Лабораторная работа № 7 (Плазма-1)

ПЛАЗМА И ЕЁ СВОЙСТВА

Цель работы: изучить свойства плазмы, принципы работы плазмо­тронов и конструкцию плазмотрона постоянного тока.

Теоретическая часть

Общие свойства плазмы

При нагревании вещество проходит твердое, жидкое и газообразное состояния. Дальнейший его нагрев приводит к распаду молекул на атомы (диссоциация) и отрыву электронов от атомов (ионизация). При температурах 20 000 - 30 000 К и выше в газе нейтральные атомы практически все превращаются в ионы.

В общем случае плазма является смесью свободных электронов, положительных ионов, нейтральных атомов и молекул вещества.

Плазма является распространенным состоянием вещества в приро­де. Вокруг Земли расположена плазменная оболочка - ионосфера. Солн­це и звезды рассматриваются как гигантские образования плазмы. Плаз­ма наблюдается в канале молнии, электрической дуги искрового разряда.

Особые свойства плазмы и ее широкое распространение в приро­де дали возможность в отличие от нагретого газа назвать плазму четвертым состоянием вещества, возникающим при температурах 10000 К и выше.

К особым свойствам плазмы относят степень ее ионизации и ква­зинейтральность.

Степенью ионизации α называют отношение числа ионизированных атомов n_i к общему их числу n в единице объема: α= n_i/n. B зависимос­ти oт значения α различают слабо ионизированную (α - доли процен­тов, ионосфера), умеренно ионизированную (α - несколько процентов, в электрических разрядах) и полностью ионизированную плазму(α =100% при Т >10⁵К).

Определяющей свойством плазмы является ее квазинейтральность. Если, например, в плазме имеются электроны с концентрацией n_е, од­нозарядные ионы с концентрацией n₁, двухзарядные ионы с концент­рацией n₂ и т.д., то условие квазинейтральности записывается в виде

n_e=n₁+2n₂+3n₃+... (8.1)

В простейшем случае, когда плазма состоит из электронов, однозаряд­ных ионов и нейтральных атомов (например, водородная плазма) усло­вие квазинейтральности характеризуется приблизительным равенством концентраций электронов и ионов .

Квазинейтральность плазмы может нарушаться в достаточно малых объемах из-за теплого движения носителей зарядов. В этом случае электрическое поле, образовавшееся из-за избытка электронов или ионов, оказывается слабым и не может оказать заметного влияния на движение частиц в полном объеме, занимаемом плазмой. Размер таких сферических областей, в которых наблюдается самопроизвольное разде­ление зарядов, характеризуют дебаевским радиусом (радиусом экранирования, дебаевской длиной) r_д. Для однозарядных ионов при одина­ковой температуре всех компонентов плазмы на расстоянии r_д элект­рическое поле заряда электрона или иона экранируется (т.е. полнос­тью исчезает) частицами с противоположным зарядом. Значение дебаевского радиуса приближенно определяют по формуле

r_д≈ 7(Т/n)^1/2_, (8.2)

где Т - температура плазмы n - концентрация электронов или ионов. Молния, например, имеет Т~2·10⁴ К; n~2,5·10¹⁹ см^-3; r_д= 10^{-7 см. Для сохранения квазинейтральности плазмы размеры дебаевских облас­тей, характеризуемых} r_д, должны быть значительно меньше размеров l объема, занимаемого плазмой, r_д<< l. Данное неравенство называ­ет критерием плазменного состояния. В связи с этим уточненное оп­ределение плазмы, данное основоположником учения о плазме И. Ленгмюром, звучит так, что ионизированный газ Называется плазмой, если де6аевская длина значительно меньше размеров объема, занимаемого газом.

 

Таким образом, плазмой называют ионизированный газ, в котором соблюдается условие квазинейтральности и отсутствует нескомпенсиро­ванный электрический заряд.

Источник электрической энергии передает энергию носителям то­ка - электронам. Ионы и нейтральные атомы приобретают энергию при столкновениях с электронами. Электрон по сравнению с ионами имеет значительно меньшую массу. Поэтому, чтобы электрону передать энер­гию ионам и атомам, он должен испытать большое число столкновений.

