершаетсяскачком и практическинередко ведётккороткомузамыканию. Приподборе сопротивлениявнешнегоконтураудаётся стабилизоватьпереходнуюформу разрядаи наблюдатьпри определённыхдавленияхнепрерывныйпереход тлеющегоразряда в дугу.Параллельнос падениемнапряжениямежду электродамитрубки идётвозрастаниетемпературыкатода и постепенноеуменьшениекатодногопадения.

Применениеобычного способазажигания дугипутём раздвиганияэлектродоввызвано тем,что дуга горитпри сравнительнонизких напряженияхв десятки вольт,тогда как длязажиганиятлеющего разряданужно при атмосферномдавлении напряжениепорядка десятковкиловольт.Процессзажигания прираздвиганииэлектродовобъясняетсяместным нагреваниемэлектродоввследствиеобразованиямежду нимиплохого контактав момент разрывацепи.

Вопросо развитии дугипри разрывецепи техническиваженнетолько с точкизрения получения«полезных»дуг, но такжеи сточки зренияборьбы с «вредными»дугами, напримерс образованиемдуги при размыканиирубильника.Пусть L-само-индукция контура,W—его сопротивление,ع—э.д.с.источникатока,U(I)—функциявольтампернойхарактеристикидуги. Тогда мыдолжныиметь: ع=L dI/dt+WI+U(I) (1)или

LdI/dt=(ع-WI)-U(I)=∆ (2).

Разность(ع— WI)есть не чтоиное, как ординатапрямой сопротивленияАВ (рис.1), а U(I)—ординатахарактеристикидуги при данномI.Чтобы dI/dt былоотрицательно,т.е.ЧтобытокI непременноуменьшалсясо временеми между электродамирубильникане образовалосьстойкой дуги,надо, чтобы

Рис.1.Относительноеположениепрямой сопротивленияи кривойвольтампернойхарактеристикиустановившейсядуги для случаев:а)когдадуга пе можетвозникнутьпри разрывецепи; б)когдадугавозникаетпри разрывев интервалесилы тока,соответствующемточкамР и Q.

имеломесто ∆ع-WI.

Дляэтого характеристикавсеми своимиточками должналежатьвышепрямой сопротивления(рис. 1, а). Это простоезаклю-чениепе учитываетёмкости в цепии относитсялишь к постоянномутоку.

Точкапересеченияпрямой сопротивленияс кривой вольт-ампернойхарактеристикиустановившейсядуги соответствует низшемупределу силыпостоянноготока, при которомможет возникнутьдуга при разрывецепи (рис. 1, б). Вслучае размыканиярубильникомдуги переменноготока,потухающейпри каждомпереходенапряжениячерез нуль,существенно,чтобы условия,имеющиесяналицо в разрядномпромежуткепри размы-кании,недопускалинового зажиганиядуги при последующемвозрастаниинапряженияисточника тока.Для этоготребует-ся,чтобыпривозрастаниинапряженияразрядныйпромежутокбыл достаточнодеионизован.В выключателяхсильных перемен-ныхтоков искусственнодобиваютсяусиленнойдеионизациипутём введенияспециальныхэлектродов,отсасывающихзаря-женныечастицы газаблагодарядвуполярнойдиффузии, атакже путёмприменениямеханическогодутья или путёмвоздействияна разряд магнитнымполем.При высокихнапряженияхпри-меняютмасляные выключатели.

2.Катодное пятно,неподвижноена угольномкатоде,на поверхностижидкой ртутинаходится внепрерывномбыстромдвижении. Положениекатодного пятнана поверхностижидкойртути можетбыть закрепленопри помощиметаллическогоштифта,погруженногов ртуть и немноговысовывающегосяиз неё.

Вслучае небольшогорасстояниямежду анодоми катодом тепловоеизлучение анодасильно влияетна свойствакатод-ногопятна. При достаточнобольшом расстояниианода от угольногокатода размерыкатодного пятнастремятся кнеко-торомупостоянномупредельномузначению, иплощадь, занима-емаякатодным пятномна угольномэлектроде ввоздухе, пропорциональнасиле тока исоответствуетпри атмосферномдавлении 470а/смІ.Дляртутной дугив вакууменайдено4000 а/смІ.

Приуменьшениидавления площадь,занимаемаякатоднымпятномна угольномкатоде, припостояннойсиле токаувели-чивается.

Резкостьвидимой границыкатодного пятнаобъясняетсятем, что сравнительномедленномууменьшениютемпературыс удале-ниемот центра пятнасоответствуетбыстрое падениекак све-товогоизлучения, таки термоэлектроннойэмиссии, а эторавносильнорезкой «оптической»и «электрической»границам пятна.

Угольныйкатод при горениидуги в воздухезаостряется,тогда как наугольном аноде,если разрядне перекрываетвсю переднююплощадь анода,образуетсякруглоеуглубление—положительныйкратер дуги.

Образованнокатодного пятнаобъясняетсяследующимобразом. Распределениепространственныхзарядов в тонкомслое у катодатаково, чтоздесь разрядтребует длясвоего поддержаниятем меньшейразницы потенциалов,чем меньшепоперечноесечение каналаразряда. Поэтомуразряд на катодедолжен стягиваться.

Непосредственнок катодномупятну прилегаетчасть разряда,называемаяотрицательнойпли катоднойкистью илиотрицательнымпламенем. Длинакатодной кистив дуге при низкомдавлении определяетсятем расстоянием,на котороезалетают быстрыепервичныеэлектроны,получившиесвои ско-ростив области катодногопадения потенциала.

