Потенциал ионизации. Уравнение Саха.
Столб дуги представляет собой плазму, содержащую помимо атомов и молекул газа свободные ионы и электроны. В плазме столба непрерывно происходят процессы ионизации и рекомбинации заряженных частиц. ионизация идет двумя основными путями – соударением и поглощением квантов излучения.
Возможны два вида соударений – упругие и неупругие. При упругих соударениях электроны отдают часть кинетической энергии тяжелым ионам. Температура плазмы повышается. При неупругих соударениях энергия расходуется на диссоциацию молекул, возбуждение и, наконец, ионизацию атомов.
Энергия, необходимая для отрыва электрона с внешней оболочки атома, называется потенциалом ионизации U, который измеряется в вольтах (точнее в электрон-вольтах). Величина U является периодической функцией атомного номера элемента.
Наименьший потенциал ионизации имеют щелочные металлы, причем его величина уменьшается с ростом атомного номера (ULi > UK >UCs). В пределах одного периода таблицы Д.М. Менделеева величина U растет с увеличением номера группы. Максимальная величина U имеет место для инертных газов, причем его величина также падает с ростом атомного номера (UHe > UAr). Потенциал однократной ионизации изменяется от 3,9 В до 24,5 у гелия. Для двукратной ионизации атомов требуется температура порядка 50000 оК, не встречающаяся при сварке.
Атомы могут ионизироваться не только при соударениях, но и при поглощении квантов лучистой энергии. Условие фотоионизации
hν > eU,
где h – постоянная Планка
ν – частота излучения.
Всякое разделение зарядов ведет к возникновению электрических полей. Однако это заметно на расстояниях порядка 10-10 ÷ 10-4 м. В больших объемах соблюдается условие квазинейтральности плазмы, т.е. суммарные заряды ионов и электронов равны. Малейшее нарушение условия квазинейтральности создает огромные электрические поля и равновесие быстро восстанавливается.
Количество носителей зарядов в плазме столба дуги определяет его проводимость и, как следствие, стабильность горения дуги.
Проводимость столба дуги пропорциональна степени ионизации х,которая для однородного газа определяется из уравнения Саха ( х<< 1)
где:
а—квантовый коэффициент газа, изменяется от 1 до 4;
р – давление, Ра;
Т– абсолютная температура, °К;
U – потенциал ионизации , В.
Величина х растет с повышением температуры и уменьшением потенциалом ионизации и падает с повышением давления. Графики зависимости х от температуры представляют собой S – образные кривые. С ростом потенциала ионизации эти кривые сдвигаются вправо.
х
1,0
К Fe Ar
Т
Т. к. в реальных условиях сварки атмосфера дугового промежутка представляет собой смесь газов и паров металлов, то в уравнение Саха подставляется значение эффективного потенциала ионизации Uэф , который оценивается по формуле
,
где:
Ni ¾ молярная концентрация i- ого компонента
Ui ¾ его потенциал ионизации.
Рассмотрим пример расчета Uэф для смеси паров калия и железа, результаты которого приведены на рисунке
Из рис.1 следует, что даже незначительные добавки легкоионизирующихся компонентов значительно уменьшает Uэф и , следовательно, стабильность горения дуги повышается.
Знание Uэф позволяет оценить температуру сарочной дуги по эмпирическим формулам
Т = 800 Uэф при РДС;
Т= 1000 Uэф при сварке в среде аргона.
Эффективный потенциал ионизации смеси паров калия и железа