Процессы в столбе дуги

Лекция 3

Столб дуги наиболее изученная его область. Температура в столбе дуги – 5000⁰С и выше. При таких температурах происходит термическая ионизация газа в дуговом промежутке. Этот тип ионизации включает в себя ионизацию соударением и фотоионизацию. Среднекинетическая энергия частиц в дуге одинакова и следовательно их характеризует одна и та же температура. Длина столба дуги близка к длине дуги, т.к. прикатодные области очень малы.

l_ст.д = 2…5 мм, u_д = 27 В, u_а = 4 В, u_к = 10 В.

U_ст = u_д – u_а – u_к = 27 - 14 = 13 В.

E = u_ст /l_ст = 13/0.4 = 32.5 В/см.

Как видно из примерного расчета напряженность поля столба дуги не высокая. В столбе дуги происходит передача зарядов от источника питания. В столбе дуги происходит ионизация атомов газа. В столбе дуги есть электроны, ионы и нейтральные газы. Заряженные и нейтральные частицы столба дуги при отсутствии электрического поля находятся в беспорядочном тепловом движении. Электрическое поле столба дуги вызывает направленное движение заряженных частиц, причём ионы и электроны движутся в противоположных направлениях. Чем больше u_д, тем большая доля зарядов, движущихся направленно.

Для определения температуры столба дуги К. К. Хренов предложил формулу:

Т = 815 U_эф

Установлено, что при сварке стали Т_ст = 5000…6000 К.

Температура, определяемая формулой, относится только к свободно расширяющимся дугам. Это дуги, в которых столб может увеличивать свои размеры по мере нарастания тока. Пример: дуга между угольным электродом и стальной пластиной. При этом площадь пятна меньше диаметра электрода и расширение может происходить. Сжатые дуги не имеют возможности увеличивать сечения столба. Причиной этого являются ограниченные размеры электродов, а также охлаждение наружной поверхности столба дуги за счёт потока газа или жидкости (плазменная сварка и резка), помещение дуги в трубку со стенами, охлаждаемыми жидкостью и с помощью магнитного поля.

Сжатые дуги имеют температуру значительно выше Т_ст = 10000…50000 К. Температура сжатой дуги зависит не только от степени обжатия дуги и плазмообразующего газа, но также от величины сварочного тока.

С изменением потенциала ионизации, температура дуги также изменяется. Чем ниже потенциал ионизации плазмообразующего газа, тем ниже температура столба дуги. Например, легко ионизируемые вещества (соли калия) сильно снижают температуру столба дуги.

Температура дуги обычно измеряется спектральными методами, но в некоторых случаях может определятся по скорости движения ультразвука или из расчета теплового баланса.

Процессы в катодной области

Протяженность катодной области l_К сравнима с длиной свободного пробега электрона, т.е. электроны проходят эту область без соударения.

l_К = 10^-5 см.

Прикатодное падение напряжения u_К = u_иониз = 4…25 В

В результате малой протяженности катодной области в ней возникает весьма сильное электрическое поле

Причиной падения напряжения в катодной области является образование объемного положительного заряда ионов в этой области.

Электроны под действием поля движутся очень быстро. Ионы – обладают большой массой и движутся значительно медленней, чем электроны. Установлено – самый легкий ион – протон в 1830 раз тяжелее электрона и во столько же раз меньше его подвижность. Поэтому в любой момент времени в катодной области присутствуют преимущественно ионы. Они создают у поверхности катода объемный положительный заряд, являющийся причиной падения напряжения.

Электрон, пролетая катодную область, приобретает энергию и попадает в столб дуги. В столбе дуги они могут ионизировать нейтральные атомы. Положительные ионы ускоряются в прикатодной области, ударяются о поверхность катода, нейтрализуются и передают катоду кинетическую энергию и работу ионизации. В результате этой передачи катод разогревается. Ионы могут выбивать электроны с поверхности катода. Образовавшиеся нейтральные атомы поглощаются поверхностью катода или отбрасываются в столб дуги. Температура ионов и электронов у катода разная. Температура нагрева катода близка, но меньше температуры кипения материала, т.к. при этом будет происходить испарение металла. Она зависит также от величины сварочного тока. Чем выше ток сварки при постоянном диаметре электрода, тем больше разогревается катод.

Процессы в анодной области

Ширина прианодной области на порядок шире прикатодной области.

l_а = 5 10^-4 см

Прианодное падение напряжения u_а = 3…4 В

Напряженность поля:

Напряженность поля в 100 раз меньше, чем в прикатодной области, однако довольно большая. Причиной этого является образование у поверхности анода не компенсированного отрицательного заряда электронов. Ток в анодной области переносится только электронами. Поверхность анода положительно заряженных ионов почти не имитирует. Ионы столба дуги, подлетевшие к анодной области отбрасываются электрическим полем анода обратно в столб дуги. Электроны столба дуги, пролетая анодную область накапливают кинетическую энергию, ударяются о поверхность анода, отдают ему эту энергию и энергию работы выхода, в результате этого анод нагревается до температуры близкой к температуре кипения материала анода.