Дуговой разряд в газах

План: I. ВВедение. II. Свойства дугового разряда. 1.Образование дуги. 2. Катодное пятно. Внешний вид и отдельные части дугового разряда. 3. Распределение потенциала и вольтамперная характеристика при дуговом разряде. 4. Температура и излучение отдельных частей дугового разряда. 5. Генерация незатухающих колебаний при помощи элек- трической дуги. 6. Положительный столб дугового разряда при высоком и сверхвысоком давле нии. III. Применение дугового разряда. 1. Современные методы электрообработки. 2. Электродуговая сварка. 3. Плазменная технология. 4. Плазменная сварка. IV. Заключение. I Дуговой разряд в виде так называемой электрической (или вольтовой) дуги был впервые обнаружен в 1802 году русским учёным профессором физики Военно - медико-хирургической академии в Петербурге, а впоследствии академиком Петербургской Академии наук Василием Владимировичем Петровым. Петро в следующими словами описывает в одной из изданных им книг свои первые н аблюдения над электрической дугой: «Если на стеклянную плитку или на с камеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных уг ля... и если металлическими изолированными направлятелями...сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на ра сстояние от одной до трёх линий,то является между ними весьма яркий бело го цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее за гораются и от которого тёмный покой довольно ясно освещен быть может... ». Путь к электрической дуге начался в глубокой древности. Еще греку Фалесу Милетскому, жившему в шестом веке до нашей эры, было известно свойство я нтаря притягивать при натирании легкие предметы— перышки, солому, воло сы и даже создавать искорки. Вплоть до семнадцатого века это был единств енный способ электризации тел, не имевший никакого практического приме нения. Ученые искали объяснение этому явлению. Английский физик Уиль ям Гильберт (1544— 1603) установил, что и другие тела (например, горный хрустал ь, стекло), подобно янтарю, обладают свойством притягивать легкие предме ты после натирания. Он назвал эти свойства электрическими, впервые введя этот термин в употребление (по-гречески янтарь— электрон). Бургомистр из Магдебурга фон Герике (1602— 1686) сконструировал одну из п ервых электрических машин. Это была электростатическая машина, предста влявшая собой серный шар, укрепленный на оси. Одним из полюсов служил... са м изобретатель. При вращении рукоятки из ладоней довольного бургомистр а с легким потрескиванием вылетали синеватые искры. Позднее машину Гери ке усовершенствовали другие изобретатели. Серный шар был заменен стекл янным, а вместо ладоней исследователя в качестве одного из полюсов приме - нены кожаные подушечки. Большое значение имело изобретение в восемнадцатом веке лейденской ба нки— конденсатора, позволившего накапливать электричество. Это был ст еклянный сосуд с водой, обернутый фольгой. В воду погружали металлически й стержень, пропущенный через пробку. Американский ученый Бенджамин Франклин (1706— 1790) доказал, что вода в собира нии электрических зарядов никакой роли не играет, этим свойством облада ет стекло— диэлектрик. Электростатические машины получили довольно широкое распространение, но лишь как забавные вещицы. Были, правда, попыт ки лечения больных с помощью электричества, однако каков был физиотерап евтический эффект такого лечения, сказать трудно. Французский физик Шарль Кулон (1736— 1806)— основатель электростатики-в 1785 г. установил, что сила взаимодействия электрических зарядов пропорционал ьна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между н ими. В сороковых годах восемнадцатого века Бенджамин Франклин выдвинул тео рию о том, что существует электричество только одного рода— особая элек трическая материя, состоящая из мельчайших частиц, способных проникать внутрь вещества. Если в теле имеется избыток электрической материи, оно заряжено положительно, при