Дуговий розряд

План:

1. Короткі відомості про Дуговий розряд.

2. Формування Дугового розряду. 

3. Типові параметри Дугового розряду.

4. Електронна емісія в Дуговому розряді.

5. Зв'язок між характеристиками Дугового розряду і процесами емісії.

6. Плазма Дугового розряду.

7. Несамостійний Дуговий розряд.

8. Самостійний Дуговий розряд.

9. Катодні плями.

10. Вживання Дугового розряду.

11. Література. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Короткі відомості про  Дуговий розряд.

Дуговий розряд — вид самостійного газового розряду, який виникає за високої температури між електродами, розведених на невелику відстань і супроводжується яскравим світінням у формі дуги. Один з типів стаціонарного електричного розряду в газах .

 Для дугового розряду характерні велика густина струму і напрузі між електродами порядку кількох десятків вольт. Він є результатом інтенсивного викидання термоелектронів розжареним катодом. Електрони прискорюються електричним полем і спричинюють ударну іонізацію молекул газу, тому електричний опір газового проміжку між електродами невеликий. При збільшенні сили струму дугового розряду провідність газового проміжку настільки сильно збільшується, що напруга між електродами дуги спадає (спадна вольт-амперна характеристика). Температура катода (при атмосферному тиску) досягає 3000 °C. Бомбардування електронами анода створює в ньому заглиблення — кратер дуги з температурою близько 4000 °C (при тиску 760 мм рт. ст.). Температура газу в каналі електричної дуги 5 000-6 000°С. Якщо дуговий розряд проходить при порівняно низькій температурі катода (наприклад, ртутна дугова лампа), то основну роль грає холодна емісія електронів із катода.

Дуговий розряд використовується при зварюванні й різці матеріалів, в електричних  печах, дугових лампах тощо.

Дуговий розряд відкрив у 1802 році російський вчений Петров Василь Володимирович. Тому його часто називають також дугою Петрова.

Дуговий розряд виникає між електродами, що контактують між собою, якщо їх почати повільно віддаляти один від  одного, коли вони підключені до потужного  джерела струму. Нагрітий світний газ ніби «провисає» між електродами, тому явище й одержало назву дугового розряду.

При виникненні дугового розряду сила струму зростає  до сотень амперів, а напруга на розрядному проміжку падає до декількох десятків вольтів. Завдяки потокові електронів, що випускаються нагрітим катодом, підтримується  висока провідність між електродами  дуги. Цьому також сприяє і термічна іонізація газу, коли атоми втрачають  електрони, зіштовхуючись один з  одним, і стають носіями електричного струму.

На практиці дуговий розряд можна одержати, минаючи  стадію іскри. Для цього електроди  зближають до зіткнення. При цьому  вони сильно розжарюються струмом. Потім  їх розводять і одержують електричну дугу. Зазвичай температура катода сягає 4000 К (атм. тиск). Якщо розглянути цей процес на прикладі вугільних електродів, то з часом вугільний катод загострюється, а на аноді з"являється кратер — заглиблення в найгарячішому місці дуги.

Застосування  дугового розряду широке й різноманітне. Так, ним користуються при зварюванні й різанні металів, при виплавці сталі високої якості (дугова піч) і для освітлення (прожектори, проекційна апаратура). Існують дугові лампи  з ртутними електродами у кварцових  балонах, де дуговий розряд виникає  в ртутній парі при викачаному повітрі. У такий спосіб влаштовані кварцові лампи. Справа в тому, що дуга, яка виникає в ртутній парі, є потужним джерелом ультрафіолетового  випромінювання. Той самий заряд, але при низьких тисках, застосовується в ртутних випрямлячах для  випрямлення змінного струму.

Електрична дуга між вертикально розташованими вугільними електродами.

Дуговий розряд 3000В. 

Електрозварювальний дуговий розряд. 
 

Дуговий розряд 600В між  волосинками багатожильного проводу. 