Междуотрицательнойкистью и положительнымстолбом расположенаобласть, аналогичнаяфарадеевутёмному пространствутлеющего разряда.В дуге Петровав воздухе, кромеотрицательнойкисти, имеетсяположи-тельноепламя и рядореолов. Спектральныйанализ указываетна наличие вэтих пламенахи ореолах рядахимическихсоединений(циана и окисловазота).

Пригоризонтальномрасположенииэлектродови большом давлениигаза положительныйстолб дуговогоразряда изги-баетсякверху поддействиемконвекционныхтоков нагретогоразрядом газа.Отсюда произошлосамое названиедуговой разряд.

3.В дуге Петровавысокая температураи высокое давлениене дают возможностииспользоватьдля измеренияраспреде-ленияпотенциаламетод зондов.

Падениепотенциаламежду электродамидуги складываетсяиз катодногопадения и Uк,анодного паденияUаи падения вположительномстолбе. Суммукатодного ианодного паденийпотенциаламожно определить,сближаяанод и катоддо исчез-новенияположительногостолба и измеряянапряжениемежду электродами.Вслучае дугипри низкомдавлении можноопре-делитьзначения потенциалав двух точкахстолба дуги,поль-зуясьметодом зондовыххарактеристик,вычислитьотсюда продольныйградиент потенциалаи далее подсчитатькак анодное,так и катодноепадение потенциала.

Установлено,что в дуговомрязряде приатмосферномдавлении суммакатодного ианодного паденийпримерно тойже величины,чтои ионизационныйпотенциал газаили пара, в которомпроисходитразряд.

Втехнике применениядуги Петровас угольнымиэлектродамиобычно пользуютсяэмпирическойформулой Айртона:

U=a+bl+(c+dl)/I (3)

ЗдесьU—напряжениемежду электродами,I—сила тока вдуге, l—длинадуги, а, b, с и d—четырепостоянных.Формула характеристики(3) установленадля дуги междуугольнымиэлектродамив воздухе. Подl подразумеваетсярасстояниемежду катодоми плоскостью,проведённойчерез краяположи-тельногократера.

Перепишемформулу (4) в виде

U=а+c/I+l(b+d/I). (4)

В(4) члены, содержащиемножитель l,соответствуютпадению потенциалав положительномстолбе; первыедва членапредставляютсобой суммукатодного иано-дного паденияUк+Uа. Постоянныев (3) зависят отдавления воздухаи от условийохлажденияэлектродов,а следовательно,от размерови формы углей.

Вслучае дуговогоразряда в откачанномсосуде, запол-ненномпарами металла(например, ртути),давление паразависит оттемпературынаиболее холодныхчастей сосудаи поэтому ходхарактеристикисильно зависитот условийохлаждениявсей трубки.

Динамическаяхарактеристикадугового разрядасиль-но отличаетсяот статической.Вид динамическойхарактеристикизависит отбыстроты изменениярежима дуги.Практическинаиболее интереснахарактеристикадуги при питаниипеременнымтоком. Одновременноеосциллографированиетока и напряжениядаёт картину,изображеннуюна рис.2. Начерченнаяпо этим кривымхарактеристикадуги за целыйпериод имеет

вид,представленныйна рис.3. Пунктиромпокыазан ходнапряженияпри отсутствииразряда.

Р

Рис.4.Динамическаяхарактерис-

тикадугового разрядана

переменномтоке низкойчастоты.

ис. 3. Осциллограмматока и напряжениядугового разрядана переменномтоке

низкойчастоты. ТочкиА, В, С и т.д.

соответствуютточкам,обозначеннымтеми

жебуквами нарис.4.

Катод,не успевшийещё охладитьсяпосле разряда,имевшего местов предыдущемполупериодетока, с самогоначала полупериода,когда внешняяэ.д.с. проходитчерез нуль,эмиттируетэлектроны. Отточки О до точкиА характеристикасоответствуетнесамостоятельномуразряду, источникомкоторого являютсяэмиттируемыекатодом электроны.В точке А происходитзажигание дуги.После точкиА разрядныйток быстроувеличивается.При наличиисопротивленияво внешней цепинапряжениемежду электродамидуги падает,хотя э.д.с. источникатока (пунктирна рис.3), пробегаясинусоиду, ещёувеличивается.С уменьшениемнапряженияи тока, даваемоговнешним источником,разрядный токначинает уменьшаться.

Суменьшениемтока в дугенапряжениемежду её электро-дамиможет вновьвозрасти взависимостиот внешнегосопро-тивления,но часть ВСхарактеристикина рис.4 можетбыть и горизонтальнойили иметьпро-тивоположныйнаклон. В точкеС имеет местопотухание дуги.

Послеточки С токнесамостоятельногоразряда уменьшаетсядо нуля вместес уменьшениемнапряжениямежду электродами.

П

ослеперехода напряжениячерез

нульроль катоданачинает игратьпрежний аноди картина повторяетсяпри обратныхзнаках токаи напряжения.

Рис.5.Изменениединамическойхарак-теристикипри повышеннойчастоты переменноготока, наложенногона пос-тоянный.

Навид динамическойхарак-теристикиоказываютвлияние всеусловия, определяющиережим дуги:расстояниемежду элек-тродами,величина внешнегосопро-тивления,самоиндукцияи ёмкость внешнейцепи, частотапеременноготока, питающегодугу, и т. д.