ее недостатке— тело заряжено отрицательно. Франклин ввел в практику знаки «плюс» и «минус»,а также термины: конденс атор, проводник, заряд. С оригинальными теориями о природе электричества выступили М. В. Ломон осов (1711— 1765), Леонард Эйлер (1707— 1783), Франц Эпинус (1724— 1802) и другие ученые. К концу восемнадцатого века свойства и поведение неподвижных зарядов были дос таточно изучены и в какой-то мере объяснены. Однако ничего не было извес тно об электрическом токе— движущихся зарядах, так как не существовало устройства, которое могло бы заставить двигаться большое количество за рядов. Токи, получаемые от электростатической машины,были слишком малы, их нельзя было измерить. II 1. Если в тлеющем разряде увеличивать силу тока, уменьшая внешнее сопро тивление, то при большой силе тока напряжение на зажимах трубки начинает падать, разряд быстро развива-ется и превращается в дуговой. В большинст ве случаев переход совершается скачком и практически нередко ведёт к ко роткому замыканию. При подборе сопротивления внешнего контура удаётся стабилизовать переходную форму разряда и наблюдать при определённых д авлениях непрерывный переход тлеющего разряда в дугу. Параллельно с пад ением напряжения между электродами трубки идёт возрастание температур ы катода и постепенное уменьшение катодного падения. Применение обычн ого способа зажигания дуги путём раздвигания электродов вызвано тем, чт о дуга горит при сравнительно низких напряжениях в десятки вольт, тогда как для зажигания тлеющего разряда нужно при атмосферном давлении напр яжение порядка десятков киловольт. Процесс зажигания при раздвигании э лектродов объясняется местным нагреванием электродов вследствие обра зования между ними плохого контакта в момент разрыва цепи. Вопрос о раз витии дуги при разрыве цепи технически важен не только с точки зрения по лучения «полезных» дуг, но также и с точки зрения борьбы с «вредными» ду гами, например с образованием дуги при размыкании рубильника. Пусть L-са мо- индукция контура, W— его сопротивление, ?— э.д.с. источника тока,U(I)— фун кция вольтамперной характеристики дуги. Тогда мы должны иметь: ?= L dI/dt+WI+U(I) (1) и ли LdI/dt=(?-WI)-U(I)=? (2). Разность (? — WI) есть не что иное, как ордината прямой сопротивлен ия АВ (рис.1), а U(I)— ордината характеристики дуги при данном I. Чтобы dI/dt было о трицательно, т.е.Чтобы ток I непременно уменьшался со временем и между эле ктродами рубильника не образовалось стойкой дуги, надо, чтобы Рис.1. Относительное положение прямой сопротивления и кривой вольтампер ной характеристики установившейся дуги для случаев:а)когда дуга пе може т возникнуть при разрыве цепи; б)когда дуга возникает при разрыве в интер вале силы тока, соответствующем точкам Р и Q. имело место ??-WI. Для этого характеристика всеми своими точками должна ле жать выше прямой сопротивления (рис. 1, а). Это простое заклю-чение пе учитыв ает ёмкости в цепи и относится лишь к постоянному току. Точка пересечения прямой сопротивления с кривой вольт-амперной характ еристики установившейся дуги соответствует низшему пределу силы посто янного тока, при котором может возникнуть дуга при разрыве цепи (рис. 1, б). В случае размыкания рубильником дуги переменного тока,потухающей при к аждом переходе напряжения через нуль, существенно, чтобы условия,имеющи еся налицо в разрядном промежутке при размы-кании, не допускали нового з ажигания дуги при последующем возрастании напряжения источника тока. Д ля этого требует-ся,чтобы при возрастании напряжения разрядный промежу ток был достаточно деионизован. В выключателях сильных перемен-ных токо в искусственно добиваются усиленной деионизации путём введения специа льных электродов, отсасывающих заря-женные частицы газа благодаря двуп олярной диффузии, а также путём применения механического дутья или путё м воздействия на разряд магнитным полем. При высоких напряжениях при-мен яют масляные выключатели. 