Электроны обладают более высокими кинетическими энергиями Е_е, чем ионы Е_iи нейтральные атомы Е_а, т.е. Е_е>>Е_i>>Е_а. Из-за раз­ницы энергий частиц в плазме различают три температуры: электрон­ную Т_е, ионную Т_i и атомную Т_а. Обычно Т_е>>Т_i>Т_а. Плазму, для ко­торой соблюдается это неравенство, называют неизотермической. Heизотермическая плазма наблюдается в тлеющем разряде.

Например, в газоразрядных лампах Т_е составляет несколько де­сятков тысяч градусов, Т_i и Т_а - одну - две тысячи градусов.

Неизотермическая плазма имеет место также в столбе электри­ческой дуги низкого давления при P≤0,01 МПа и J≤1 А.

Плазма, у которой Т_e=T_i=T_a называется изотермической. В этом случае газ находится в состоянии теплового равновесия, скорости частиц компонент распределены по закону Максвелла, характеристики плазмы (теплопроводность, электропроводность и др.) являются одно­значными функциями температуры изотермическая плазма наблюдается в атмосфере звезд, в различных видах пламени, в положительном стол­бе электрической дуги высокого давления (р≥Д0,1 МПа) при токах J≥5...10 А.

Различают низкотемпературную и высокотемпературную плазмы. Низкотемпературной плазму принято считать при Т≤10⁵ К. В ней возбуж­дение, ионизация и обратные процессы происходят во внешних элект­ронных оболочках атомов и молекул. Средняя энергия теплового дви­жения частиц не превышает энергии ионизации (~10 эВ). Низкотем­пературная плазма наблюдается при электрических разрядах в газе, в природных явлениях на Земле, в атмосфере Земли, во внешних оболочках звёзд.

Высокотемпературная плазма имеет Т≥10⁶ К. Энергия частиц Е≥10² эВ. Процессы возбуждения происходит во внутренних электрон­ных оболочках атомов и ядрах. Высокотемпературная плазма наблюда­ется на Солнце, звездах, в земных условиях - при термоядерных реакциях

Свойства плазмы существенно отличаются от свойств нейтральных газов. В этом важную роль играют следующие два фактора. Во-пер­вых, взаимодействие ионов и электронов в плазме определяются кулоновскими силами, которые с расстоянием уменьшаются медленнее, чем силы взаимодействия нейтральных частиц. Это приводит к тому, что одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Дальность кулоновского взаимодействия частиц позволяет рассматри­вать плазму как упругую среду, в которой легко возбуждаются и рас­пространяются различные колебания и волны. Во-вторых, плазма в от­личие от газа - диэлектрика является проводником электрического тока. Так, например, удельная электропроводность плазмы азота при давлении в положительном столбе Р = 0,1 МПа, температуре 15 000 К будет æ~10² Ом·см^-1. Для сравнения; удельная электропроводность графита при 300 К равна 1,2·10² См·см^-1, меди 5,8·10⁵ Ом·см^-1. По­этому электрические и магнитные поля оказывают на нее большое вли­яние.

Под действием электрического поля в плазме возникает электри­ческий ток. Электроны и ноны перемещаются в противоположных направ­лениях и испытывают между собой многочисленные столкновения. По­стоянный ток в плазме образуется, в основном, потоком электронов. Ионы считаются практически неподвижными.

 

На электрон действует си­ла F=eE, ускоряющая его в электрическом поле напряженностью Е,и сила сопротивления движению электрона F_ТР=m_еυν (υ - скорость дви­жения потока электронов; ν - число столкновений за 1 с), возни­кающая из-за столкновений электрона с ионами и нейтральными атома­ми.

Из условия равновесия этих сил определяется скорость потока электронов в плазме V и затем плотность тока по формуле

(8.3)

где е, n_е - заряд и концентрация электронов; æ - удельная элект­ропроводность плазмы. Таким образом, ток в плазме подчиняется за­кону Ома.

Если на нейтральный газ магнитное поле заметного воздействия не оказывает, то при наложении магнитного поля свойства плазмы су­щественно изменяются. Это происходит из-за влияния магнитного по­ля на движение заряженных частиц.

Известно, что на заряженную частицу в магнитном поле действу­ет сила Лоренца, которая вынуждает частицу вращаться по окружнос­ти или по винтовой линии с осью вращения, направленной вдоль сило­вых линий напряженности магнитного поля. Создаваемые вращением электронов и ионов круговые токи уменьшают действие на плазму внеш­него магнитного поля и создают силу, сжимающую струю плазмы.