Еслина электродыдуги, питаемойпостояннымтоком, на-ложитьпеременноенапряжениеамплитуды,меньшей, чемнапряжениепитающего дугупостоянноготока, то харак-теристикаимеет вид замкнутойпетли, охватывающейстати-ческуюхарактеристикуВСс двух сторон.При увеличениичастоты переменноготока ось этойпетли поворачивается,сама петлясплющиваетсяи, наконец, стремитсяпринять видотрезка прямойОА,проходящейчерез началокоординат(рис.5). При оченьмалой частотепетля динамическойхарак-теристикипревращаетсяв отрезок статическойхарактеристикиВС, так как всевнутренниепараметрыразряда,в частностиконцентрацияионов и электронов,успевают вкаждой точкехарактеристикиприниматьзначения,соответствующиестацио-нарномуразряду приданных Uи I. Наоборот,при очень быстромизменении ипараметрыразряда совершенноне успе-ваютизменяться,поэтому Iоказываетсяпропорциональными, что соответствуетпрямой ОА, проходящейчерез началокоординат.Такимобразом, приувеличениичастоты переменноготока петляхарактеристики(рис. 5) становитсяво всех своихточках возрастающей.

Всвязи с возможностьюполной ионизациигаза в дуговом

разрядестоит вопрособ обрыве дугипри малом давлениигаза

иочень сильныхтоках. В явленииобрыва дугисущественнуюроль играетзначительноеуменьшениеплотности газавслед-ствиеэлектрофорезаи отсоса ионовк стенкам, особеннов таких местах,где разрядныйпромежутоксильно сужен.Прак-тическиэто приводитк необходимостиизбегать чрезмерныхсужений припостройкертутных выпрямителейна очень большиесилы тока.

Электрики,имевшие впервыедело с электрическойдугой,

пыталисьприменить законОма также и вэтом случае.Для получениярезультатоврасчёта позакону Ома,согласных сдействительностью,им пришлосьввести представлениеоб обратнойэлектродвижущейсиле дуги. Поаналогии сявлениями вгальваническихэлементах,предполагаемоепоявление этойэ.д.с. назвалиполяризациейдуги. Вопросуоб обратнойэ.д.с. дуги посвященыработы русскихучёных Д. А. Лачиноваи В. Ф. Миткевича.Дальнейшееразвитиепредставленийоб электрическихразрядах вгазах показало,что такая пос-тановкавопроса являетсячисто формальнойи может бытьс успехом замененапредставлениемо падающейхарактеристикедуги. Справедливостьэтой точкизрения подтверждаетсянеу-дачей всехпопыток непосредственнообнаружитьэксперимен-тальнообратную э.д.с.электрическойдуги.

4.В случае дугив воздухе междуугольнымиэлектродами

преобладаетизлучениераскалённыхэлектродов,главнымобразом,положительногократера.

Излучениеанода, как излучениетвёрдого тела,обладает

сплошнымспектром.Интенсивностьего определяетсятемпера-туройанода. Послздняяявляется характернойвеличиной длядуги в атмосферномвоздухе прианоде из какого-либоданного материала,так как температураанода от силытока не зави-сити определяетсяисключительнотемпературойплавления илииозгонки материалаанода. Температураплавления иливозгон-ки зависитот давления,под которымнаходитсяплавящеесяили возгоняемоетело. Поэтомутемператураанода, а следова-тельно,и интенсивностьизлученияположительногократера зависятот давления,при которомгорит дуга. Вэтом отно-шенииизвестны классическиеопыты с угольнойдугой под давленрюм,приведшие кполучению оченьвысоких температур.

Обизменениитемпературыположительногократера с давле-

ниемдаёт понятиекривая рис. 6.Прямая линия,на которую

наэтом чертежеукладываютсяточки для давленийот 1 атм

ивыше, служитподтверждениемпредположения,что темпера-тураположительногократера определяетсятемпературойплав-ления иливозгонки веществаанода, так какв этом случаедолжна существоватьлинейная зависимостьмежду lnри 1/T. Отступлениеот линейнойзависимостипри более низкихдав-ленияхобъясняетсятем, что придавлении ниже1 атм коли-чествотепла, выделяющеесяна аноде, недостаточнодля н

Рис.6. Изменениетемпературыугольногоанода электрическойдкги в воздухепри изменениидавления. Шкалапо оси ординатлогарифмическая.

агреванияанода до температурыплавления иливозгонки.

Температуракатодного пятнадуги Петровавсегда на несколь-

косот градусовниже температурыположительногократера.

Высокиетемпературышнура дуги немогут бытьопределены

припомощи термоэлементаили болометра.В настоящеевремя

дляопределениятемпературыв дуге применяютспектральные

методы.

Прибольших силахтока температурагаза в дугеПетрова

можетбыть выше температурыанода и достигает6000° К. Такие высокиетемпературыгаза характерныдля всех случаевдугового разрядапри атмосферномдавлении. Вслучае оченьбольших давлений(десятки и сотниатмосфер) температурав центральныхчастях отшнуровавшегосяположительногостолба дугидоходит до 10000° К. В дуговомразряде принизких давленияхтемпературагаза в положительномстолбе тогоже порядка, каки в положительномстолбе тлеющегоразряда.

Температураположительногократера дугивыше, чем темпе-ратуракатода, потомучто на анодевесь ток переноситсяэлектронами,бомбардирующимии нагревающимианод. Электроны

отдаютаноду не тольковсю приобретённуюв области анодного

падениякинетическуюэнергию, но ещёи работу выхода(«скры-

туютеплоту испарения»электронов).Напротив, накатод по-

падаети его бомбардируети нагреваетмалое числоположи-тельныхионов по сравнениюс числом электронов,попадающихна анод при тойже силе тока.Остальная частьтока на като-деосуществляетсяэлектронами,при выходекоторых в случае

термоэлектроннойдуги на работувыхода затрачиваетсятепло-

ваяэнергия катода.

5. Благодарятому, что дугаимеет падающуюхарактеристику,она может бытьиспользованав качествегенераторанезатуха-ющихколебаний.Схема такогодугового генераторапредстав-ленана рис. 7. Условиягенерацииколебаний вэтой

с

хемеможно вывестииз рассмо-

тренияусловий устойчивостиста-

ционарногоразряда призаданных

параметрахвнешней цепи.

