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. Превращение газа в плазму проходит несколько стадий. Для молекулярных газов первым процессом 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.

Образование ионов требует затрат энергии извне на преодоление кулоновских сил притяжения между электроном и положительным ионом, называемой энергией (работой) ионизации А_и, которую определяют как произведение заряда электрона на потенциал ионизации U_и: А_и = е_оU_и. Потенциал ионизации атома равен разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома при соударении с ними. Численно величины А_и и U_и равны, если А_и выражать в электрон-вольтах.

Работа ионизации определяет химическую активность элемента, поскольку при ионизации отрываются валентные электроны;

А_и= 3,9÷26 эВ и составляет: для цезия – 3,9, калия – 4,3, циркония – 6,8, железа – 7,9, водорода – 13,6, азота – 12,4, гелия – 24,6 эВ. После отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома могут отрываться электроны, связанные сильнее. При этом образуются многократно ионизованные ионы. Энергия ионизации при повышении кратности значительно возрастает и составляет, например, для Li 75,6 эВ (двукратная ионизация) и для трехкратной ионизации, например, для Be она составляет 153,8 эВ.

Движение заряженной частицы в электрическом поле равноускоренное, аналогичное свободному падению тела, но сила, действующая на частицу, зависит от ее заряда, а не от массы.

Уравнение сил, действующих на частицу с массой m и единичным зарядом е₀ имеет вид

 

е₀Е = mdv/dτ = ma,                                                                         (2.69)

 

где Е — напряженность электрического поля, В/м; m — масса частицы, г; v — скорость частицы, м/с; а — ускорение, м/с².

При начальной скорости, равной нулю, скорость в момент τ v_τ = (е₀/m)Еτ. Пройденный путь за время τ

 

l_τ = 0,5vτ= (0,5e₀/m)Eτ.                                                                   (2.70)

 

Скорость и пройденный частицей путь определяются ее удельным зарядом — отношением заряда к массе e_о/m. Поэтому при свободном движении частиц в одном и том же поле скорость электронов много больше скорости ионов.

Подставляя в уравнение (2.70) значение E = U/l где U — разность потенциалов на пути l, получим скорость электрона

 

                                                                    (2.71)

 

Скорость иона с атомной массой М, несущего Z зарядов, значительно меньше:

                                                                          (2.72)

 

В этих уравнениях m_е — масса электрона; М_а = 1822m_е – атомная единица массы.

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.

Ионы в принципе тоже могут участвовать в ионизации, но так как их скорости много меньше скоростей электронов, то роль ионной ионизации в дуговых разрядах невелика. Однако при высоких температурах, когда скорость теплового движения молекул значительно возрастает, соударения ионов и нейтральных частиц приводят к термической ионизации газа. Роль этого вида ионизации весьма значительна при высоких температурах и давлениях.

Фотоионизация—ионизация атомов излучением возможна лишь в том случае, если энергия фотона ħν превышает работу ионизации А_и:

 

ħν = с / λ≥ А_и,                                                                                 (2.73)

 

здесь ν — частота излучения, 1/с; ħ — постоянная Планка; со — скорость света, м/с; λ — длина световой волны, м.

Расчет показывает, что для ионизации атома азота (U_и = 12,4 В) максимальная длина волны (красная граница фотоэффекта) λ_max =0,085 мкм, для ионизации цезия — λ_mах = 0,318 мкм, т. е. только ультрафиолетовые лучи могут вызвать ионизацию атомов.

Так как все виды ионизации: тепловое движение частиц, электрическое поле, световое излучение — повышают скорость взаимного перемещения частиц, то следует предположить, что и наложение высокочастотного напряжения должно приводить к ионизации пространства. Так это и происходит на самом деле. Приложение ВЧ-напряжения приводит к значительной ионизации — появлению ВЧ-короны даже при низких напряжениях.

Одновременно с процессом ионизации происходит деионизация — рекомбинация положительных и отрицательных частиц и диффузия их за пределы ионизированного объема газа.

. Зависимость степени ионизации от температуры, давления и рода газа описывается уравнением Саха:

 

,  (2.74)

здесь р — давление; Т — температура; е₀U_и — работа ионизации, Дж; k — постоянная Больцмана, Дж/К.

Из уравнения Саха следует, что термическая ионизация становится заметной при температуре, превышающей 2000—3000 К, и приближается к 100 %-ной при 10 000—30 000 К. Степень ионизации особенно высока при содержании в газовой среде паров щелочных металлов.

Уравнение процесса деионизации атома, потерявшего один электрон A⁺, запишем в виде

А⁺+e^- = А₀ + ΔW,                                                                (2.75)

 

где A₀ — нейтральный атом; ΔW — количество теплоты, выделяющееся в результате этой реакции, равное энергии ионизации

 

ΔW = e₀U_и.                                                                                       (2.76)

Процесс деионизации зависит от давления и температуры и в некоторой степени определяется коэффициентом рекомбинации:

 

a = g_constp/T^3,5.                                                                      (2.77)

 

Таким образом, при повышении давления и понижении температуры плазма быстро деионизируется и теряет электропроводность, превращаясь в нейтральный газ. Процесс деионизации ускоряется диффузией заряженных частиц из нагретых плазменных объемов. Коэффициент диффузии

 

D = λv/3,                                                                             (2.78)

 

где v — средняя скорость заряженных частиц, м/с; λ— длина свободного пробега, м.