  Формування Дугового розряду.  Формуванню Дугового розряду передує короткий нестаціонарний процес в просторі між електродами — розрядному проміжку. Тривалість цього процесу (час встановлення Д. р.) зазвичай ~ 10 ^-6 —10 ^-4 сік залежно від тиску і роду газу, довжини розрядного проміжку, стану поверхонь електродів і т.д. Дугового розряду отримують, іонізуючий газ в розрядному проміжку (наприклад, за допомогою допоміжного, так званого запалювального електроду). У ін. випадках для здобуття Дугового розряду розігрівають один або обидва електроди до високої температури або розсовують зімкнуті на короткий час електроди. Дугового розряду може також виникнути в результаті пробою електричного розрядного проміжку при короткочасному різкому підвищенні напруги між електродами. Якщо пробій відбувається при тиску газу, близькому до атмосферного, то нестаціонарним процесом, передуванням Дугового розряду, є іскровий розряд .  
 

Розподіл температури в різних ділянках шнура електричної дуги.   
 

 Типові параметри Дугового розряду. Для Дугового розряду характерна надзвичайна різноманітність форм, що приймаються ним: він може виникати практично при будь-якому тиску газу — від менш 10 ^-5 мм рт. ст. до сотень атм ; різниця потенціалів між електродами Д. р. може набувати значень від декількох вольт до декількох тисяч вольт (високовольтний Дугового розряду ). Дугового розряду може протікати не лише при постійній, але і при змінній напрузі між електродами. Проте на півперіод змінної напруги звичайний набагато більше часу встановлення Дугового розряду, що дозволяє розглядати кожен електрод протягом одного на півперіоду як катод, а в наступному на півперіоді — як анод. Відмітними особливостями всіх форм Дугового розряду (тісно пов'язаними з характером емісії електронів з катода в цьому типові розряду) є мала величина катодного падіння і висока щільність струму на катоді. Катодне падіння в Д. р. зазвичай порядку іонізаційного потенціалу робочого газу або ще нижче (1—10 в ); щільність струму на катоді складає 10 ² —10 ⁷ а/см ² . При настільки великій щільності струму сила струму в Д. р. зазвичай також великий — порядку 1—10 а і вище, а в деяких формах Д. р. досягає багатьох сотень і тисяч ампер. Проте існують і Д. р. з малою силою струму (наприклад, Д. р. з ртутним катодом може горіти при струмах 0,1 а і нижче).  

  Електронна емісія в Дуговому розряді. Корінна відмінність Дугового розряду від ін. типів стаціонарного електричного розряду в газі полягає в характері елементарних процесів, що відбуваються на катоді і в при катодної області. Якщо в тліючому розряді і негативному коронному розряді має місце вторинна електронна емісія, то в Дуговому розряді електрони вилітають з катода в процесах термоелектронній емісії і автоелектронній емісії (називається також тунельною емісією ). Коли в Дугового розряду відбувається лише перший з цих процесів, його називають термоемісійним. Інтенсивність термоемісії визначається температурою катода; тому для існування термоемісійного Дугового розряду необхідно, щоб катод або окремі його ділянки були розігріті до високої температури. Таке розігрівання здійснюють, підключаючи катод до допоміжного джерела енергії (Дуговий розряд із зовнішнім напруженням; Дуговий розряд з штучним підігріванням). Термоемісійний Дуговий розряд виникає і у тому випадку, коли температуру катода достатньою мірою підвищують удари позитивних іонів, що утворюються в розрядному проміжку і прискорюваних електричним полем по напряму до катода. Проте частіше при Дуговому розряді без штучного підігрівання інтенсивність термоелектронної емісії дуже мала для підтримки розряду, і значну роль грає процес автоелектронної емісії. Поєднання цих двох видів емісії носить назва термоавтоемісії.  