2. Катодное пятно, неподвижное на угол ьном катоде, на поверхности жидкой ртути находится в непрерывном быстро м движении. Положение катодного пятна на поверхности жидкой ртути может быть закреплено при помощи металлического штифта, погруженного в ртуть и немного высовывающегося из неё. В случае небольшого расстояния между анодом и катодом тепловое излучение анода сильно влияет на свойства кат од-ного пятна. При достаточно большом расстоянии анода от угольного като да размеры катодного пятна стремятся к неко-торому постоянному предель ному значению, и площадь, занима-емая катодным пятном на угольном электр оде в воздухе, пропорциональна силе тока и соответствует при атмосферно м давлении 470 а/смІ.Для ртутной дуги в вакууме найдено 4000 а/смІ. При уменьше нии давления площадь, занимаемая катодным пятном на угольном катоде, при постоянной силе тока увели-чивается. Резкость видимой границы катодно го пятна объясняется тем, что сравнительно медленному уменьшению темпе ратуры с удале-нием от центра пятна соответствует быстрое падение как св е-тового излучения, так и термоэлектронной эмиссии, а это равносильно ре зкой «оптической» и «электрической» границам пятна. Угольный катод п ри горении дуги в воздухе заостряется, тогда как на угольном аноде, если р азряд не перекрывает всю переднюю площадь анода, образуется круглое угл убление— положительный кратер дуги. Образованно катодного пятна объ ясняется следующим образом. Распределение пространственных зарядов в тонком слое у катода таково, что здесь разряд требует для своего поддерж ания тем меньшей разницы потенциалов, чем меньше поперечное сечение кан ала разряда. Поэтому разряд на катоде должен стягиваться. Непосредстве нно к катодному пятну прилегает часть разряда, называемая отрицательно й пли катодной кистью или отрицательным пламенем. Длина катодной кисти в дуге при низком давлении определяется тем расстоянием, на которое залет ают быстрые первичные электроны, получившие свои ско-рости в области кат одно го падения потенциала. Между отри цательной кистью и положительным столбом расположена область, аналоги чная фарадееву тёмному пространству тлеющего разряда. В дуге Петрова в в оздухе, кроме отрицательной кисти, имеется положи-тельное пламя и ряд ор еолов. Спектральный анализ указывает на наличие в этих пламенах и ореола х ряда химических соединений (циана и окислов азота). При горизонтально м расположении электродов и большом давлении газа положительный столб дугового разряда изги-бается кверху под действием конвекционных токов нагретого разрядом газа. Отсюда произошло самое название дуговой разря д. 3. В дуге Петрова высокая температура и высокое давление не дают возможнос ти использовать для измерения распреде-ления потенциала метод зондов. Падение потенциала между электродами дуги складывается из катодного п адения и Uк, анодного падения Uа и падения в положительном столбе. Сумму ка тодного и анодного падений потенциала можно определить,сближая анод и к атод до исчез-новения положительного столба и измеряя напряжение между электродами.В случае дуги при низком давлении можно опре-делить значени я потенциала в двух точках столба дуги, поль-зуясь методом зондовых хара ктеристик, вычислить отсюда продольный градиент потенциала и далее под считать как анодное, так и катодное падение потенциала. Установлено, чт о в дуговом рязряде при атмосферном давлении сумма катодного и анодного падений примерно той же величины,что и ионизационный потенциал газа или пара, в котором происходит разряд. В технике применения дуги Петрова с у гольными электродами обычно пользуются эмпирической формулой Айртона: U=a+bl+(c+dl)/I (3) Здесь U— напряжение между электр одами, I— сила тока в дуге, l— длина дуги, а, b, с и d— четыре постоянных. Формул а характеристики (3) установлена для дуги между угольными электродами в в оздухе. Под l подразумевается расстояние между