На рис.8.1 условно показан поперечный разрез плазменной струи в магнитном поле с магнитной индукцией В. Траектории движения электронов отмечены ларморовскими окружностями. Движение частиц внутри струи плазмы не создает результирующего тока, так как через каждую точку проходят частицы в противо­положных направлениях. На границе пото­ка все частицы движутся в одну сторону, что приводит к появлению в тонком поверх­ностном слое тока J. Взаимодействие этого тока с магнитным полем приводит к появлению силы, сжимающей струю плазмы: .

Эта сила удерживает струю плазмы от расширения, уравновешивая давление внут­ри плазмы , где к - посто­янная Больцмана; n_m - концентрация час­ тиц компоненты газа. Условие равновесия записывается в виде

Плазмообразующие газы

Энергетические возможности плазменной струи в значительной ме­ре определяются видом применяемого плазмообразующего газа. Плазмообразующая среда переносит тепловую энергию, а также может вносить значительную добавку тепла за счет экзотермических реакций, происходящих при взаимодействии плазмы с веществом, Наиболее часто в качестве плазмообразующих газов применяют аргон, водород, азот, воздух, кислород, гелий и их смеси.

Важной характеристикой плазмообразующего газа является его теплосодержание(эн­тальпия), показывающее сколько энергии не­сет единица объема газа при определенной температуре. Двухатомные газы при одной и той же температуре Т имеют более высокое теплосодержание Н, чем одноатомные (рис.8.2). Эта особенность объясняется следующим об­разом. При диссоциации (область 1) и иони­зации (область 2) молекул и атомов газа в столбе дугового разряда происходит погло­щение энергии.

 

 

При воздействии на обраба­тываемую поверхность и охлаждении диссоциированного газа поглощенная энергия выде­ляется в виде теплоты. Двухатомные газы вследствие прохождения про­цессов диссоциации и ионизации поглощают, а следовательно, и выде­ляют больше энергии по сравнению с одноатомными, которые поглощают и выделяют только энергию, равную энергии ионизации атомов. По­этому, если требуется меньший нагрев поверхности обрабатываемой детали, то применяют однотомные газы.

Энтальпия плазмообразующего газа зависит от температуры и рас­хода газа. Регулируют энтальпию плазмы также путем применения сме­сей газа.

Плазмотроны и их типы

Низкотемпературную плазму получают в устройствах, называемых плазмотронами, или генераторами плазмы. Существует много различных схем и конструкций плазмотронов. Среда них наибольшее применение получили однодуговые плазмотроны постоянного тока и высокочастотные плазмотроны.

Различают дуговые плазмотро­ны постоянного тока с вынесенной (рис.8.3) и внутренней дугой.

В плазмотронах первого типа, которые называют плазмотронами прямого действия, электрическая дуга 1 горит между электродом-катодом 2 и обрабатываемой заго­товкой - анодом 5. Разрядная ка­мера 4 охлаждается водой. Плазмообразующий газ 3 подается соосно с катодом. Область энерговыделения плазменной струи расположена ближе к обрабатываемой поверхности. Плазмотроны прямого действия применяют для сварки, наплавки, резки токопроводящих материалов.

Плазмотроны с внутренней дугой (рис.8.4) называют еще струй­ными плазмотронами, или плазмотронами косвенного действия. Плазма образуется в электрической дуге 1 между корпусом разрядной камеры 2, являющейся анодом, и катодом 3. В разрядную камеру подается плазмообразующий газ 4. В технологии машиностроения струйные плаз­мотроны применяются для напыления покрытий, нагрева и резки мате риалов.

Одним из существенных недостатков дуговых плазмотронов явля­ется эрозия электродов, сопел. Продукты эрозии загрязняют плазму. Поэтому, если к плазменной струе предъявляются повышенные требова­ния по чистоте, то принимают безэлектродные высококачественные индукционные (ВЧИ) плазмотроны.

 

Во ВЧИ плазмотроне (рис.8.5) плазмообразующий газ 1 вводится в разрядную камеру 2 и нагревается вихревыми токами с помощью индуктора 3, питаемого от высокочастотного генератора 4. Струя плазмы 5 направляется на обрабатываемую поверхность заготовки 6.

