Электрическая дуга представляет собой дуговой разряд, который возникает между двумя электродами или же электродом и заготовкой и который позволяет произвести соединение двух и более деталей посредством сваривания.
Сварочная дуга в зависимости от среды, в которой она возникает, делится на несколько групп. Она может быть открытой, закрытой, а также в среде защитных газов.
Открытая дуга протекает на открытом воздухе посредством ионизации частиц в области горения, а также за счет паров металла свариваемых деталей и материала электродов. Закрытая дуга, в свою очередь, горит под слоем флюса. Это позволяет изменить состав газовой среды в области горения и обезопасить металл заготовок от окисления. Электрическая дуга в таком случае протекает по парам металла и ионам флюсовой присадки. Дуга, которая горит в среде защитных газов, протекает по ионам этого газа и парам металла. Это также позволяет предотвратить окисление деталей, а, следовательно, повысить надежность образуемого соединения.
Электрическая дуга различается по роду подводимого тока - переменный или постоянный - и по продолжительности горения - импульсная или же стационарная. Кроме того, дуга может иметь прямую или же обратную полярность.
По типу используемого электрода различают неплавящиеся и плавящиеся. Применение того или иного электрода напрямую зависит от характеристик, которыми обладает сварочный аппарат. Дуга, возникающая при использовании неплавящегося электрода, как видно из названия, не деформирует его. При сварке плавящимся электродом ток дуги расплавляет материал и он наплавляется на исходную заготовку.
Дуговой промежуток можно условно разделить на три характерных участка: прикатодный, прианодный, а также ствол дуги. При этом последний участок, т.е. ствол дуги, обладает наибольшей длиной, однако, характеристики дуги, а также возможность ее возникновения определяются именно околоэлектродными областями.
В целом же, характеристики, которыми обладает электрическая дуга, можно объединить в следующий список:
1. Длина дуги. Имеется в виду суммарное расстояние прикатодной и прианодной области, а также ствола дуги.
2. Напряжение дуги. Состоит из суммы на каждой из областей: ствол, прикатодная и прианодная. При этом изменение напряжения в околоэлектродных областях значительно больше, чем в оставшейся области.
3. Температура. Электрическая дуга в зависимости от состава газовой среды, материала электродов и может развивать температуру вплоть до 12 тысяч градусов Кельвина. Тем не менее, подобные пики расположены не по всей плоскости торца электрода. Поскольку даже при самой лучшей обработке на материале токопроводящей части имеются различные неровности и бугорки, благодаря которым возникает множество разрядов, которые воспринимаются как один. Конечно же, температура дуги во многом зависит от среды, в которой она горит, а также от параметров подводимого тока. К примеру, если увеличить величину тока, то, соответственно, увеличится и значение температуры.
И, наконец, вольт-амперная характеристика или ВАХ. Представляет собой зависимость напряжения от длины и величины тока.
Электрическая дуга - один из видов электрического разряда в газах. Всякое направленное движение заряженных частиц между электродами в газах называется разрядом. Место дуги среди других видов разрядов в газах:
Дуговой разряд отличается от других:
1 - высокой температурой 4000 - 50 ООО К
2 - высокой силой тока 50-10 000 А
3 - слабым электрическим полем 10 - 60 В.
Называется дугой из-за характерной формы, которая возникает от взаимодействия заряженных частиц дуги с магнитным полем самой дуги. При увеличении тока магнитное поле может разрывать дуговой разряд
Ток в дуговом процессе протекает между электродами (полюсами дуги) через газ дугового пространства.
Положительный электрод - анод.
Отрицательный электрод - катод
Различают дугу свободную (свободно расширяющуюся) и сжатую. Свободной (свободно расширяющейся) называется дуга оадиус которой, не ограничен ни в одном её сечении;
сжатой называется дуга радиус которой, ограничен хотя бы в одном сечении.
Распределение падения напряжения в дуге. В межэлектродном пространстве наблюдается неравномерное распределение электрического поля (скачки потенциала в при - электродных областях) и в соответствии с зтим неравномерно падение напряжения по длине дуги.