Пустьэлектродвижущаясила

источникапостоянноготока, пи-

т

Рис.7. Принципиальнаяэлектри-ческаясхема дуговогогенератора.

ающегоразряд (рис.7),равна ع,

напряжениемежду электродами

трубкиU,сила стационарногото-

качерез разряднуютрубку приданном режимеравна I,ём-кость катод-анодтрубки плюсёмкость всехподводящихпрово-дов С,самоиндукцияв цепи L, сопротивление,через котороеподаётся токот источника,R.При установившемсярежиме постоянноготока будемиметь:

ع=Uо+IR (5)

Допустим,что этот стацийнарныйрежим нарушен.Разрядный

токв какой-либоданный моментвремени равенI+i,где i—малаявеличина,а разностьпотенциаловмежду электродамиравна U.

Введёмобозначение

U′=dU/dI

(dU/di)i=0 равно тангенсуугла наклонакасательнойк вольтампернойхарактеристикев рабочей точке,соответ-ствующейвыбранномунами первоначальнорежиму (ток I).Посмотрим, какбудетдальшеизменятьсяi.Если iбудет возрастать,то данный режимразряданеустойчив;если, наоборот,iбеспредельноубывает,торежим разрядаустой-чивый.

Обратимсяк вольтампернойхарактеристикерассматриваемого

разрядногопромежуткаU=f(I+i)-Через трубкуидёт ток

I+iи ёмкость Сзаряжается(или разряжается).Разность

потенциаловна ёмкостиСуравновешиваетсяв этом случае

нетолько напряжениемна разрядномпромежутке,но и э.д.с.

самоиндукциицепи. ПустьI+i2—общий токчерез сопротивле-

ниеR. Обозначимток, заряжающийёмкость С, черезi1;мгно-

венноезначение разностипотенциаловна ёмкости С—через U1.Разностьпотенциаловмежду электродамидуги будетU0+iU’.

Имеем:

ع=U1+(i+I2)R, (6)

U1-U0=U’i+Ldi/dt, (7)

i2=i1+i. (8)

Добавочныйзаряд Q на ёмкостиС по сравнениюсо стационарнымрежимом:

Q=∫i₁dt=(U₁-U₀)C. (9)

Вычитая(5)из (6),находим:

U₁-U₀=-i₂R (10)

Выражения(7), (8) и (10) дают:

U'i+Ldi/dt=-R(i+i₁). (11)

Выражения(7)и (9)дают:

1/C∫i₁dt=U’i+Ldi/dt. (12)

Дифференцируя(12) по t и вставляярезультат в(11),находим:

U’i+Ldi/dt=-iR-RCU’di/dt-RLCdІi/dtІ. (13)

или

dІi/dtІ+(1/CR+U’/L)di/dt+1/LC(U’/R+1)i=0 (14)

Формула(14)представляетсобой дифференциальноеуравнение,

которомуподчиняетсядобавочныйток i.

Какизвестно, полныйинтеграл уравнения(14) имеет вид:

i=А1е^r1t+А2е^r2t, (15)

г

деr1иr2—корни характеристическогоуравнения,опре-деляемыеформулой

r=-1/2(1/CR+U’/L)+√1/4(1/CR+U’/L)І-1/LC(U’/R+1).(16)

Еслиподкореннаявеличина в (16)больше нуля,то r1иr2

обадействительны,i изменяетсяапериодическипо экспо-ненциальномузакону и решение(15) соответствуетапериодическомуизменениютока. Для тогочтобы в рас-сматриваемойнами схемевозникликолебания тока,необ-ходимо,чтобы r₁иr₂были комплекснымивеличинами,т. е. чтобы

1/LC(U’/R+1)>1/4(1/CR+U’/L)І (17)

Вэтом случае(15)можно представитьв виде

i=A₁e^-δt+jωt+A₂e^-δt-jωt, (18)

г

де

δ=1/2(1/CR+U’/L);i=√-1.

Приδδ> 0 они быстрозатухают, иразряд на постоянномтоке будетустойчив.

Такимобразом, длятого чтобы врассматриваемойсхеме в конечномитоге моглиустановитьсянезатухающиеколебания,надо, чтобы

(1/CR+U’/L) (19)

Таккак Р, L и С существенноположительныевеличины, то

неравенство(19)может бытьсоблюденотолько приусловии:

dU/di=U’

Отсюдазаключаем, чтоколебания врассматриваемомконтуре

могутвозникнутьтолько припадающейвольтампернойхаракте-

ристикеразряда.

Исследованиеусловий, прикоторых r1иr2действительны

иоба меньшенуля, приводитк условиямустойчивостиразряда

постоянноготока:

(1/CR+U’/L)>0 и (21)

U’/R+1>0. (22)

Условия(21)и (22)представляютсобой общиеусловия

Устойчивостиразряда, питаемогопостояннымнапряжением.Из

(21)следует, чтопри возрастающейвольтампернойхаракте-

ристикеразряд всегдаустойчив.

Объединяяэто требованиес условием(22),находим, что

припадающейхарактеристикеразряд можетбыть устойчивым

толькопри

|U’|

Принепосредственномпримененииформул этогопараграфа

квопросу о генерацииколебаний припомощи дугиприходится

братьU' из «среднейхарактеристики»,построеннойна основаниивосходящейи нисходящейветвей динамическойхарактеристики.

Припериодическомизменении силытока в дугеПетрова из-

меняютсятемператураи плотностьгаза и скоростиаэродина-мическихпотоков. Приподборе соответствующегорежима эти

измененияприводят квозникновениюакустическихколебании

вокружающемвоздухе. В результатеполучаетсятак называ-емаяпоющаядуга, воспроизводящаячистые музыкальныетона.

