19227

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

Лекция

Физика

Дуговой разряд Дуговой разряд является одним из наиболее известных разрядов нашедших большое практическое применение. Первооткрывателем разряда считается российский ученый Петров В.В. который в 1802 г. впервые получил данный разряд на угольных электродах пр...

Русский

2013-07-11

98 KB

13 чел.

Дуговой разряд

        Дуговой разряд является одним из наиболее известных разрядов, нашедших большое практическое применение. Первооткрывателем разряда считается российский ученый Петров В.В., который в 1802 г. впервые получил данный разряд на угольных электродах при использовании аккумуляторной батареи. Достаточно известным определением дугового разряда считается следующее: дуга – форма разряда, существующая при большой плотности разрядного тока и при катодном падении (потенциала) всего в несколько десятков вольт. Для дугового разряда типична термоэлектронная эмиссия, ввиду достаточно высокой температуры катода. Название “дуга” связана с немного изогнутой формой разряда в следствии действия архимедовой силы при горизонтальном расположении электродов. Для различных разновидностей разрядов сила тока и плотность тока находятся в достаточно широком диапазонах:  I ~ 1-105 А,  j ~ 102 – 107 А/см2. Ввиду данных параметров температура дуги часто достигает 10000 К, а в некоторых видах дуг  50000 К.

        Как правило, дуга зажигается при соприкосновении электродов, с последующим их разведением на определенное расстояние.  Рассмотрим схематическое расположение основных областей дугового разряда (рис.1). Вблизи катода находится отрицательная область (1), в которой ионизация обеспечивается преимущественно электронным ударом. К аноду примыкает положительный столб (2), в котором наиболее характерным процессом является термоионизация. Термическое действие электронов приводит к образованию в аноде положительного кратера (3). Ввиду сильного ультрафиолетового излучения, свойственного дуговым разрядам дугу нередко окружают ореолы (4).

                             

                                                                                     Рис.1

                                                                                                                

       Классификация дуговых разрядов осуществляется по следующим критериям. Основным фактором является тип эмиссии электронов с катода:  1) термоэлектронная,     2) автоэлектронная, 3) термоэлектронная и автоэлектронная (смешанный вид). Термоэлектронная эмиссия наиболее характерна для дуг атмосферного давления. Два последних вида эмиссии более типичны для дуг, возникающих при пониженном давлении и в вакууме. Другая классификация связана с давлением газовой среды дугового разряда: 1) вакуумная (p<10-3 торр), 2) низкого давления  (p~10-3–1 торр), 3) высокого давления       (p0,1 торр), 4) сверхвысокого давления (p10 торр).

       Для дуговых разрядов характерно образование на катоде специфической области, с которой возникает основной поток термоэмиссии – катодного пятна. Для угольной дуги при токе  I=1,5-10 А и давлении p=1 атм. размер катодного пятна составляет  S0,02 см2 при плотности тока j470 А/см2. Столь малые размеры данной области объясняются притяжением токов вблизи катодного пятна.         

       Рассмотрим вольтамперные характеристики (ВАХ) угольной дуги (рис.2). Данная дуга используется обычно в качестве эталонного разряда, т.к. дуги на металлических электродах содержат более сложные характеристики. Для данного примера катодное и анодное падение потенциала в разряде составляли UК=10 В, UА=11 В. В качестве варьируемого параметра выбиралось расстояние между электродами l. ВАХ содержат следующие основные области: спадающие зависимости, характеризующие область стабильного горения (а), область нестабильного горения (б), в которой зажечь разряд практически невозможно, область “шипения” (в), где разряд обладает специфическими звуковыми эффектами.

                                             

                                                       Рис.2

                                                                                              

       В качестве апроксимационной зависимости для области стабильного горения угольной дуги в начале XX века была предложена формула Айтрон:                                

                        

В данной формуле коэффициенты  a,d,c,d  зависят от рода газа, давления, условий горения дуги, циркуляции газа, охлаждения электродов, от размеров и формы электродов и прочих свойств угля.

       Для мощности угольной дуги могут быть получены следующие выражения:

                       

                       

Из данных формул следует, что мощность пропорциональна току (при ), либо пропорциональна расстоянию между электродами (при ).

       Для металлических электродов аналогичная формула имеет вид:

                       

В формуле коэффициенты  a,b,c,d  зависят от рода металла, внешних условий еще сильнее, чем в случае угольной дуги. Показатель степени для большинства металлов находится в диапазоне n=0,34-1,38.                                                        

       Как и в случае тлеющего разряда дуговой характеризует типичная зависимость потенциала (рис.3а). Катодное и анодное падения потенциала, как правило, невелики (10-20 В), а основной ход зависимости практически линейный. Данная зависимость является экспериментальной. Для плотностей токов характерны следующие зависимости (рис.3б). Плотность электронного тока  je содержит рост в катодном слое и достигает максимума на аноде. Ионный ток   ji  имеет сильный рост также вблизи катода и достигает максимума на катоде.

        а)                                                                   б)

                          в)

          Рис.3

                           

       Непосредственно примыкающий к катоду и связанный с ростом потенциала катодный слой характеризует область, где ионизация происходит за счет электронного удара. Ввиду растущей зависимости концентрации плазмы (от катода) данный слой содержит бесстолкновительный слой (1) (у катода) и квазинейтральный слой nine  (рис.4). Для тока термоэлектронной эмиссии вводятся величина S через отношение электронного тока к общему току:

                 

Данное значение означает, что около 70% тока в катодном слое переносится электронами, а около 30% ионами.                                    