Свободные электроны, которые есть в металлах под действием электрического поля при высокой температуре катода покидают его Потенциалом катодной области разгоняются и ионизуют атомы столба дуги Атомы столба могут ионизироваться и от высокой температуры (соударением, фотоионизация) Электроны перемещаются в столбе дуги в сторону анода Приблизившись к аноду, попадают на него под действием электрического поля анодной области Ионы двигаются в противоположную сторону, бомбардируя катод
Сопротивление газового проводника является нелинейным и поэтому дуга не подчиняется Закону Ома
Статическая вольт-амперная характеристика дуги. В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика может быть падающей, пологой и возрастающей
При малых токах с увеличением тока интенсивно возрастает количество заряженных частиц, главным образом, из-за нагрева и увеличения эмиссии электронов с поверхности катода, а, значит, и соответствующего ей увеличения объемной ионизации в столбе дуги.
Сопротивление столба дуги при этом уменьшается и падает необходимое для поддержки разряда напряжение. Характеристика дуги - падающая.
При дальнейшем увеличении тока и ограниченном сечении электродов столб дуги немного сжимается и объем газа, который берет участие в переносе зарядов уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц.
Напряжение дуги становится мало зависимым от тока. Характеристика - пологая.
В первых двух областях электрическое сопротивление дуги отрицательно (негативно). Эти области характерные для дуг со сравнительно малой плотностью тока. Дальнейший рост тока приводить к исчерпанию термоэмиссионной способности катода. Количество заряженных частиц не увеличивается и сопротивление дуги становится положительным и почти постоянным. Появляется высокоионизованна» сжатая плазма, которая по свойствам близка к металлическим проводникам. Такая дуга подчиняется закону Ома.
Энергетическая ёмкость различных областей дуги
Для приведенных цифр падение напряжения в областях дуги (дуга в парах железа) и характерных для ручной дуговой сварки значений тока:
В катодной области 14Вх100А=1,4 кВт на длине *10"5 см
В столбе дуги 25 В/см х 0,6 см х 100 А = 1,5 кВт на длине ^0.6 см
В анодной области 2,5 В х 100 А = 250 Вт на длине ^Ю"4 см.
Основные потребители энергии - катодная область и столб дуги, очевидно, что в них и происходят основные процессы, которые характеризуют физические явление, результатом которых является дуговой разряд.
При постоянных диаметрах электрода и расстояниях между ними электрические параметры дуги будут зависеть от материала электродов (эмиссия, пары металлов в столбе), состава газов в дуге, температуры электродов, состава газа в дуге (в столбе дуги).
То есть, электрические параметры дуги зависят от физических и геометрических факторов. Изменение размеров электродов и расстояния между ними влияет на электрические характеристики дуги
Сварочные дуги подразделяют (классифицируют):
По материалам электродов (Fe, W, Си и т. д.)
По составу газов (в воздухе, в парах металлов, в потоке защитных газов;
Плавящимся или неплавящимся электродом и т. п.
Физические процессы в катодной области
Электроны покидают поверхность катода и двигаются к аноду. Путь, который они проходят до первого столкновения с атомами газов дуги ограничивает катодную область. Расчеты показывают, что это является * Ю"ь см для нормального давления и дуги в воздухе и в парах железа.
К катодной области принято относить эту область дуги (1C)"5 см) и саму поверхностность катода.
1) Общий электрический ток в катодной области состоит из электронного и ионного тока
Плотность тока (А/см2):
I = eo-rvWe’i© = e0n©W&
е0 - заряд электрона;
л© - количество электронов;
W© - скорость движения (дрейфа) электронов.
Если предположить равенство ппотности токов ионного и электронного (на самом I, > 1в), то
Ионы и электроны, которые проходят катодную область, накапливают кинетическую энергию:
Р _ П1фУф - _ тсЛЧэ.
где те, т© - соответствующие массы.
Поскольку они разгоняются электрическим полем, то энергия, которую они получают, будет Єо-ІЛ (произведение зарядов на разницу потенциалов):
Еф = Ее=Єо. ик
тогда скорости движения заряженных частиц:
w* = ; we = №., тогда
пе _ W9 _ у гпе _ I гп(
Масса электрона mQ, = 9,106-10"28 г
Масса протона mn = 1,66-10"24 г
|
1,66-10"24-55,84 _з19 |
Для иона железа AFe = 55,84; в этом случае:
о катод, отдают ему свою энергию, разогревая его, захватывают электрон, превращаясь в нейтральные атомы. Электроны из катода разгоняются до энергии eo U* ударяются в атомы столба дуги и ионизируют их.
