\ Для учителя физики

При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Разработка урока с презентацией по физике на тему: "Электрический ток в газах"

Разработку урока по физике подготовила : Семенченко Галина Васильевна, г. Барнаул КГОУНПО ПУ -13, преподаватель физики,астрономии и электротехники, email: [email protected]

Эпиграф:

«Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре, о чем мы не знаем сегодня?»

/Луи де Бройль/

Электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду.

При столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы.

Процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов.

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).

Процесс прохождения электрического тока в газах называется газовым разрядом.

Разряды бывают двух видов:

Самостоятельный – разряд, возникающий без чьей – либо помощи в газах.

Несамостоятельный – разряд, возникающий в газах с помощью ионизатора.

Ионизаторы – это факторы, вызывающие ионизацию газа.

К факторам относятся:

• нагревание газа до высокой температуры;
• рентгеновских лучей;
• лучей, возникающих при радиоактивном распаде;
• космических лучей;
• бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами.

Несамостоятельный разряд

Электропроводность газа создается внешними ионизаторами;

С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается;

Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Самостоятельный разряд

Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником свободных зарядов является ударная ионизация молекул газа.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.

Кроме того, катод может испускать электроны при нагревании до большой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Его можно рассматривать как испарение электронов из металла. Во многих твердых веществах термоэлектронная эмиссия происходит при температурах, при которых испарение самого вещества еще мало. Такие вещества и используются для изготовления катодов.

Виды самостоятельных разрядов.

В зависимости от свойств и состояния газа, характера и расположения электродов, а также от приложенного к электродам напряжения возникают различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше.

Основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом.

При достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи.

Вид тлеющего разряда

Тлеющий разряд полученный с помощью генератора

Применение тлеющего разряда

Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков.

Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами.

Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тел (особенно диэлектриков), помещенных в трубку.

Таким способом изготовляют зеркала для ряда приборов, наносят тонкий слой металла на селеновые фотоэлементы.

Тлеющий разряд на производстве

Обработка коронным разрядом поверхностей

Коронный разряд

Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (например, около остриев или проводов линий высокого напряжения).

При коронном разряде ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи коронирующих электродов. В случае коронирования катода (отрицательная корона) электроны, вызывающие ударную ионизацию молекул газа, выбиваются из катода при бомбардировке его положительными ионами.

Если коронируют анод (положительная корона), то рождение электронов происходит вследствие фотоионизации газа вблизи анода.

Корона - вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии. Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают более гладкой.

Вид коронного разряда

слайд№ 13

Частный случай коронного разряда – кистевой

При повышенном напряжении коронный разряд на острие приобретает вид исходящих из острия и перемежающихся во времени светлых линий. Эти линии, имеющие ряд изломов и изгибов, образуют подобие кисти, вследствие чего такой разряд называют кистевым.

С коронным разрядом приходится считаться, имея дело с высоким напряжением. При наличии выступающих частей или очень тонких проводов может начаться коронный разряд. Это приводит к утечке электроэнергии. Чем выше напряжение высоковольтной линии, тем толще должны быть провода.

Огни святого Эльма

Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому перед грозой или во время грозы нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися кисточками.

Огни святого Эльма перед грозой в океане

Слайд№ 17

Искровой разряд

Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных разветвляющихся нитей-каналов, которые пронизывают разрядный промежуток и исчезают, сменяясь новыми.

Каналы искрового разряда начинают расти иногда от положительного электрода, иногда от отрицательного, а иногда и от какой-нибудь точки между электродами.

Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким свечением газа, треском или громом.

Все эти явления вызываются электронными и ионными лавинами, которые возникают в искровых каналах и приводят к огромному увеличению давления, достигающему 107 108 Па, и повышению температуры до 10000 С.

Применение искрового разряда

При малой длине разрядного промежутка искровой разряд вызывает специфическое разрушение анода, называемое эрозией. Это явление было использовано в электроискровом методе резки, сверления и других видах точной обработки металла.

Искровой промежуток применяется в качестве предохранителя от перенапряжения в электрических линиях передач (например, в телефонных линиях).