 Автоелектронна  емісія з катода вимагає існування  в його поверхні сильного електричного поля. Таке поле в Дугового розряду створюється об'ємним зарядом позитивних іонів віддаленим від катода на відстань порядку довжини вільного пробігу цих іонів (10 ^-6 —10 ^-4 см ). Розрахунки показують, що автоелектронна емісія не може самостійно підтримувати Дуговий розряд і завжди в тій або іншій мірі супроводжується термоелектронною емісією. Унаслідок складності дослідження процесів в тонкому при катодним шарі при високій щільності струму експериментальних даних про роль автоелектронної емісії в Дуговому розряді накопичено ще недостатньо. Теоретичний же аналіз доки не може задовільно пояснити всі явища, спостережувані в різних формах Дугового розряду.  

 Зв'язок між характеристиками Дугового розряду і процесами емісії. Шар, в якому виникає електричне поле, що викликає автоелектронну емісію, настільки тонкий, що не створює великого падіння різниці потенціалів в катода. Проте для того, щоб це поле було досить сильним, щільність об'ємного заряду іонів в катода, а отже, і щільність іонного струму мають бути великі. Термоелектронна емісія також може відбуватися при малій кінетичній енергії іонів в катода (тобто при малому катодному падінні), але вимагає в цих умовах високої щільності струму — катод нагрівається тим сильніше, чим більше число бомбардуючих його іонів. Т. о., відмінні риси Дугового розряду (мале катодне падіння і висока щільність струму) обумовлені характером при катодних процесів.  

 Плазма Дугового розряду. Розрядний проміжок Дуговий розряд заповнює плазма, що складається з електронів, іонів, нейтральних і збуджених атомів і молекул робочого газу і речовини електродів. Середні енергії часток різного сорту в плазмі Дугові розряди можуть бути різними. Тому кажучи про температуру Дугового розряду, розрізняють іонну температуру, електронну температуру і температуру нейтральної компоненти. В разі рівності цих температур плазму називають ізотермічною.  

 Несамостійний Дуговий розряд. Несамостійним називається Дуговий розряд з штучним підігріванням катода, оскільки підтримку такого розряду не можна здійснити за рахунок його власної енергії: при виключенні зовнішнього джерела напруження він гасне. Розряд легко запалюється без допоміжних запалювальних електродів. Підвищення напруги такого Дугового розряду спочатку підсилює його струм до величини, визначуваною інтенсивністю термоелектронної емісії з катода при даній температурі напруження. Потім аж до деякої критичної напруги струм залишається майже постійним (так званий вільний режим). Коли напруга перевищує критичне, характер емісії з катода міняється: істотну роль в ній починають грати фотоефект і вторинна електронна емісія (енергія позитивних іонів стає достатньою для вибивання електронів з катода). Це приводить до різкого зростання струму розряду — він переходить в скований режим.  

 За  певних умов з Дуговий розряд  штучним підігріванням продовжує  стійко горіти, коли напругу між  електродами знижують до значень,  менших не лише іонізаційного  потенціалу робочого газу, але  і найменшого його потенціалу  збудження. Цю форму Дугового  розряду називають низьковольтною  дугою. Її існування обумовлене  виникненням поблизу катода максимуму  потенціалу, що перевищує потенціал  анода і близького до першого  потенціалу збудження газу, унаслідок  чого стає можливою ступінчаста  іонізація (див. Іонізація ).  

 Самостійний Дуговий розряд. Підтримка такого  Дугового розряду здійснюється за рахунок енергії самого розряду. На тугоплавких катодах (вольфрам, молібден, графить) самостійний Дуговий розряд  носить чисто термоемісійний  характер — бомбардування позитивними іонами нагріває катод до дуже високої температури. Речовина легкоплавкого катода інтенсивно випаровується при Д. р.; випар охолоджує катод, і його температура не досягає значень, при яких розряд може підтримуватися однією термоелектронною емісією — поряд з нею відбувається автоелектронна емісія.