Скорость диффузии ионов невелика. Электроны диффундируют заметно быстрее. Обычно количество существующих зарядов разного знака вследствие процессов ионизации и рекомбинации в объеме плазмы примерно одинаково и суммарный заряд плазмы ранен нулю. Такую плазму называют квазинейтральной, т. е. почти нейтральной.

Существуют понятия равновесной и неравновесной плазмы. 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. Это случай, когда средняя скорость электронов превышает среднюю скорость других частиц, что и соответствует их повышенной температуре.

 

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. Такие возможности электрической дуги пробудили значительный интерес к изучению ее физических свойств и энергетических возможностей.

Термины «разряд», «дуговой разряд» возникли как описание явления потери «заряда» батареей гальванических элементов или конденсаторов через газы и вакуум.

В большинстве случаев формы существования электрической дуги самые разнообразные, однако сохранилось первоначальное название «дуга», данное этому явлению В. В. Петровым еще в 1802 г. при описании разряда между горизонтальными электродами в воздухе, когда высокотемпературный газ в межэлектродном промежутке конвективными потоками воздуха изгибался выпуклостью вверх, принимая форму дуги или арки.

В последние годы все большее количество производственных процессов переводится на дуговой нагрев. Этому соответствует повышение наших знаний о дуговом разряде, найденные возможности регулирования и использования его многочисленных свойств.

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. В общем случае 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 или электрическая дуга 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 существования дуги значений порядка (З÷5)10³ К и выше.

В цепи, состоящей из проводниковых материалов, передача электрической энергии осуществляется электронами. Другое дело, если в цепь включен проводник второго рода. В этом случае прохождение электрического тока по такой цепи сопровождается протеканием сложных явлений, в процессе которых электроны превращаются в носители электрических зарядов другого вида, а затем снова в электроны.

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. 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.

Работа выхода электронов для данного металла меньше энергии его ионизации. Общая же закономерность расположения металлов по порядку сохраняется.

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 и определяется по формуле

 

,                                                                  (2.79)

 

где  — плотность тока термоэлектронной эмиссии, А/см²; А₁ , B₁ – постоянные, зависящие от материала электродов; Т — температура поверхности электрода, К.

Значения А₁ и В₁ равны соответственно для кальция 0,12 и 35 000, для углерода 5,03 и 45 700, для вольфрама 60,2 и 52 700 и т. д.

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.

На холодных электродах при напряженности электрического поля у электродов 10⁶—10⁷ В/см возникает автоэлектронная эмиссия (вырывание электронов электрическим полем), плотность тока которой определяется эмпирическим выражением

 

,                                                                 (2.80)

 

где Е — напряженность электрического поля у поверхности электрода, В/см; А₂, В₂ — постоянные для данного материала.

 Формула (2.80) аналогична (2.79) и свидетельствует о большой зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности поля.

                                                                                   Рис.2.59. Распределение

Рис.2.58. Вольт-амперная характе                 потенциала дуги постоянного тока: АА'

ристика дуги постоянного тока                   — малые токи, А,А,,-распределение носителей

 

При температурах до 1000 К ток эмиссии слабо зависит от температуры. При более высоких температурах начинает проявляться термоэлектронная эмиссия. В этом случае суммарная плотность тока с поверхности электрод

 

j = А(Т² + сЕ²)е^в/(т+сЕ),                                                         (2.81)

 

где А = 120,4 А/(см²·К²) для чистых металлов.

 

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 Th0₂, La0₂, А1Са0₂, AlCaBaO, а для углерода Cs, Li, К,Na, Са.

При расстоянии между электродами более 4—5 мм вдоль дугового промежутка существует определенное распределение потенциала. Для асесимметричного дугового столба распределение потенциала соответствует показанному на рис. 2.58. 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 напряжение 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 электричества вдоль столба дуги

 

U_д = U_а +U_к +EL,                                                               (2.82)

 

где U_a и U_к — анодное и катодное падения потенциала, В; Е – напряженность электрического поля (линейный градиент напряжения) дугового столба, В/м; L — длина дуги, м.

Зависимость между напряжением дуги и ее током называют вольт-амперной характеристикой дуги. При малых токах вольт-амперная характеристика имеет падающий характер, т. е. падение напряжения на дуге U_д, В, с увеличением тока I_д, А, уменьшается (сопротивление дуги уменьшается быстрее, чем увеличивается ток,, рис. 2.59). Такая характеристика может быть выражена уравнением Айртон:

 

 ,                                                                       (2.83)

 

где α, β, γ и δ — постоянные, зависящие от материала электродов, состава газа и условий охлаждения дуги; I — длина дуги.