Катодная эмиссия
Различают такие виды эмиссии электронов с поверхности катода:
Термоэлектронная;
Автоэлектронная (электростатическая);
Фотоэлектронная (внешний фотоэффект);
Вторичная (бомбардировка поверхности атомами, ионами, тяжелыми частицами, электронами и др.);
При сварке дуговыми способами наиболее часто встречается термо - и автоэлектронная эмиссия.
Интенсивность эмиссии оценивают плотностью тока j [А/см2] (для сварки 102 ... 105 А/мм2).
Термоэлектронная эмиссия.
Свободным электронам, которые есть в твердом теле, не дает покинуть его электрическое поле - поверхностный потенциальный барьер.
Величина наименьшей энергии, которую необходимо придать электрону, чтобы он мог выйти из поверхности тела и удалиться на расстояние, при котором между ним и телом невозможно взаимодействие называется работа выхода.
Всегда найдутся такие электроны, которые случайно наберут эту энергию и выйдут из тела. Но под действием электрического поля они сразу же возвращаются назад.
С ростом температуры тела количество электронов, которые имеют энергию, достаточную для выхода из тела, увеличивается.
В электростатических расчетах работа выхода А* = е0 ф, где <р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.
Плотность тока для термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона - Дештмена:
jT=AT2e“kf; jT = AT2e"^
А - постоянная, зависит от материала катода
Т - температура
к: - постоянная Больцмана к = 8,62 10‘5 эв/К = 1,38-10"23 ДжЖ
Ток термоэлектронной эмиссии оказывается на несколько порядков (в 100.... 10000 раз) меньше чем необходимый для катода при сварке, например, стали.
Но 8 катодной области есть объемный положительный ионный заряд, который создает напряженность поля 1-Ю6 В/см и больше. Электрическое поле такой напряженности изменяет условия эмиссии электронов из катода.
Работа выхода электронов уменьшается в соответствии с величиной напряженности поля в при - электродной (прикатодной) области. Это явление называется эффект Шоттки. Работа выхода при наличии электрического поля е приповерхностной области катода уменьшается на величину: ДАв=е"2Е,/2 ДАВ =3,8-10“*Е
Е - напряженность электрического поляОсобую роль в объяснении явлений катодной эмиссии для аномально больших плотностей тока, характерных для сварки плавящимся электродом, играет электростатическая гипотеза (автоэлектронная эмиссия) Ленгмюра (1923 г). Поток электронов имеет волновые свойства Электрон - волна может проникнуть из катода в анод, не поднимаясь до потенциального уровня, необходимого для эмиссии, а обходя его. Это называется туннельный переход Он происходит без расходования энергии.
При этом величина потенциального барьера должна быть меньше чем длина волны электрона в потоке. Длина волны потока электронов:
Ft - постоянная Планка ft =4,13-10"15 е-в с m - масса электрона V - скорость потока электронов.
у и в - константы, которые зависят от материала катода.
Фотоэмиссия (внешний фотоэффект, эффект Эйнштейна). При поглощении катодом квантов света могут появиться электроны, которые имеют энергию намного большую от работы выхода. Условие возникновения фотоэмиссии (закон Эйнштейна)
Fi v £ ф + Уз mv2
fi - постоянная Планка F> = 6,626176 (36)- 10 м Дж-сек; v - частота световой волны;
m - масса электро. на
v - скорость электрона после эмиссии.
с - скорость светла в вакууме равна 299792458,0 (1,2) м/сек;
vo, *о - граничные частота и длина волны света, которые могут вызвать фотоэмиссию.
Смесь газов ионизуется иначе, чем каждый отдельный газ из-за того, что электронный газ, который создается в результате ионизации будет совместным для всех составных газовой смеси. Степень ионизации смеси:
■Л-тс п-д Р’
п - количество частиц;
S - диаметр взаимодействия частиц (диаметр Рамзауэра);
Р - внешнее давление.
Средняя квадратическая скорость определяется из средней энергии теплового движения.
к - постоянная Больцмана.