катодом и плоскостью, про ведённой через края положи-тельного кратера. Перепишем формулу (4) в виде U=а+c/I+l(b+d/I). (4) В (4) члены, содержащие множитель l, соответствуют падению потенци ала в положительном столбе; первые два члена представляют собой сумму ка тодного и ано-дного падения Uк+Uа. Постоянные в (3) зависят от давления воздух а и от условий охлаждения электродов, а следовательно, от размеров и форм ы углей. В случае дугового разряда в откачанном сосуде, запол-ненном пар ами металла (например, ртути), давление пара зависит от температуры наибо лее холодных частей сосуда и поэтому ход характеристики сильно зависит от условий охлаждения всей трубки. Динамическая характеристика дугов ого разряда силь-но отличается от статической. Вид динамической характе ристики зависит от быстроты изменения режима дуги. Практически наиболе е интересна характеристика дуги при питании переменным током. Одноврем енное осциллографирование тока и напряжения даёт картину, изображенну ю на рис.2. Начерченная по этим кривым характеристика дуги за целый период имеет вид, представленный на рис.3. Пунктиром покыазан ход напряжения при отсутствии разряда. Рис. 3. Осциллограмма тока и напряжения дугового разряда на переменном то ке низкой частоты. Точки А, В, С и т.д. соответствуют точкам,обозначенным теми же буквами на рис.4. Катод, не успевший ещё охладиться после разряда, имевшего место в предыд ущем полупериоде тока, с самого начала полупериода, когда внешняя э.д.с. пр оходит через нуль, эмиттирует электроны. От точки О до точки А характерис тика соответствует несамостоятельному разряду, источником которого яв ляются эмиттируемые катодом электроны. В точке А происходит зажигание д уги. После точки А разрядный ток быстро увеличивается. При наличии сопро тивления во внешней цепи напряжение между электродами дуги падает, хотя э.д.с. источника тока (пунктир на рис.3), пробегая синусоиду, ещё увеличивает ся. С уменьшением напряжения и тока, даваемого внешним источником, разря дный ток начинает уменьшаться. С уменьшением тока в дуге напряжение между её электро-дами может вновь в озрасти в зависимости от внешнего сопро-тивления, но часть ВС характерис тики на рис.4 может быть и горизонтальной или иметь про- тивоположный накл он. В точке С имеет место потухание дуги. После точки С ток несамостоятельного разряда уменьшается до нуля вмест е с уменьшением напряжения между электродами. После перехода напряжен ия через нуль роль катода начинает играть прежний анод и картина повторя ется при обратных знаках тока и напряжения. На вид динамической харак-т еристики оказывают влияние все условия, определяющие режим дуги: рассто яние между элек-тродами, величина внешнего сопро-тивления, самоиндукция и ёмкость внешней цепи, частота переменного тока, питающего дугу, и т. д. Е сли на электроды дуги, питаемой постоянным током, на-ложить переменное н апряжение амплитуды, меньшей, чем напряжение питающего дугу постоянног о тока, то харак-теристика имеет вид замкнутой петли, охватывающей стати- ческую характеристику ВС с двух сторон. При увеличении частоты переменн ого тока ось этой петли поворачивается, сама петля сплющивается и, након ец, стремится принять вид отрезка прямой ОА, проходящей через начало коо рдинат (рис.5). При очень малой частоте петля динамической харак-теристик и превращается в отрезок статической характеристики ВС, так как все внут ренние параметры разряда,в частности концентрация ионов и электронов, у спевают в каждой точке характеристики принимать значения, соответству ющие стацио-нарному разряду при данных U и I. Наоборот, при очень быстром из менении и параметры разряда совершенно не успе-вают изменяться, поэтому I оказывается пропорциональным и, что соответствует прямой ОА, проходящ ей через начало координат.