                                                   Рис.4

                                                   

      Величина, характеризующая размеры данного слоя  h  находится из следующего соотношения:

                                

В качестве типичного примера можно привести угольную дугу атмосферного давления (j=3103 А/см2,  S=0,8,  VК=10 В), для которой напряженность электрического поля и размер катодного слоя имеют следующие значения:

                    EК6105 В/см,   h210-5 см

       Для напряженности электрического поля была получена формула Маккоуна, использующая в качестве исходной уравнение Пуассона:

                   

       Измерение температуры в дуговом разряде обычно осуществляется спектральными методами: посредством пирометрии и методом относительных интенсивностей спектральных линий. Приведем распределение температуры дуги, полученное методом относительных интенсивностей (рис.5).  Дуговой разряд на угольных электродах при атмосферном давлении имел следующие параметры:  I=200 А, d=4,6 см, ТК=3500 К, ТА=4200 К, dА=3 см, dК=5 мм. Максимальная температура (около 12000 К) присутствует вблизи катода. В остальной области, имеющей цилиндрическую форму, температура составляет около 9000 К.

                         

                                                               Рис.5

                                                                                                                       

       В данном примере положительный столб характеризуется достаточно высокой температурой Т~9000 К. Это свидетельствует в пользу термической ионизации в данной области. При этом для оценок концентрации плазмы обычно используется уравнение Саха, в предположении условия равновесности плазмы. Для расчета радиального и осевого распределения температуры плазмы  T(r,x)  обычно используется уравнение Эленбааса-Геллера для случая цилиндрического столба плазмы.                                    

                                            

Первое слагаемое уравнения содержит поток тепла из плазмы в радиальном направлении  J(x), а второе связано с выделением джоулева тепла в плазме.                                 

       Анодная область дугового разряда связана с высокими излучательными характеристиками. Различаются два режима работы разряда: с диффузионной привязкой к аноду и с образованием анодных пятен. При диффузионной привязке ток на аноде занимает большую площадь и его плотность составляет  j~102 А/см2. Эрозия материала при этом незначительная. Режим с анодными пятнами возникает при малой площади анода и характеризуется вольтамперной зависимостью, отличной от режима с диффузионной привязкой. В угольной дуге при токе порядка I=10-20 А начинается процесс образования анодных пятен с плотностью тока, достигающей  j=(1-5)104 А/см2. Из пятен происходит сильное истечение раскаленного материала при температуре порядка T=3000-4000 K, а яркость поверхности кратера составляет до P=1-10 кВт/см2. Для ряда дуг около 60-70 % световой мощности излучается анодом. Это свойство нашло широкое применение для создания мощных дуговых источников света.


А

К

+

-

1

2

3

4

4

8

12

16

20

24

28

I, A

30

40

50

60

70

80

U, В

3

2

1

1) l=1 мм,

2) l=3 мм,

3) l=7 мм

а) стабильное

    горение

б) нестабильное

    горение

в) шипение

ji

j

x

je

0

d

UК

UА

x

0

d

T

x

0

d

h

nine

ni

ne

n

x

1

2

А

К

12000 К

9000 К

6000 К

1000 К

А

К

12000 К

9000 К

6000 К

1000 К


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2641. Україна в другій світовій війні та перші повоєнні роки (1939-1954 рр.) 122.5 KB
  Україна в другій світовій війні та перші повоєнні роки Зміст  Українські землі напередодні та на початку другої світової війни.  Україна в роки Великої Вітчизняної війни. Україна у повоєнний період (друга половина 40-х – перша п...
2642. Определение работы выхода электрона из металла методом прямых Ричардсона 138.5 KB
  Определение работы выхода электрона из металла методом прямых Ричардсона Приборы и принадлежности. Лабораторная панель, блок питания накала Б5-70, блок питания анода Б5-70, универсальный вольтметр В7-27. Введение. Принцип работы большинства электров...
2643. Залучення випускників шкіл до навчання в МНУ імені В.О. Сухомлинського 126.5 KB
  Виховний захід на тему: «Залучення випускників шкіл до навчання в МНУ імені В.О. Сухомлинського» Миколаївський національний університет імені В. О. Сухомлинеького (до 21 серпня 2010 року — Миколаївський державний університет імені В. О. Сухомли...
2644. Профессиональная ориентация школьников старших классов 58 KB
  Внеклассное мероприятие «Профессиональная ориентация школьников старших классов» В современном мире существует огромное разнообразие профессий. В подростковом возрасте достаточно сложно сделать правильный выбор высшего учебного заведения, без помощи...
2645. Твоя майбутня професія 69 KB
  Тема: твоя майбутня професія. Мета: ознайомити учнів із різноманіттям професій, допомогти виявити здібності до певного виду діяльності, визначити суспільну значущість обраної професії,  виховати повагу до різних типів діяльності. Обладнання: те...
2646. Міжвоєнний період в історії українського народу 152.5 KB
  Міжвоєнний період в історії українського народу (1921-1939рр). Соціально-економічне та політичне становище українських земель в 20-30 роках. Національно культурне відродження в Україні. Політичне становище Захід...
2647. Українська національно-демократична революція (1917-1920 рр.). 113 KB
  Українська національно-демократична революція (1917-1920 рр.). Україна напередодні та в роки І світової війни. Україна після лютневої буржуазно-демократичної революції. Утворення Центральної Ради та її діяльність. Укр...
2648. Технология структурного программирования 72 KB
  Технология структурного программирования С момента появления первых ЭВМ возникла потребность написания большого количества программ, и эта потребность увеличивалась с каждым годом. Начали складываться методы и принципы создания программных пр...
2649. Радиоэлектронное оборудование самолетов Як-18Т, Як-52 и его летная эксплуатация 13.03 MB
  В пособии приведены сведения о радиоэлектронном оборудовании самолетов Як-18Т и Як-52. Даны основные тактико-технические характеристики, комплект и размещение оборудования на самолете, органы управления и индикации, порядок проверки работоспособност...