В данной работе в качестве генератора низкотемпературной воз­душной плазмы используется однодуговой плазмотрон постоянного то­ка с самоустанавливающейся длиной дуги.

Порядок проведения работы

Подготовка к эксперименту

1. Изучить теоретическую часть.

2. Ознакомиться с описанием установки.

3. Изучить правила техники безопасности (см.приложение I).

Проведение эксперимента

1. Включить общее электрическое питание на силовом щите,

2. Включить вентиляцию.

3. Включить систему охлаждения плазмотрона.

4. Нажать на пульте кнопку "Сеть".

5. Установить ручку "Расход воздуха" в среднее положение.

6. Установить ручку "Ток дуги" в среднее положение.

7. Нажать кнопку "Воздух".

8. Нажать кнопку "Плазмотрон".

9. Поджечь плазмотрон путем короткого замыкания электродов.

10. Управляя ручками "Расход воздуха" и "Ток дуги", добиться устойчивого горения дуги плазмотрона.

11. Записать в отчет соответствующие напряжение дута U_Д си­лу тока J.

Оформление отчета

1. Записать одно из определений плазмы и перечислить ее основ­ные свойства.

2. Зарисовать схему рабочей части исследуемого плазмотрона и обозначить его основные элементы.

3. Записать значения напряжения дуги U_Д и силы тока J, соот­ветствующие устойчивому горению дуги.

4. Зарисовать струю плазмы, выходящую из плазмотрона, и отме­тить характерные участки.

Контрольные вопросы

1. Какое состояние вещества называется плазменным?

2. В чем заключается квазинейтральность плазмы.

3. Что называется дебаевским радиусом экранирования?

4. Какая плазма называется изотермической, неизотермической, высокотемпературной, низкотемпературной?

5. Перечислите основные свойства плазмы.

6. Какие типы плазмотронов Вы знаете?

7. Расскажите о проведенном эксперименте.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА

(краткое описание)

Назначение установки

Установка предназначена для получения плазменной струи с по­мощью электродугового струйного плазмотрона постоянного тока, a также изучения характеристик плазмотрона и плазменной струи.

Технические характеристики

1. Максимальный рабочий ток, А 24.

2. Напряжение горения дуги, В 50.

3. Максимальная мощность плазмотрона, кВт 1,3.

4. Потребляемая мощность, кВт 2,4.

5. Плазмообразующий газ воздух.

6. Расход воздуха, см³/мин 5·10³

Конструкция установки

В комплект плазменной установки входят: плазмотрон, источник постоянного тока (выпрямитель ВУ-110), система подачи плазмообразующего газа и пульт управления с контрольно-измерительными прибо­рами.

Вид сверху на плазменную установку представлен на рис.8.6. Все узлы установки скомпонованы в сварном корпусе. Его верхняя текс­толитовая панель служит пультом управления.

На пульте установлены плазмотрон, измерительные приборы (вольтметры и амперметр), кноп­ки управления и сигнальные лампы. На передней стенке корпуса рас­положены ручки для регулирования тока дуги и расхода воздуха.

Плазмотрон

Плазмотрон (рис.8.7) состоит из катодного узла 1, изолятора 2 и анодного узла 3, которые образуют дуговую камеру плазмотро­на.

Катодный узел 1 плазмотрона содержит катододержатель 4 и сис­тему трубок для ввода плазмообразующего воздуха в дуговую камеру плазмотрона и воды для охлаждения катода. Катодом служит гафниевый стержень 5 диаметром 2,6 мм и длинной 8 мм, впрессованный в медный катододержатель 4. На наружной поверхности последнего выполнена двухзаходная винтовая нарезка глубиной и шириной 0,8 мм, с помощью которой создаётся закрученный поток воздуха в дуговом канале плаз­мотрона.

Закрученный поток газа в плазмотроне выполняет две функции; создает пониженное давление в области оси дугового канала, чем до­стигается пространственная стабилизация дуги, обдув дуги и защита стенок канала, а также перемещаем анодный конец дуги по поверхнос­ти анода, что существенно снижает его эрозию.

рис.8.7. Плазмотрон

Катододержатель 4 охлаждается водой. Вода из внешней водопро­водной магистрали по резиновым шлангам и через штуцер катодного узла 1 поступает во внутреннюю полость катододержателя 4, погло­щает тепло, выделившееся при работе плазмотрона, и направляется на слив.