Таким образом, при увеличении частоты перемен ного тока петля характеристики (рис. 5) становится во всех своих точках воз растающей. В связи с возможностью полной ионизации газа в дуговом разр яде стоит вопрос об обрыве дуги при малом давлении газа и очень сильных т оках. В явлении обрыва дуги существенную роль играет значительное умень шение плотности газа вслед-ствие электрофореза и отсоса ионов к стенкам , особенно в таких местах, где разрядный промежуток сильно сужен. Прак-тич ески это приводит к необходимости избегать чрезмерных сужений при пост ройке ртутных выпрямителей на очень большие силы тока. Электрики, имев шие впервые дело с электрической дугой, пытались применить закон Ома так же и в этом случае. Для получения результатов расчёта по закону Ома, согла сных с действительностью, им пришлось ввести представление об обратной электродвижущей силе дуги. По аналогии с явлениями в гальванических эле ментах, предполагаемое появление этой э.д.с. назвали поляризацией дуги. В опросу об обратной э.д.с. дуги посвящены работы русских учёных Д. А. Лачино ва и В. Ф. Миткевича. Дальнейшее развитие представлений об электрически х разрядах в газах показало, что такая пос-тановка вопроса является чист о формальной и может быть с успехом заменена представлением о падающей х арактеристике дуги. Справедливость этой точки зрения подтверждается неу-дачей всех попыток непосредственно обнаружить эксперимен-тально о братную э.д.с. электрической дуги. 4. В случае дуги в воздухе между угольными электродами преобладает излуч ение раскалённых электродов, главным образом,положительного кратера. Излучение анода, как излучение твёрдого тела, обладает сплошным спектро м. Интенсивность его определяется темпера-турой анода. Послздняя являе тся характерной величиной для дуги в атмосферном воздухе при аноде из ка кого-либо данного материала, так как температура анода от силы тока не за ви-сит и определяется исключительно температурой плавления или иозгон ки материала анода. Температура плавления или возгон-ки зависит от давле ния, под которым находится плавящееся или возгоняемое тело. Поэтому темп ература анода, а следова-тельно, и интенсивность излучения положительно го кратера зависят от давления, при котором горит дуга. В этом отно-шении и звестны классические опыты с угольной дугой под давленрюм, приведшие к п олучению очень высоких температур. Об изменении температуры положительного кратера с давле- нием даёт поня тие кривая рис. 6. Прямая линия, на которую на этом чертеже укладываются то чки для давлений от 1 атм и выше, служит подтверждением предположения, что темпера-тура положительного кратера определяется температурой плав-ле ния или возгонки вещества анода, так как в этом случае должна существова ть линейная зависимость между ln р и 1/T. Отступление от линейной зависимост и при более низких дав-лениях объясняется тем, что при давлении ниже 1 атм коли-чество тепла, выделяющееся на аноде, недостаточно для нагревания ан ода до температуры плавления или возгонки. Температура катодного пятна дуги Петрова всегда н а несколь- ко сот градусов ниже температуры положительного кратера. Вы сокие температуры шнура дуги не могут быть определены при помощи термоэ лемента или болометра. В настоящее время для определения температуры в д уге применяют спектральные методы. При больших силах тока температура газа в дуге Петрова может быть выше температуры анода и достигает 6000° К. Та кие высокие температуры газа характерны для всех случаев дугового разр яда при атмосферном давлении. В случае очень больших давлений (десятки и сотни атмосфер) температура в центральных частях отшнуровавшегося пол ожительного столба дуги доходит до 10 000° К. В дуговом разряде при низких дав лениях температура газа в положительном столбе того же порядка, как и в п оложительном столбе тлеющего разряда. Температура положительного кр атера дуги выше, чем темпе-ратура катода, потому что на аноде весь ток пере носится электронами, бомбардирующими и нагревающими анод. Электроны от дают аноду не только всю приобретённую в области анодного падения кинет ическую энергию, но ещё и работу выхода(«скры- тую теплоту испарения» эле ктронов). Напротив, на катод по- падает и его бомбардирует и нагревает мало е число положи-тельных ионов по сравнению с числом электронов, попадающи х на анод при той же силе тока. Остальная часть тока на като-де осуществл яется электронами, при выходе которых в случае термоэлектронной дуги на работу выхода затрачивается тепло- вая энергия катода. 