6.С увеличениемдавления газаи с увеличениемплотности токатемпературапо оси положительногостолба,отшнуровав-шегосяот стенок разряднойтрубки, поднимаетсявсебольшеи больше. Процессыионизацииначинают приниматьхарактер, всёболее и болеесоответствующийчисто термическойионизации.Средняя кинетическаяэнергия электроновплазмы приближаетсяк среднейкинетическойэнергии частицнейтральногогаза. Плазмастановитсяблизкой посвоим свойствамк изотерми-

ческойплазме. Всё этопозволяетрешать задачуо нахождении

различныхпараметровразряда, в томчисло продольногоградиента поляв зависимостиот плотностиразрядноготока, на основаниитермодинамическихсоотношений.

Исходнымиположениямитеории положительногостолба дуго-

вогоразряда привысоком исверхвысокомдавлении служитуравнение Сагадля термическойионизации ввиде

αІp=AT^5/2e^-eUi/kT (24)

итеорема Больцманав виде соотношения

n_a=nge^(-eUa/kT) (25)

Здесьα—степеньионизации,р—давлениегаза, А—постоянная,

Т—температурагаза, U_i—потенциалионизации,k—постоянная

Больцмана,«n_a—концентрациявозбуждённыхатомов, n—концен-

трациянормальныхатомов, U_a—потенциалвозбуждения,g—отно-

шениестатистическихвесов g_a/g_nвозбуждённогои нормаль-ногосостоянияатома. Температураэлектронногогаза принимаетсяравнойтемпературенейтральногогаза. Для упрощениязадачаучитываетлишь один«усреднённый»уровень возбуждения.Разряднаятрубка предполагаетсярасположеннойвертикально.Влюбом другомположенииконвекционныепотоки газаискажают осевуюсимметриюрежима газа.

Обозначимвнутреннийрадиус разряднойтрубки черезR1,расстояниекакой-либоточки от оситрубки—черезr. Проведём

нарасстоянииодного сантиметраодин от другогодва сече-ния,перпендикулярныек оси трубки,и выделим междуними элементарныйобъём при помощидвух концентрическихцилин-дровс радиусамиrи r+dr(рис.8). Обозначимколичествоэнергии, выделяемойразрядом вединицу времени,приходя-щеесяна единицудлинытрубки,через N1,а количествоэнергии, приходящеесяна рассматриваемыйнами элементарныйобъём,—черезdN1.Количествоэнергии, излучаемойв едини-ц

увремени газом,заключённым

вединице длинывсей трубкии

врассматриваемомэлементарном

объёме,обозначим черезS1и dS1.

Внутритрубки существует

н

Рис.8. Элемент объемав аксиально-сим-метрическомразряде.

епрерывныйрадиальныйпоток

теплачерез газ понаправлению

отоси к стенке.Обозначимче-резdL1избыток количестватепла,покидающегов единицу временирассматриваемыйэлемент объёмачерезего внешнююграницу, надколичествомтепла, проникающегов тотже объём в единицувремени черезего внутреннююграницу состороны оситрубки.Допустим,что конвекционныепотоки газастрого вертикальныи ненарушают тепловогорежима газа.

Условиетепловогобаланса рассматриваемогоэлементарного

объёманапишется вобщем виде так:

dN1=dL1+dS1. (26)

Вследствиеналичия осевойсимметрии всевеличины, характе-

ризующиесостояние газаи режим разряда,одинаковы для

точек,находящихсяна одном и томже расстоянииr от оси.

Таккак площадьоснованиярассматриваемогоэлементарного

объёмаравна 2пrdr,то для мощности,выделяемойв этом

объёме,можем написать:

dN₁=2пri_rE_zdr, (27)

ндеi_r-плотностьтока на расстоянииrот оси, а E_z-про-дольныйградиент поля,одинаковыйпо всему поперечномусечению трубки.Обозначаякоэффициенттеплопроводностигаза при температуреТ через λ_т,напишим дляdL₁,пренебрегаячленами высшегопорядка малости:

dL₁=2п(r+dr)(λ_тdT/dr)_r+dr-2пr(λ_тdT/dr)_r=2пd(rλ_тdT/dr)/dr(28)

Допустим,что излучаемаягазом энергияцеликом покидает

разрядныйпромежутокбез заметнойреабсорбциив газе. Такое

допущениеможно сделатьпотому, чтоабсорбируемоегазом резонансноеизлучениесоставляетпри большомдавлении лишьнезначительнуюдолго общегоизлучения газа.Так как излу-чаемаязаединицу временяэнергия пропорциональнаконцен-трациивозбуждённыхатомов n_a,то для dS₁можем написать:

dS₁=2пrCn_adr, (29)

гдеС—постоянныймножитель, независящий отТ. Подстановка

значений(29)и (28)в (26)даёт:

2пri_rE_zdr=2пd(rλ_тdT/dr)dr/dr+ 2пrCn_adr (30)

Пренебрегаямалой долейтока, приходящейсяна долю поло-

жительныхионов, и обозначаяподвижностьэлектроновчерез К_e,можемнаписать:

i=n_eeK_eE_z. (31)

Еслиобозначимправую частьуравнения Сага(24)через f₁(T),а рв левой частизаменим черезnkТ, где n — концен-трациянейтральныхчастиц газа,то найдём:

α²=f₁(T)/nkТ. (32)

nпропорциональномассе газа,заключённогов единице длины

трубки,g₁и обратнопропорциональноквадрату радиусатруб-киR1итемпературегаза в даннойточке:

n=C₁g₁/TR₁² (33)