Анодный узел 3 представляет собой охлаждаемое водой сопло. Его детали изготовлены из меди и соединены между собой пайкой. Угол конуса сопла составляет 60°, диаметр выходного отверстия равен 3 мм.

Между катодом и соплом устанавливается зазор 4 мм.

 

Система питания плазменной установки электрической энергией

Система электропитания установки, электрическая схема кото­рой приведена на рис.8.8, включает выпрямитель U, балластный во­дяной реостат R2, магнитные пускатели K1, К2, К3, автотранс­форматор Т, электродвигатель компрессора М, приборы измерения РА, PV1, PV2, предохранители F1, F2 и сигнальные лампы H1, Н2, Н3.

Измерительные приборы PA,PV1, PV2, кнопки управления S1-S6, сигнальные лампы Н1÷ Н3 выведены на пульт управления (см.рис.8.6).

Система электропитания установки работает в такой последова­тельности.

Плазменная установка питается от сети трехфазного переменно­го тока напряжением 380 В. При включении кнопки S1 "Сеть" напряже­ние через контакты К1: 1 ÷ K1: 3 магнитного пускателя K1 подается на выпрямитель U и загорается сигнальная лампа Н1. Отключается напряжение с помощью кнопки S2, лампа Н1 гаснет.

Плазмотрон Рис.8.8. Электрическая схема плазменной установка

При включении кнопки S5 "Плазмотрон" выпрямленный ток через предохранителе F1 и F2, контакты К3:1 и К3:2 магнитного пускателя К3, шунт R1 и балластный водяной реостат R2 подается на электро­ды плазмотрона. Одновременно загорается сигнальная лампа Н3. От­ключается

плазмотрон с помощью кнопки S6 или S2, при этом лампы Н1 и Н3 гаснут. Сила тока электрической дуги регулируется ручкой "Ток дуги" путем изменения сопротивления водяного реостата R2.

Система газоснабжения плазменной установки

Система газоснабжения предназначена для обеспечения плазмо­трона плазмообразующим газом - воздухом. Она содержит компрессор низкого давления с электродвигателем, автотрансформатор типа ЛАТР

и систему резиновых трубопроводов для подачи сжатого воздуха в ду­говую камеру плазмотрона.

Электрическая схема системы газоснабжения состоит (см.рис.8.8} из автотрансформатора Т, электродвигателя компрессора М, магнит­ного пускателя К2, кнопок управления S3, S4 и сигнальной лампы Н2.

Кнопки S3 и S4 служат для включения и отключения автотрансформатора Т. При включении кнопки S3 загорается лампа Н2.

Расход воздуха компрессора регулируется изменением скорости вращения двигателя М с помощью ручки "Расход воздуха", установлен­ной на передней стенке корпуса установки. При крайнем левом поло­жении ручки компрессор не работает. По мере вращения ручки по ча­совой стрелке растет напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в результате чего увеличивается скорость вращения ком­прессора и повышается расход воздуха через дуговую камеру плазмо­трона. Изменением расхода плазмообразующего газа обеспечивается устойчивое горение электрической дуги и регулирование параметров плазменной струи - ее теплосодержания, диаметра и длины.

 

Порядок работы на установке

1. Изучить правила по технике безопасности.

2. Включить общее электрическое питание установки на силовом щите.

3. Открыть кран водопроводной магистрали и убедиться в про­хождении охлаждающей воды по системе.

4. Включить на пульте управления кнопку "Сеть"

5. Установить ручку "Расход воздуха" в среднее соложение.

6. Установить ручку "Ток дуги" в среднее положение.

7. Включить на пульте управления кнопку "Воздух".

8. Включить на пульте управления кнопку "Плазмотрон".

9. Запустить плазмотрон путём короткого замыкания электродов с помощью медной проволоки диаметром 0,1 - 0,15 мм.

10. Добиться устойчивого горения дуги путем регулирования рас­хода воздуха и силы тока.

 

 

ОТЧЕТ

По лабораторной работе № 7 (Плазма-1)

студентов (Ф.И.О., № группы)________________________________________

__________________________________________________________________

 

1. Определение плазмы, её основные свойства ________________________

________________________________________________________________

 

2. Схема рабочей части плазмотрона ________________________________

________________________________________________________________

 

3. U_Д=___________________________ J= ____________________________

 

4. Эскиз плазменной струи