Электрическая искра применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью.

Электроискровой станок

Слайд № 21

Характерным примером искрового разряда является молния.

Главный канал молнии имеет диаметр от 10 до 25 см., а длина молнии может достигать нескольких километров. Максимальная сила тока импульса молнии достигает десятков и сотен тысяч ампер.

Молнии бывают линейные и шаровые.

Шаровая молния - это одиночная ярко светящаяся относительно стабильная небольшая масса, которая наблюдается в атмосфере, плавающая в воздухе и перемещающаяся вместе с потоками воздуха, содержащая в своем теле большую энергию, исчезающая тихо или с большим шумом типа взрыва и не оставляющая после своего исчезновения никаких материальных следов, кроме тех разрушений, которые она успела натворить.

Шаровая молния

Слайд № 23

Как вести себя во время грозы?

1. Нельзя укрываться в грозу возле одиноко стоящих деревьев, столбов и других высоких местных предметов, надо отойти на 15 метров.
2. Опасно находиться в воде или поблизости от неё.
3. Палатку ставить у воды нельзя, так как молнии часто ударяют в речные берега.
4. Никогда не следует недооценивать опасность молнии.
5. Если гроза застала вас в автомобиле, не выходите из него. Закройте все двери и окна и переждите ненастье внутри.
6. Находясь во время грозы в загородном доме, отключите из сети электроприборы, а телевизор – от индивидуальной антенны.
7. Молния редко ударяет в кустарник, практически не попадает в клён и берёзу, чаще всего попадает в дуб и тополь.

Дуговой разряд

Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году. Этот разряд представляет собой одну из форм газового разряда, осуществляющуюся при большой плотности тока и сравнительно небольшом напряжении между электродами (порядка нескольких десятков вольт).

Основной причиной дугового разряда является интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа, благодаря чему электрическое сопротивление газового промежутка между электродами сравнительно мало.

В ряде случаев дуговой разряд наблюдается и при сравнительно низкой температуре катода (ртутная дуговая лампа).

Дуговой разряд нашел применение в ртутном выпрямителе, преобразующем переменный электрический ток в ток постоянного направления.

Применение дугового разряда

В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света.

Дуговой разряд применяется как источник света в прожекторах и проекционных аппаратах.

Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. Дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.

В 1882 году Н. Н. Бенардос дуговой разряд впервые использовал для резки и сварки металла.

В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим.

Знаменитые физики, изучавшие дуговой разряд.

Применение плазмы

Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света - в светящихся трубках рекламных надписей, в лампах дневного света. Газоразрядную лампу используют во многих приборах, например, в газовых лазерах - квантовых источниках света.

Высокотемпературная плазма применяется в магнитогидродинамических генераторах.

Недавно был создан новый прибор - плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т.д.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Кафедра техники и электрофизики высоких напряжений

Курсовой проект

Предмет «Прикладная физика и химия плазмы»

Дуговой разряд

Выполнил студент группы 4ТМ41

Аширбаев М.Е.

Проверил профессор, д.ф.-м.н. ТЭВН

Пушкарев А.И.

Томск, 2015

дуговой разряд катодный вольтамперный

1. Общие сведения

2. Свойства дугового разряда

2.1 Образование дуги

2.2 Катодное пятно. Внешний вид и отдельные части дугового разряда

2.3 Распределение потенциала и вольтамперная характеристика при дуговом разряде

2.4 Температура и излучение отдельных частей дугового разряда

2.5 Генерация незатухающих колебаний при помощи электрической дуги

3. Применение дугового разряда

3.1 Современные методы электрообработки

3.2 Электродуговая сварка

3.3 Плазменная технология

3.4 Плазменная сварка

Заключение

Список использованных источников

1. Общие сведения

Дуговой разряд в виде так называемой электрической дуги был впервые обнаружен в 1802 году русским учёным профессором физики Военно-медико-хирургической академии в Петербурге, а впоследствии академиком Петербургской Академии наук Василием Владимировичем Петровым. Петров следующими словами описывает в одной из изданных им книг свои первые наблюдения над электрической дугой:

«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля... и если металлическими изолированными направлятелями...сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трёх линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого тёмный покой довольно ясно освещен быть может... ».

