Структура электродугового разряда
В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой заряд или электрическая дуга, которая позволяет нагревать различные среды до высоких температур, недостижимых при сжигании топлива.
Термины «разряд», «дуговой разряд» возникли как описания явления потери «заряда» батареей гальванических элементов или конденсаторов через газы и вакуум.
В большинстве случаев формы существования дуги самые разнообразные, однако, сохранилось первоначальное название «дуги» данное этому явлению В.В.Петровым ещё в 1802 г. При описании разряда между горизонтальными электродами в воздухе. При этом высокотемпературный газ в межэлектродном промежутке конвективными потоками воздуха изгибался выпуклостью вверх, принимая форму дуги.
Электрическая дуга – является одним из процессов, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пар или вакуум. По внешним признакам и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны. В общем случае их подразделяют на самостоятельные и несамостоятельные.
В самостоятельных разрядах – заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счёт энергии источника тока. Для поддерживания несамостоятельного разряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов.
Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (102-106А/см2), низким катодным падениям потенциала (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значения порядка (3÷5)·103К и выше.
Чтобы обеспечить прохождение 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. Работа выхода электронов для данного металла меньше его ионизации. Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это может быть достигнуто следующими способами:
1) наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия);
2) повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).
Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счёт бомбардирования поверхности электрода ионами. Эмиссия электронов катодом в результате его разогрева называют термоэлектронной эмиссией.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала катода и определяется по формуле
где JTЭ – плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/см2; A1,B1 – постоянные, зависящие от материала электродов; T - температура поверхности электрода, К.
Для вольфрамового катода в вакууме при Т=1500 К JTЭ =10-7 А/см2.
На холодных катодах при напряжённости электрического поля у электродов 106 –107 В/см возникает автоэлектронная эмиссия (выравнивание электронов электрическим полем), плотность тока который определяется эмпирическим выражением
где Е – напряжённость электрического поля у поверхности электрода, В/см; А2,В2 – постоянные для данного материала.
Для повышения тока эмиссии и снижения работы выхода электронов в основной материал электродов вводятся активирующие добавки в виде щелочных и редкоземельных металлов (Cs, Li, K, Na, Сa).
Рис. Распределение потенциала и носителей вдоль канала столба дуги.
При расстоянии между электродами более 4-5 мм вдоль дугового промежутка существует определённое распределение потенциала. Для асимметричного дугового столба распределение потенциала показано на рисунке. В межэлектродном промежутке выделяются три зоны:
1) область катодного падения потенциала простирающаяся от катода примерно на 10-6 м и имеющаяпадение потенциала около 8-15 В;
2) область положительного дугового столба с напряжением в несколько вольт до нескольких киловольт в зависимости от длины и условий горения дуги;
3) область анодного падения потенциала, имеющая протяжённость ~ 10-6м и падение потенциала 2-20 В.
Полное падение напряжения между электродами
Uд=Ua+Uk+EL
где Ua,Uk- анодная и катодное падение потенциала, В; Е – напряжённость электрического поля, В/м; L – длина дуги, м.
Лекция №11