5. Благодаря тому, что дуга имеет падающую характеристику, она может быть и спользована в качестве генератора незатуха-ющих колебаний. Схема таког о дугового генератора представ-лена на рис. 7. Условия генерации колебани й в этой схеме можно вывести из рассмо- трения условий устойчивости ста- ц ионарного разряда при заданных параметрах внешней цепи. Пусть электро движущая сила источника постоянного тока, пи- тающего разряд (рис.7), равна ?, напряжение между электродами трубки U, сила стационарного то- ка через р азрядную трубку при данном режиме равна I, ём-кость катод-анод трубки плюс ёмкость всех подводящих прово-дов С, самоиндукция в цепи L, сопротивление, через которое подаётся ток от источника, R. При установившемся режиме пос тоянного тока будем иметь: ?=Uо+IR (5) Допустим, что этот стацийнарный ре жим нарушен. Разрядный ток в какой-либо данный момент времени равен I+i, где i — малая величина, а разность потенциалов между электродами равна U. Вве дём обозначение U'=dU/dI (dU/di)i=0 равно тангенсу угла наклона касательной к вольтамперной характ еристике в рабочей точке, соответ-ствующей выбранному нами первоначаль но режиму (ток I). Посмотрим, как будет дальше изменяться i. Если i будет возр астать, то данный режим разряда неустойчив; если, наоборот, i беспредельно убывает, то режим разряда устой-чивый. Обратимся к вольтамперной характеристике рассматриваемого разрядног о промежутка U=f(I+i)- Через трубку идёт ток I+i и ёмкость С заряжается (или разря жается). Разность потенциалов на ёмкости С уравновешивается в этом случа е не только напряжением на разрядном промежутке, но и э.д.с. самоиндукции ц епи. Пусть I+i2 — общий ток через сопротивле- ние R. Обозначим ток, заряжающий ёмкость С, через i1; мгно- венное значение разности потенциалов на ёмкости С— через U1.Разность потенциалов между электродами дуги будет U0+iU’ . Имее м: ?=U1+(i+I2)R, (6) U1-U0=U’ i+Ldi/dt, (7) i2=i1+i. (8) Добавочный заряд Q на ёмкости С по сравнению со стационарны м режимом: 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 вставляя результат 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) представляет собой диффер енциальное уравнение, которому подчиняется добавочный ток i. Как извес тно, полный интеграл уравнения (14) имеет вид: i=А1е^r1t+А2е^r2t, (15) где r1 и r2— корни хара ктеристического уравнения, опре-деляемые формулой r=-1/2(1/CR+U’ /L)+?1/4(1/CR+U’ /L)І-1/LC(U’ /R+1). (16) Если подкоренная величина в (16) больше нуля, то r1 и r2 оба действительны, i изменяется апериодически по экспо-ненциальному закону и решение (15) соот ветствует апериодическому изменению тока. Для того чтобы в рас-сматрива емой нами схеме возникли колебания тока, необ-ходимо, чтобы r1 и r2 были компл ексными величинами, т. е. чтобы 1/LC(U’ /R+1)>1/4(1/CR+U’ /L)І (17) В этом случае (15) можно пред ставить в виде i=A1e-?t+j?t+ A2e-?t-j?t, (18) где ?=1/2(1/CR+U’ /L); i=?-1. При ? < 0 колебания, возникшие в расс матриваемой цепи, будут раскачиваться. При ? > 0 они быстро затухают, и разр яд на постоянном токе будет устойчив. Таким образом, для того чтобы в рас сматриваемой схеме в конечном итоге могли установиться незатухающие к олебания, надо, чтобы (1/CR+U’ /L)0. (22) Условия (21) и (22) представляют собой общие условия Устойчивости р азряда, питаемого постоянным напряжением. Из (21) следует, что при возраст ающей вольтамперной характе- ристике разряд всегда устойчив.