Путь к электрической дуге начался в глубокой древности. Еще греку Фалесу Милетскому, жившему в шестом веке до нашей эры, было известно свойство янтаря притягивать при натирании легкие предметы--перышки, солому, волосы и даже создавать искорки. Вплоть до семнадцатого века это был единственный способ электризации тел, не имевший никакого практического применения. Ученые искали объяснение этому явлению.

Английский физик Уильям Гильберт (1544--1603) установил, что и другие тела (например, горный хрусталь, стекло), подобно янтарю, обладают свойством притягивать легкие предметы после натирания. Он назвал эти свойства электрическими, впервые введя этот термин в употребление (по-гречески янтарь--электрон).

Бургомистр из Магдебурга Отто фон Герике (1602--1686) сконструировал одну из первых электрических машин. Это была электростатическая машина, представлявшая собой серный шар, укрепленный на оси. Одним из полюсов служил... сам изобретатель. При вращении рукоятки из ладоней довольного бургомистра с легким потрескиванием вылетали синеватые искры. Позднее машину Герике усовершенствовали другие изобретатели. Серный шар был заменен стеклянным, а вместо ладоней исследователя в качестве одного из полюсов применены кожаные подушечки.

Большое значение имело изобретение в восемнадцатом веке лейденской банки--конденсатора, позволившего накапливать электричество. Это был стеклянный сосуд с водой, обернутый фольгой. В воду погружали металлический стержень, пропущенный через пробку.

Американский ученый Бенджамин Франклин (1706--1790) доказал, что вода в собирании электрических зарядов никакой роли не играет, этим свойством обладает стекло--диэлектрик.

Электростатические машины получили довольно широкое распространение, но лишь как забавные вещицы. Были, правда, попытки лечения больных с помощью электричества, однако каков был физиотерапевтический эффект такого лечения, сказать трудно.

Французский физик Шарль Кулон (1736--1806)-- основатель электростатики-в 1785 г. установил, что сила взаимодействия электрических зарядов пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В сороковых годах восемнадцатого века Бенджамин Франклин выдвинул теорию о том, что существует электричество только одного рода--особая электрическая материя, состоящая из мельчайших частиц, способных проникать внутрь вещества. Если в теле имеется избыток электрической материи, оно заряжено положительно, при ее недостатке--тело заряжено отрицательно. Франклин ввел в практику знаки «плюс» и «минус»,а также термины: конденсатор, проводник, заряд.

С оригинальными теориями о природе электричества выступили М. В. Ломоносов (1711--1765), Леонард Эйлер (1707--1783), Франц Эпинус (1724--1802) и другие ученые. К концу восемнадцатого века свойства и поведение неподвижных зарядов были достаточно изучены и в какой-то мере объяснены. Однако ничего не было известно об электрическом токе--движущихся зарядах, так как не существовало устройства, которое могло бы заставить двигаться большое количество зарядов. Токи, получаемые от электростатической машины, были слишком малы, их нельзя было измерить.

2. Свойства дугового разряда

2.1 Образование дуги

Если в тлеющем разряде увеличивать силу тока, уменьшая внешнее сопротивление, то при большой силе тока напряжение на зажимах трубки начинает падать, разряд быстро развивается и превращается в дуговой. В большинстве случаев переход совершается скачком и практически нередко ведёт к короткому замыканию. При подборе сопротивления внешнего контура удаётся стабилизовать переходную форму разряда и наблюдать при определённых давлениях непрерывный переход тлеющего разряда в дугу. Параллельно с падением напряжения между электродами трубки идёт возрастание температуры катода и постепенное уменьшение катодного падения.