П

оэтомувместо (32)можем написать:

α=R₁√f1(T)/C1k/√g₁=R₁f₂(T)/√g₁ (34)

СогласноуравнениюЛанжевенаскорость движенияэлектрона

в

газе в поленапряжённостиЕ_zравна:

u=K_eE_z=aeλ_eE_z/mv (35)

г

деv—средняя арифметическаяскорость тепловогодвижения

электронов,прямо пропорциональнаяквадратномукорню из температурыэлектронногогаза, в то времякак λ_eобратно пропорциональноn.Следовательно,

K_e=C₂/nT^1/2 (36)

Согласноопределениювеличины α:

n_e=αn (37)

Из(31),(34),(37)и (36)следует:

i_r=E_zR_iC₂f₂(T)/g₁^1/2T^1/2 (38)

гдеТ—температурагаза на расстоянииrот оси. Из (38)

и(27)следует:

dN₁=2пrE_r²R₁C₂f₂(T)dr/g₁^1/2T^1/2=2пrE_z²R₁f₃(T)dr/g₁^1/2,(39)

СогласноуравнениюБольцмана (25):

n_a=nge^(-eUa/kT)=C₁gg₁e^(-eUa/kT)/TR₁²=g₁f₄(T)/R₁², (40)

гдеf₄(T)=C₁ge^(-eUa/kT)/T.

Вставляяэто значениеn_aв (29)и заменяя Сf₄(Т)через f₅(Т),находим:

dS₁=g₁2пrf₅(Т)dr/R₁². (41)

Подстановка(39),(28)и (41)в (26)даёт

E_r²R₁f₃(T)/g₁^1/2=d(rλ_тdT/dr)/rdr+g₁f₅(Т)dr/R₁² (42)

Вуравнении (42)f₃(T)и f₅(T),а также λ_т-функцииодного толькопеременногоТ. Поэтому (42)представляетсобой

дифференциальноеуравнение,связывающеепеременныеТ и r.

Граничнымиусловиями,которым должноудовлетворятьрешение

этогоуравнения,являются: а)при r=Rусловие Т=Т_ст,гдеТ_ст—температурастенки разряднойтрубки; б) приr=0 условиеdT/dr = 0,так как на оситрубки температурагаза имеетмаксимальноезначение.

Всевеличины,характеризующиеразряд, являютсяфункциями

отодного толькоТ.Поэтому решениеуравнения (42)могло

быдать полноерешение всехколичественныхвопросов, связанныхс данным типомразряда. Однакозначение уравнения(42)заключаетсяглавным образомв том, что путёмперехода кбезразмернымвеличинам оноприводит кхарактернымдля данноготипаразряда законамподобия, позволяющимперено-ситьколичественныерезультаты,установленныеэксперимента-льнодляоднихзначений N₁,R₁и g₁на режим разрядапри другихзначениях этихвеличин. Этотприём аналогичентому, которыйприменяетсядля решениянекоторых задачгидродина-микитакжелишьна основаниианализа дифференциальногоуравнения иэкспериментальныхизмерений намоделях, постро-енныхв соответствиис законамиподобия гидродинамики.В данном случаеподобнымиявляются дваразряда, в которыхв соответственныхточках,характеризуемыходной и той жевеличинойотношения r/R₁,температурагаза одна и таже.

Практическинаиболеесущественнымиявляются следующие

двазакона подобия:

Первыйзакон подобияотшнурованногодугового разрядавысокого давления.Два дуговыхразряда высокогодавления вцилиндрическихтрубках различногодиаметра (2R₁≠ 2R₁'),наполненныхгазом так, чтона один сантиметрдлины той идругой трубкиприходитсяодно и то жеколичествогаза (g₁=g₁’),являются подобнымив том случае,если N₁=N₁’,т.е. если расходуемыемощностина единицудлины трубкив обоих случаяходинаковы.

Второйзакон подобияотшнурованногодугового разрядавысокого давления.Два дуговыхразряда высокогодавления впарахртутив цилиндрическихтрубках различногодиаметра (2R₁≠ 2R₁'),наполненныхпарами ртутитак, что на одинсантиметр длиныкаждой из трубокприходятсяразличныеколи-чествапаров ртути(g₁≠g₁’),являются подобными,если расходуемыена единицудлины каждойтрубки мощностиN₁ иN₁’удовлетворяютсоотношению

N₁/N₁’=8,5+5,7g₁/8,5+5,7g₁’ (43)

Приэтом предполагается,что ртуть вразряде полностьюперешлавпарообразноесостояние.Коэффициенты8,5 и 5,75 определеныэкспериментально.

Кописанномув этой главетипу разрядапринадлежиттакже

иположительныйстолб (пламя)дуги Петрова,представляющий

собойшнур изотермическойплазмы. В этомслучае граничные

условияна стенкахтрубки отпадаюти должны бытьзаменены

условиямив пограничномслое шнура.

Внастоящеевремя, кромедугового разрядав парах ртути

сверхвысокогодавления (до100 атм и более),исследовани нашёлтехническоеприменениетакже и дуговойразряд в инер-тныхгазах Nе,Аr,Кrи Хе при давленияхдо 20 атм и выше.

План:

3. ВВедение.

4. Свойствадугового разряда.

1.Образованиедуги.

2.Катодное пятно.Внешний види отдельныечасти

дуговогоразряда.

3.Распределениепотенциалаи вольтамперная

характеристикапри дуговомразряде.

4.Температураи излучениеотдельныхчастей дуювогоразряда.

5.Генерациянезатухающихколебаний припомощи элек-

трическойдуги.

6.Положительныйстолб дуговогоразряда привысоком

исверхвысокомдавлении.

5. Применениедуговогоразряда.