Свободный пробег иона - X* свободный пробег нейтрального атома. Свободный пробег электрона Л*о * 4ІЛп (эффект Рамзауэра).
Расчёты показывают, что при массах иона железа и электрона: пір** = 56-1,66-1 O"2* г, me0 = 9,106 10’28 г,
соотношение их подвижностей составит:
Очевидно, что и ток ионный в 1830 раз меньше чем ток электронный. Из приведенных зависимостей с учетом давления подвижность электронов будет:
ь. =й-Ц-Ц - ■Jt ps
В = 3,62-10‘13 - безразмерная величина;
5 - диаметр взаимодействия частиц (Рамзауэра).
Скорость дрейфа электрона в столбе дуги:
В расчетах столб дуги принимаемая цилиндрическим по Форме, однородным с постоянной по сечению плотностью тока - каналовая модель К. К. Хренова.
Длина столба дуги практически равняется длине дуги (в пределах 0.1 - 15 мм). Падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине столба:
Электрическое поле анода отбрасывает положительные ионы в столб дуги, вместо этого притягивая электроны. Создается объемный отрицательный заряд. Из поверхностного анода не происходит эмиссии положительных ионов (за случаем отдельных видов угольной дуги). В связи с этим ток анодной области - это чисто электронный ток га = /«<>.
Длина анодной области приблизительно равна длине свободного пробега электронов от последнего соударения с атомом. Объемный отрицательный заряд анодной области вызывает анодное падение напряжения, которое мало зависит от материала анода, газов дуги, тока через дугу и равняется 2 ... 3 В. Электрон, достигая анода, отдает ему свою кинетическую энергию, а также работу выхода, которая была потрачена на отрыв электрона от катода.
Вольт-амперная характеристика дуги, которая свободно расширяется (свободная)
Дуговой разряд - устойчивая система. При постоянном питании энергией поддерживает себя в широком интервале режимов. Всякое нарушения равновесия вызывает такое изменение параметров дуги, чтобы дуговой процесс остался (не прерывался). Границы. в которых возможны дуговые процессы и характер изменения параметров дуги в ответ на нарушения равновесия, определяют вольт-амперные характеристики.
Статические -1 - ос; динамические -1 - 0.
Рассматривать будем статические характеристики столба дуги.
Предположения (Каналовая модель К. К. Хренова):
Рассматриваем устойчивый дуговой процесс. Энергия подводится в дугу в неограни-ченном количестве и как угодно длительное время. Никакие внешние факторы не влияют на диаметр дуги.
Во всех зонах дуги строго поддерживается термодинамическое равновесие. При этом дуговая плазма подчиняется закону Саха.
Столб дуги представляет собой цилиндр, поверхность которого резко отделяет плазму дуги с температурой Тд от окружающей среды Т = 0.
Все тепповые потери столба дуги это потери на излучение внешней цилиндрической оболочки дуги и подчиняются закону Стефана-Больцмана.
Принцип минимума Штейнбека.
В Дуге, которая свободно расширяется, физические процессы устанавливаются таким образом, чтобы £-> min.
При устойчивом дуговом процессе тепловые потери столба дуги являются минимально возможными для данных условий. Для заданного состояния газовой фазы и постоянных 1Я и Р электрическое поле будет зависеть только от 1^.
1. При увеличении температуры столба от Т6 увеличивается степень ионизации, подвижность электронов, плотность тока, напряженность электрического поля, одновременно увеличиваются и потери на излучение.
2. С уменьшением температуры столба от ТБ уменьшается степень ионизации, плотность тока, но увеличивается напряженность поля. Расходы энергии увеличиваются.
При условии отсутствия ограничений на диаметр дуги, дуга в широких пределах является саморегулируемой системой. В дуге автоматически поддерживается минимально возможная напряженность поля. То есть, при постоянных значениях физических параметров среды и Ід в дуге устанавливается такие значения Т^ и гст, при которых напряженность поля в столбе будет минимальной.
Баланс энергии в областях дуги
Баланс энергии в столбе дуги f - доля электронного тока, |а - сварочный ток.
Энергия источника (тепло Джоуля-Ленца, выделяемое на сопротивлении плазмы столба дуги проходящему току):
ист - падение напряжения на столбе дуги.
Ионизация нейтральных атомов:
Ц - потенциал ионизации газов дугового промежутка.