Применение обычного способа зажигания дуги путём раздвигания электродов вызвано тем, что дуга горит при сравнительно низких напряжениях в десятки вольт, тогда как для зажигания тлеющего разряда нужно при атмосферном давлении напряжение порядка десятков киловольт. Процесс зажигания при раздвигании электродов объясняется местным нагреванием электродов вследствие образования между ними плохого контакта в момент разрыва цепи. Вопрос о развитии дуги при разрыве цепи технически важен не только с точки зрения получения «полезных» дуг, но также и с точки зрения борьбы с «вредными» дугами, например с образованием дуги при размыкании рубильника. Пусть L-само- индукция контура, W--его сопротивление, Ъ--э.д.с. источника тока U(I)--функция вольтамперной характеристики дуги. Тогда мы должны иметь:

Ъ= L dI/dt+WI+U(I) (1)

LdI/dt=(Ъ-WI)-U(I)=? (2)

Разность (Ъ -- WI) есть не что иное, как ордината прямой сопротивления АВ (рис.1), а U(I)-- ордината характеристики дуги при данном I. Чтобы dI/dt было отрицательно, т.е. Чтобы ток I непременно уменьшался со временем и между электродами рубильника не образовалось стойкой дуги, надо, чтобы

Рис. 1. Относительное положение прямой сопротивления и кривой вольтамперной характеристики установившейся дуги для случаев: а)когда дуга не может возникнуть при разрыве цепи; б)когда дуга возникает при разрыве в интервале силы тока, соответствующем точкам Р и Q.

имело место?<0, т. е. надо, чтобы во всех точках характеристики соблюдалось неравенство U(I)>Ъ-WI. Для этого характеристика всеми своими точками должна лежать выше прямой сопротивления (рис. 1, а). Это простое заключение не учитывает ёмкости в цепи и относится лишь к постоянному току.

Точка пересечения прямой сопротивления с кривой вольт-амперной характеристики установившейся дуги соответствует низшему пределу силы постоянного тока, при котором может возникнуть дуга при разрыве цепи (рис. 1, б). В случае размыкания рубильником дуги переменного тока, потухающей при каждом переходе напряжения через нуль, существенно, чтобы условия, имеющиеся налицо в разрядном промежутке при размыкании, не допускали нового зажигания дуги при последующем возрастании напряжения источника тока. Для этого требуется, чтобы при возрастании напряжения разрядный промежуток был достаточно деионизован. В выключателях сильных переменных токов искусственно добиваются усиленной деионизации путём введения специальных электродов, отсасывающих заряженные частицы газа благодаря двух полярной диффузии, а также путём применения механического дутья или путём воздействия на разряд магнитным полем. При высоких напряжениях применяют масляные выключатели.

2.2 Катодное пятно. Внешний вид и отдельные части дугового разряда

Катодное пятно, неподвижное на угольном катоде, на поверхности жидкой ртути находится в непрерывном быстром движении. Положение катодного пятна на поверхности жидкой ртути может быть закреплено при помощи металлического штифта, погруженного в ртуть и немного высовывающегося из неё.

В случае небольшого расстояния между анодом и катодом тепловое излучение анода сильно влияет на свойства катодного пятна. При достаточно большом расстоянии анода от угольного катода размеры катодного пятна стремятся к некоторому постоянному предельному значению, и площадь, занимаемая катодным пятном на угольном электроде в воздухе, пропорциональна силе тока и соответствует при атмосферном давлении 470 а/смІ.Для ртутной дуги в вакууме найдено 4000 а/смІ.

При уменьшении давления площадь, занимаемая катодным пятном на угольном катоде, при постоянной силе тока увеличивается.

Резкость видимой границы катодного пятна объясняется тем, что сравнительно медленному уменьшению температуры с удалением от центра пятна соответствует быстрое падение как светового излучения, так и термоэлектронной эмиссии, а это равносильно резкой «оптической» и «электрической» границам пятна.

Угольный катод при горении дуги в воздухе заостряется, тогда как на угольном аноде, если разряд не перекрывает всю переднюю площадь анода, образуется круглое углубление--положительный кратер дуги .

Образованно катодного пятна объясняется следующим образом. Распределение пространственных зарядов в тонком слое у катода таково, что здесь разряд требует для своего поддержания тем меньшей разницы потенциалов, чем меньше поперечное сечение канала разряда. Поэтому разряд на катоде должен стягиваться.