III

1.Современныеметоды электрообработки.Среди современныхтехнологическихпроцессов однимиз самых распространенныхявляетсяэлектросварка.Сварка позволяетсваривать,паять, склеивать,напылять нетолько металлы,но и пластмассы,керамику и дажестекло. Диапазонпримененияэтого методапоистине необъятен— от производствамощных подъемныхкранов, строительныхметаллоконструкций,оборудованиядля атомныхи других электростанций,постройкикрупнотоннажныхсудов, атомныхледоколов доизготовлениятончайшихмикросхем иразличныхбытовых изделий.В ряде производстввнедрениесварки привелок коренномуизменениютехнологии.Так, подлиннойреволюциейв судостроениистало освоениепоточной постройкисудов из крупныхсварных секций.На многих верфяхстраны сейчасстроят крупнотоннажныецельносварныетанкеры. Электросваркапозволиларешить про-блемысозданиягазопроводов,рассчитанныхна работу всеверных условияхпри давлении100—120 атмосфер.СотрудникиИнститутаэлектросваркиим. Е. О. Патонапредложилиори-

гинальныйметод изготовлениятруб на основесварочнойтех-нологии,предназначенныхдля такихгазопроводов.Из таких

трубсо стенкамитолщиной до40 миллиметрови собираютвысоконадежныегазопроводы,пересекающиеконтиненты.

Большойвклад в развитиеэлектросваркивнесли советскиеученые и специалисты.Продолжая итворческиразвивая насле-диесвоих великихпредшественников—В.В. Петрова, Н.Н. Бенардоса,Н. Г. Славянова,они создалинауку о теорети-ческихосновах сварочнойтехники, разработалиряд новыхтехнологическихпроцессов.Всему мируизвестны именаакаде-миковЕ. О. Патона, В.П. Вологдина,К. К. Хренова,Н. Н.

Рыкалинаи др.

Внастоящее времяшироко применяетсяэлектродуговая,электрошлаковаяи плазменно-дуговаясварка.

2.Электродуговаясварка. Простейшимспособом являетсяручная дуговаясварка. К одномуполюсу источникатока гибкимпроводомприсоединяетсядержатель, кдругому—свариваемоеизделие. В держательвставляетсяугольный илиметаллическийэлектрод. Прикороткомприкосновенииэлектро-да кизделию зажигаетсядуга, котораяплавит основнойметалл и стерженьэлектрода,образуя сварочнуюванну, даю-щуюпри затвердеваниисварочный шов.

Ручнаядуговая сваркатребует высокойквалификациирабо-чего иотличаетсяне самыми лучшимиусловиямитруда, но с еепомощью можносвариватьдетали в любомпространственномположении, чтоособенно важнопри монтажеметаллоконстру-кций.Производительностьручной сваркисравнительноневысо-кая изависит взначительноймере от такойпростой детали,

кaкэлектрододержатель.И сейчас, каки сто лет назад,

продолжаютсяпоиски наилучшейего конструкции.Серию про-стыхи надежныхэлектрододержателейизготовилиленинград-скиеноваторы М. Э.Васильев и В.С. Шумский.

Придуговой сваркебольшое значениеимеет защитаметалла шваот кислородаи азота воздуха.Активно взаимодействуяс расплавленнымметаллом, кислороди азот атмосферноговоздуха образуютокислы и нитриды,снижающиепрочность ипластичностьсварного соединения.

Существуютдва способазащиты местасварки: введениев материалэлектрода иэлектродногопокрытия различныхвеществ (внутренняязащита) и введениев зону сваркиинертных газови окиси углерода,покрытие местасварки флюсами(внешняя защита).

В1932 г. в Московскомэлектромеханическоминститутеинженеровжелезнодорожноготранспортапод руководствомакадемика К.К. Хренова впервыев миребылаосуществленадуговая электросваркапод водой.Однакоеще в 1856 г. Л. И.Шпаковскийвпервые провелопыт по оплавлениюдугой медныхэлектродов,опущенных вводу. По советуД. А. Лачинова,получившегоподводнуюдугу, Н. Н. Бенардосв 1887 г. про-извелподводную резкуметалла. Понадобилось45 лет, чтобы

первыйопыт получилнаучное обоснованиеи превратилсяв метод.

А16 октября 1969 г.электрическаядуга впервыевырва-лась вкосмос. Вот какоб этом выдающемсясобытии сообща-лосьв газете «Известия»;«Экипаж космическогокорабля «Союз-6»в составеподполковникаГ. С. Шонина ибортинжене-раВ. Н. Кубасоваосуществилэкспериментыпо проведениюсварочных работ, в космосе. Цельюэтих экспериментовяви-лось определениеособенностейсварки различныхметаллов вусловиях космическогопространства...Поочереднобыли осуществленынесколько видовавтоматическойсварки». И да-

лее:«Проведенныйэкспериментявляется уникальными имеет большоезначение длянауки и техникипри разработкетехно-логиисварочно-монтажныхработ в космосе»...

3.Плазменнаятехнология.Эта технологияоснована

наиспользованиидуги с высокойтемпературой.Она

включаетплазменнуюсварку, резку,наплавку иплазменно-механическуюобработку.

Какповыситьпроизводительностьдуги? Для этогонадо получитьдугу с большейконцентрациейэнергии, т. е.дугу надосфокусировать.Добиться этогоудалось в 1957—1958гг., когда вИнститутеметаллургииим. А. А. Байковабыла созда-нааппаратурадля плазменно-дуговойрезки.

Какувеличитьтемпературудуги? Наверное,так же, как повышаютдавление водянойили воздушнойструи,-пропустивее через узкийканал.