Тепловые потери на излучение - RCT
Тепловые потери на конвекцию - R^*,
Тепловые потери на диффузию, заряженных частиц в окружающую среду - RAWt>
Тепловые потери на эндотермические химические реакции - RXMt
Уравнение баланса:
(1 - f)l*U* + (1- f)l*Ui+ 4г - Rem = f-lu
Q* + R* или, в упрощённой форме:
Q* = lc*(UK - <р)
отсюда вывод:
чем лучше эмиссия электронов с поверхности катода (чем меньше работа выхода <р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:
причём: 2 - характерно для неплавящихся катодов;
10 - характерно для плавящихся катодов.
3. Баланс энергии на аноде.
Уравнение баланса:
Р + А ■ Rem - Qt + R*
или, в упрощённой форме:
Q« = l~(U, + <р)
Опытные данные показывают:
Сжатая дуга.
Радиус столба дуги гет есть, прежде всего, функция тока в дуге:
рі/2,2 3 гст = С2 -гг - д
ЬЗ,!9Л2 а0 Uj
С увеличением тока увеличивается радиус дуги.
drCT „ Р12 2,-13 . Р12 Дід
Ид Стд3и{912 3 ИЛИ 2а‘3и!9,2",Ц
Дгст - темп увеличения радиуса дуги.
Темп изменения радиуса столба дуги (Дгст - темп) зависит от абсолютного значения тока. При малых токах радиус чувствителен к изменению тока, при больших токах - мало чувствителен. Предельно, когда I» -*«, Дгет = 0.
Когда Дгст = const, ток дуги определяется плотностью тока "і"
I = ЛГап " Urn-
Дуга, которая имеет такие свойства, называется сжатой. Если радиус хотя бы в одном сечении является величиной постоянной^Д^га называется сжатой.
Граница перехода от свободной к сжатой дуге зависит от потенциала ионизации U,. При малой величине U, нужен большой ток для перехода в сжатую дугу. Ограничение радиуса может быть по площади одного из электродов, или через увеличение теплоотдачи из боковой поверхности столба. Обдувая дугу потоком холодного газа, можно перевести ее в сжатую при малых значениях тока.
В реальных условиях на величину прироста Дгет могут влиять:
1. Радиус электродов, между которыми горит дуга.
2. Потенциал ионизации газа, в котором горит дуга.
3. Теплоотдача с боковой поверхности столба дуги.
Способы получения сжатой дуги
Исходя из этого, есть такие способы получения сжатой дуги:
Ограничение диаметра хотя бы одного из электродов;
Обдув дуги газом с высоким потенциалом ионизации и высокой теплопроводностью (Аг. Не);
Внешнее продольное магнитное поле (в технике не применяется).
Общее описание вольт-амперной характеристики дуги, исходя из изложенного может быть выполнено следующим образом:
1) Свободная дуга (свободно расширяющаяся). Радиус столба дуги гст увеличивается с
ростом ток^Ід. Температура дуги остаётся постоянной Т = const, степень ионизации х - очень малая. Падающую характеристику имеют и столб дуги и катодная область.
2) Сжатая слабоионизированая дуга. Радиус столба дуги гет - не увеличивается с ростом т. ока^начинает заметно увеличиваться степень ионизации х и температура стопба дуги Та. Столб дуги имеет еще падающую характеристику. Катодная область - возрастающую
3) Си^т^ в^юок£ионизированая дуга. Степень ионизации х-*1 ВАХ столба дуги и катодной области - возрастающие. Процессы в дуге перестают зависеть от полярности, материалов электродов и свойств газов столба дуги. Дуга становится обычным проводником на уровне металлов (при 10 ООО К удельное сопротивление р = 1,5-1 O"4 Ом см), превращаясь в высококонцентрированный весьма устойчивый источник сварочного нагрева
Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.
В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.
Рис. 1. Строение электрической дуги
Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.
В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).
Как возникает электрическая дуга
Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.
Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.
Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.
Рис. 2. Электрическая дуга
Дуга после зажигания
В установившемся режиме горения дут ионизационные и деионизационные процессы в ней находятся в равновесии. Ствол дуги с равным количеством свободных положительных и отрицательных зарядов характеризуется высокой степенью ионизации газа.
Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.
Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:
1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.