Непосредственно к катодному пятну прилегает часть разряда, называемая отрицательной пли катодной кистью или отрицательным пламенем. Длина катодной кисти в дуге при низком давлении определяется тем расстоянием, на которое залетают быстрые первичные электроны, получившие свои скорости в области катодного падения потенциала.

Между отрицательной кистью и положительным столбом расположена область, аналогичная Фарадееву тёмному пространству тлеющего разряда. В дуге Петрова в воздухе, кроме отрицательной кисти, имеется положи-тельное пламя и ряд ореолов. Спектральный анализ указывает на наличие в этих пламенях и ореолах ряда химических соединений (циана и окислов азота).

При горизонтальном расположении электродов и большом давлении газа положительный столб дугового разряда изгибается кверху под действием конвекционных токов нагретого разрядом газа. Отсюда произошло самое название дуговой разряд.

2.3 Распределение потенциала и вольтамперная характеристика при дуговом разряде

В дуге Петрова высокая температура и высокое давление не дают возможности использовать для измерения распределения потенциала метод зондов.

Падение потенциала между электродами дуги складывается из катодного падения и Uк, анодного падения Uа и падения в положительном столбе. Сумму катодного и анодного падений потенциала можно определить, сближая анод и катод до исчезновения положительного столба и измеряя напряжение между электродами. В случае дуги при низком давлении можно определить значения потенциала в двух точках столба дуги, пользуясь методом зондовых характеристик, вычислить отсюда продольный градиент потенциала и далее подсчитать как анодное, так и катодное падение потенциала.

Установлено, что в дуговом разряде при атмосферном давлении сумма катодного и анодного падений примерно той же величины, что и ионизационный потенциал газа или пара, в котором происходит разряд.

В технике применения дуги Петрова с угольными электродами обычно пользуются эмпирической формулой Айртона:

U=a+bl+(c+dl)/I (3)

Здесь U - напряжение между электродами, I - сила тока в дуге, l - длина дуги, а, b, с и d - четыре постоянных. Формула характеристики (3) установлена для дуги между угольными электродами в воздухе. Под l подразумевается расстояние между катодом и плоскостью, проведённой через края положительного кратера.

Перепишем формулу (4) в виде

U=а+c/I+l(b+d/I). (4)

В (4) члены, содержащие множитель l, соответствуют падению потенциала в положительном столбе; первые два члена представляют собой сумму катодного и анодного падения Uк+Uа. Постоянные в (3) зависят от давления воздуха и от условий охлаждения электродов, а следовательно, от размеров и формы углей.

В случае дугового разряда в откачанном сосуде, заполненном парами металла (например, ртути), давление пара зависит от температуры наиболее холодных частей сосуда и поэтому ход характеристики сильно зависит от условий охлаждения всей трубки.

Динамическая характеристика дугового разряда сильно отличается от статической. Вид динамической характеристики зависит от быстроты изменения режима дуги. Практически наиболее интересна характеристика дуги при питании переменным током. Одновременное осциллографирование тока и напряжения даёт картину, изображенную на рис.2. Начерченная по этим кривым характеристика дуги за целый период имеет вид, представленный на рис.2. Пунктиром показан ход напряжения при отсутствии разряда.

Рис. 2. Осциллограмма тока и напряжения дугового разряда на переменном токе низкой частоты. Точки А, В, С и т.д. соответствуют точкам, обозначенным теми же буквами

Катод, не успевший ещё охладиться после разряда, имевшего место в предыдущем полупериоде тока, с самого начала полупериода, когда внешняя э.д.с. проходит через нуль, эмитирует электроны. От точки О до точки А характеристика соответствует несамостоятельному разряду, источником которого являются эмитируемые катодом электроны. В точке А происходит зажигание дуги. После точки А разрядный ток быстро увеличивается. При наличии сопротивления во внешней цепи напряжение между электродами дуги падает, хотя э.д.с. источника тока (пунктир на рис.3), пробегая синусоиду, ещё увеличивается. С уменьшением напряжения и тока, даваемого внешним источником, разрядный ток начинает уменьшаться.

