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

12 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

83096. Технология и организация торговли декоративной косметикой 97 KB
  На мой взгляд, тема декоративной косметики всегда будет оставаться актуальной. Это объясняется тем, что сегодня декоративная косметика занимает одну из лидирующих позиций на рынке косметики и естественно, что пользуется спросом у покупательниц всего мира.
83097. Разработка конструкции и технология изготовления компьютерного стола 857.76 KB
  Допускается применять плиты древесностружечные по действующей нормативной документации соответствующие по качеству плитам указанных марок; пленки декоративные на основе термореактивных полимеров с неполной степенью конденсацией смолы по действующей нормативной документации.
83100. Валентин Бичко «Казка — вигадка...». Українська народна казка «Кирило Кожум’яка» 78 KB
  Мета. Розширити знання учнів про українські народні казки; формувати вміння розрізняти героїко-фантастичні казки; вдосконалювати уміння читати в особах; виявляти залежність мовної та інтонаційної характеристики дійових осіб від їхньої ролі у творі; вдосконалювати навички швидкого виразного...