2. Высокой температурой внутри ствола дуга, достигающей 6000 - 25000K.
3. Высокой плотностью тока и стволе дуги (100 - 1000 А/мм 2).
4. Малыми значениями анодного и катодного падения напряжения и практически не зависит от тока (10 - 20 В).
Вольт-амперная характеристика электрической дуги
Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения U з.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)
Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.
Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.
Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.
Падение напряжения на дуговом промежутке:
Ud = U з + EdId ,
где U з = U к + U а - околоэлектродное падение напряжения, Ed - продольный градиент напряжения в дуге, Id - дина дуги.
Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.
С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в и в .
- Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) - физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества - плазмы - и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.
Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:
При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В).
Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд - плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.
Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.
При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.
В 1802 г. русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Это явление семь лет спустя независимо наблюдал английский химик Г. Дэви, который предложил в честь А. Вольты назвать эту дугу «вольтовой».
На рис. 159 изображен простейший способ получения электрической дуги. В регулирующем штативе закреплены два угля, в качестве которых лучше брать не обычный древесный уголь, а специально изготовляемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ (дуговые угли). Источником тока может служить осветительная сеть. Чтобы в момент соединения углей не получилось короткого замыкания, последовательно с дугой следует включить реостат.
Рис. 159. Установка для получения электрической дуги: 1 и 2 – угольные электроды
Обычно осветительная сеть питается током переменного направления. Дуга, однако, горит устойчивее, если через нее пропускают ток постоянного направления, так что один из ее электродов является все время положительным (анод), а другой отрицательным (катод). Фотография накаленных электродов такой дуги приведена на рис. 160. Между электродами находится столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах этот столб испускает значительно меньше света, нежели раскаленные угли, и поэтому на фотографии не виден. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее отрицательного. Вследствие сильной возгонки угля на нем образуется углубление – положительный кратер, являющийся самой горячей частью электродов. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4000° С.
Рис. 160. Электроды электрической дуги (фотография)
98.1. В дуговых лампах употребляют специальные регуляторы – часовые механизмы, сближающие с одинаковой скоростью оба угля по мере их сгорания. Однако толщина положительного угля всегда бывает больше, чем отрицательного. Почему так делают?
Дуга может гореть и между металлическими электродами (железо, медь и т. д.). При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется много тепла. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000-2500° С).
Заставляя гореть дугу между угольными электродами в сжатом газе (около 20 атм), удалось довести температуру положительного кратера до 5900° С, т. е. до температуры поверхности Солнца. При этом наблюдалось плавление угля. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, через который идет электрический разряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000° С. Поэтому в столбе дуги почти все известные вещества плавятся и обращаются в пар, и делаются возможными многие химические реакции, которые не идут при более низких температурах. Нетрудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплавкие фарфоровые палочки.
Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение: дуга хорошо горит при напряжении на ее электродах 40-45 В. Ток в дуге довольно значителен. Так, например, даже в небольшой дуге, в опыте, изображенном на рис. 159, идет ток около 5 А, а в больших дугах, употребляющихся в промышленности, ток достигает сотен ампер. Это показывает, что сопротивление дуги невелико; следовательно, и светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток.
98.2. Дуговая лампа требует ток 300 А при напряжении на углях 60 В. Какое количество теплоты выделяется в такой дуге за 1 мин? Чему равно сопротивление такой дуги?
Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизуют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги мы вначале приводим угли в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока (§ 59). Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.
Вольтамперная характеристика дуги, т. е. зависимость между силой тока в дуге и напряжением между ее электродами , носит совершенно своеобразный характер. До сих пор мы встречались с двумя формами такой зависимости: в металлах и электролитах ток возрастает пропорционально напряжению (закон Ома), при несамостоятельной проводимости газов ток сначала возрастает с увеличением напряжения, а затем достигает насыщения и от напряжения не зависит. В дуговом разряде при увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается. Говорят, что дуга имеет падающую вольтамперную характеристику.
Таким образом, в случае дугового разряда увеличение тока приводит к уменьшению сопротивления дугового промежутка и уменьшению напряжения на нем. Именно поэтому, для того чтобы дуга горела устойчиво, необходимо включать последовательно с ней реостат (рис. 159) или другое так называемое балластное сопротивление.