При больших токах напряжение на дуге не зависит от тока и, третий член выражения (2.83) становится исчезающе малым, т. е. выражение может быть заменено на

U_д = α + βl  .                                                                                                                           (2.84)

 

Для интенсивно охлаждаемых дуг (плазменные ду­ги), а также для дуг, горящих при низких давлениях, вольт-амперная характеристика имеет слегка возрастающий характер.

В (2.84) α представляет собой сумму катодного и анодного падений напряжения, не зависящую от тока к длины дуги, β — градиент потенциала в столбе дуги, βl— падение напряжения в столбе дуги, пропорциональ­ное его длине.

Из (2.83) и (2.84) следует, что дуга может гореть устой­чиво от источника постоянного напряжения, только если в цепь последовательно с ней включено некоторое до­бавочное сопротивление R (рис. 2.60, а).

Точка устойчиво­го горения дуги определяется в этом случае пересечени­ем вольт-амперной характеристики АА с линией U_ист,х— I_дR (точка А₁ рис. 2.60,б). Из рис.2.60 следует, что су­ществуют три возможности регулирования режима дуги:

путем перехода на другую вольт-амперную характеристику дуги, например при увеличении длины дуги рабочая точка перейдет с характеристики АА на харак­теристику ВВ, при этом точка устойчивого горения пе­рейдет из А₁ и В₁ а ток уменьшится от I_A1 до I_B1 . На­оборот, при укорочении дуги ее характеристика пойдет ниже, и ток дуги увеличится;

путем изменения напряжения источника питания, например при уменьшении напряжения U_ист,х до U’_ист,х точка A₁ перейдет в А₂ и ток уменьшится до I_А2;

Рис. 2.60. Способы регулирования режима дуги.

а — схема цепи дуги с активным балластным сопротивлением; б — методы регулирования тока дуги путем изменения ее длины, напряжения источника питания и балластного сопротивления.

 

путем изменения сопротивления R; в этом случае линия U_ист,х —I_д.R начнет поворачиваться вокруг точки С, точка A₁ перейдет в А₃, ток уменьшится до I_A3. Первые два способа, как мы дальше увидим, широко используются для регулирования режима дуговых установок; третий способ практически не применяют ввиду его неэкономичности.    До начала горения дуги промежуток между электродами не ионизирован и ток через него не протекает. Для первичной ионизации промежутка нужно подать на него напряжение пробоя, в десятки или даже сотни раз превышающее напряжение горения дуги. Вместо этого обычно для зажигания дуги производят сближение электродов до их контакта, а затем их разводят. При контакте электродов через них протекает ток короткого замыкания, который их разогревает, и поэтому при их разведении в ионизированном нагретыми электродами промежутке возникает дуга.

Все вышеизложенное касалось дуги постоянного тока. При питании дуга переменным током условия ее горения существенно меняются, так как дуга дважды в течение периода гаснет и вновь зажигается. Поэтому при переменном токе статическая характеристика дуги не имеет смысла, можно лишь говорить о связи действующих значений напряжения и тока для времени, намного превышающего длительность одного периода. Условия горения дуги переменного тока характеризуют динамические вольт-амперные характеристики, охватывающие время одного полупериода.

На рис. 2.61 даны динамические характеристики дуги переменного тока. Маломощная дуга на воздухе (рис. 2.61, а ) интенсивно охлаждается, поэтому ток в ней протекает с перерывами, и она характеризуется пиками напряжения зажигаиия и переменным напряжением, которое меняется с изменением тока. Мощная теплоизолированная дуга (ряс. 2.61, б) имеет меньшие перерывы тока, пики зажигания отсутствуют, напряжение в период горения дуги неизменно. Наконец, мощная хорошо теплоизолированная дуга с последовательно включенным активным сопротивлением (рис. 2.61, в) имеет динамическую характеристику в виде наклонной прямой, а осциллограммы тока и напряжения близки к синусоидальным.

Рис. 2.61. Осциллограммы и динамические характеристики дуг переменного тока.                         

 

На форму кривых тока и напряжения дуги сильно влияют параметры ее электрического контура и в, частности, его индуктивность. При отсутствии индуктивности (чисто активное сопротивление контура), как уже отмечалось, ток дуги I_д дважды прерывается за полупериод (рис.2.62, а), так как дуга может гореть лишь в тот отрезок времени, когда напряжение источника U_ист больше напряжения, требуемого для поддержания горения дуги U_д

При наличии в цепи индуктивности между током и напряжением источника появляется сдвиг фаз, при переходе тока через нуль напряжение источника не равно нулю, и при достаточной индуктивности может произойти повторное зажигание дуги (без перерыва) (рис. 2.62, б). При переходе напряжения источника через нуль напряжение на дуге поддержива­ется за счет накопленной в индуктивности электромагнитной энергии, препятствующей резкому уменьшению тока. В результате имеет место непрерывное протекание тока дуги в течение всего полупериода.

.                             

 

 

 

      Рис. 2.62 Осциллограммы дуг переменного тока

 

Такое непрерывное горение дуги более устойчиво; расчеты пока­лывают, что оно имеет место при коэффициенте мощности установки, равном или меньшем 0,85.