Проходячерез узкийканал соплагорелки, дугаобжимаетсяструей газа(нейтрального,кислородсодержащего)или смесьюгазов и вытягиваетсяв тонкую струю.При этом резкоменя-ются еесвойства: температурадугового разрядадостигает

50000 градусов,удельная мощностьдоходит до 500и более киловаттна один квадратныйсантиметр.Ионизацияплазмы в газовомстолбе настольковелика, чтоэлектропроводностьее оказываетсяпочти такойже, как и у металлов.

Сжатуюдугу называютплазменной.С ее помощьюосуществля-ютплазменнуюсварку, резку,направку, напылениеи т. п. Для полученияплазменнойдуги созданыспециальныегенера-торы— плазмотроны.

Плазменнаядуга, как и обычная,бывает прямогои косвен-ногодействия. Дугапрямого действиязамыкаетсяна изделие,косвенногодействия — навторой электрод,которым служитсопло. Во второмслучае из соплавырываетсяне дуга, а плазменнаяструя, возникающаяза счет нагревадугой и последующейионизацииплазмообразующегогаза. Плазменнаяструя применяетсяв основном дляплазменногонапыления иобработкинеэлектропроводныхматериалов.

Газ,окружающийдугу, выполняеттакже теплозащитнуюфункцию.

Наибольшуюнагрузку вплазмотроненесет сопло.Чем выше еготеплостойкость,тем большийток можно получитьв плаз-мотронекосвенногодействия. Наружныйслой плазмообразу-ющегогаза имеетотносительнонизкую температуру,поэтому онзащищает соплоот разрушения.

Значительноеповышениетемпературыплазмообразующегогаза в плазмотронахпрямого действияможет привестик электри-ческомупробою и возникновениюдвойной дуги— между катодоми соплом и междусоплом и изделием.В таком случаесопло обычновыходит изстроя.

4.Плазменнаясварка. Существуютдве конструкцииплазмо-тронов.В одних конструкцияхгаз подаетсявдоль дуги, приэтом достигаетсяхорошее ееобжатие. В другихконструкцияхгаз охватываетдугу по спирали,за счет чегоудается полу-читьстабильнуюдугу в каналесопла и обеспечитьнадежную защитусопла пристеночнымслоем газа.

Вплазмотронахпрямого действиядуга возбуждаетсяне сразу, таккак слишкомвелик воздушныйпромежутокмежду катодоми изделием.Сначала возбуждаетсятак называемаядежурная, иливспомогательная,дуга междукатодом и соплом.Развиваетсяона из искровогоразряда, которыйвозникает поддействиемнапряжениявысокой частоты,создаваемогоосцилля-тором.Поток газавыдувает дежурнуюдугу, она касаетсяобрабатываемогометалла, и тогдазажигаетсяосновная дуга.После этогоосцилляторвыключают, идежурная дугагаснет. Еслиэтого не произойдет,может возникнутьдвойная дуга.

Зонушва при плазменнойсварке, как ипри других еевидах, защищаютот действияокружающеговоздуха. Дляэтого кромеплазмообразующегогаза в специальноесопло подаютзащитный газ:аргон или болеедешевый ираспространенныйуглекислыйгаз. Углекислыйгаз часто используютне только длязащиты, но идля образованияплазмы. Иногдаплазменнуюсварку ведутпод слоем флюса.

Плазменно-дуговуюсварку можнопроизводитькак автомати-чески,так и вручную.В настоящеевремя этотметод получилдовольно широкоераспространение.На многих заводахвнедре-на плазменнаясварка сплавовалюминия исталей. Значитель-нуюэкономию далоприменениеоднопроходнойплазменнойсварки алюминиявместо многопроходнойаргонно-дуговойсвар-

ки.Сварку ведутна автоматическойустановке сприменениемуглекислогогаза в качествеплазмообразующегои защитного.

IV

Всовременнойжизни применениеэлектрическойэнергииполу-чилосамое широкоераспространение.Достиженияэлектротех-никииспользуютсяво всех сферахпрактическойдеятельностичеловека: впромышленности,сельском хозяйстве,на транс-порте,в медицине, вбыту и т. д. Успехиэлектротехникиоказываютсущественноевлияние наразвитиерадиотехники,электроники,телемеханики,автоматики,вычислительнойтех-ники,кибернетики.Все это сталовозможным врезультатестроительствамощных электростанций,электрическихсетей, созданияновых электроэнергетическихсистем, совершенс-твованияэлектротехническихустройств.Современнаяэлектротехническаяпромышленностьвыпускаетмашины и аппаратыдля производства,передачи,преобразования,распределенияи потребленияэлектроэнергии,разнообразнуюэлектротехническуюаппаратуруи технологическоеобору-дование,электроизмерительныеприборы и средстваэлектро-связи,регулирующую,контролирующуюи управляющуюаппарату-рудля системавтоматическогоуправления,медицинскоеи научноеоборудование,электробытовыеприборыи машины и многоедругое. В последниегодыдальнейшееразвитие получи-лиразличныеметодыэлектрообработки:электросварка,плазменнаярезкаинаплавка металлов,плазменномехани-ческаяи электроэрозионнаяобработка.Извышесказанного

видно,что исследованиеразряда в газеимеет большоезначе- ние дляобщенаучногои техническогопрогерсса.Следова-тельно,не нужно останавливатьсяна достигнутом,анеобходи-мопродолжатьисследования,отыскиваянеизвестное,тем самым стимулируявдальнейшемпостроениеновых теорий.

39

Хабаровскийгосударственныйпедагогическийуниверситет

КУРСОВАЯРАБОТА

« ДУГОВОЙРАЗРЯД В ГАЗАХ»

Выполнил:студент 131гр.ФМФ

ЗюльевМ. Н.

Хабаровск1999.