С уменьшением тока в дуге напряжение между её электродами может вновь возрасти в зависимости от внешнего сопротивления, но часть ВС характеристики на рис.3 может быть и горизонтальной или иметь противоположный наклон. В точке С имеет место потухание дуги.

После точки С ток несамостоятельного разряда уменьшается до нуля вместе с уменьшением напряжения между электродами.

После перехода напряжения через нуль роль катода начинает играть прежний анод и картина повторяется при обратных знаках тока и напряжения.

На вид динамической характеристики оказывают влияние все условия, определяющие режим дуги: расстояние между электродами, величина внешнего сопротивления, самоиндукция и ёмкость внешней цепи, частота переменного тока, питающего дугу, и т. д.

Если на электроды дуги, питаемой постоянным током, наложить переменное напряжение амплитуды, меньшей, чем напряжение питающего дугу постоянного тока, то характеристика имеет вид замкнутой петли, охватывающей статическую характеристику ВС с двух сторон. При увеличении частоты переменного тока ось этой петли поворачивается, сама петля сплющивается и, наконец, стремится принять вид отрезка прямой ОА , проходящей через начало координат (рис.3).

Рис. 3. Изменение динамической характеристики при повышенной частоты переменного тока, наложенного на постоянный

При очень малой частоте петля динамической характеристики превращается в отрезок статической характеристики ВС, так как все внутренние параметры разряда, в частности концентрация ионов и электронов, успевают в каждой точке характеристики принимать значения, соответствующие стационарному разряду при данных U и I. Наоборот, при очень быстром изменении и параметры разряда совершенно не успевают изменяться, поэтому I оказывается пропорциональным и, что соответствует прямой ОА, проходящей через начало координат. Таким образом, при увеличении частоты переменного тока петля характеристики (рис. 3) становится во всех своих точках возрастающей.

В связи с возможностью полной ионизации газа в дуговом разряде стоит вопрос об обрыве дуги при малом давлении газа и очень сильных токах. В явлении обрыва дуги существенную роль играет значительное уменьшение плотности газа вследствие электрофореза и отсоса ионов к стенкам, особенно в таких местах, где разрядный промежуток сильно сужен. Практически это приводит к необходимости избегать чрезмерных сужений при постройке ртутных выпрямителей на очень большие силы тока.

Электрики, имевшие впервые дело с электрической дугой, пытались применить закон Ома также и в этом случае. Для получения результатов расчёта по закону Ома, согласных с действительностью, им пришлось ввести представление об обратной электродвижущей силе дуги. По аналогии с явлениями в гальванических элементах, предполагаемое появление этой э.д.с. назвали поляризацией дуги. Вопросу об обратной э.д.с. дуги посвящены работы русских учёных Д. А. Лачинова и В. Ф. Миткевича. Дальнейшее развитие представлений об электрических разрядах в газах показало, что такая постановка вопроса является чисто формальной и может быть с успехом заменена представлением о падающей характеристике дуги. Справедливость этой точки зрения подтверждается неудачей всех попыток непосредственно обнаружить экспериментально обратную э.д.с. электрической дуги.

2.4 Температура и излучение отдельных частей дугового разряда

В случае дуги в воздухе между угольными электродами преобладает излучение раскалённых электродов, главным образом, положительного кратера. Излучение анода, как излучение твёрдого тела, обладает сплошным спектром. Интенсивность его определяется температурой анода. Последняя является характерной величиной для дуги в атмосферном воздухе при аноде из какого-либо данного материала, так как температура анода от силы тока не зависит и определяется исключительно температурой плавления или возгонки материала анода. Температура плавления или возгонки зависит от давления, под которым находится плавящееся или возгоняемое тело. Поэтому температура анода, а следовательно, и интенсивность излучения положительного кратера зависят от давления, при котором горит дуга. В этом отношении известны классические опыты с угольной дугой под давлением, приведшие к получению очень высоких температур.

Об изменении температуры положительного кратера с давлением даёт понятие кривая рис 4. Прямая линия, на которую на этом чертеже укладываются точки для давлений от 1 атм. и выше, служит подтверждением предположения, что температура положительного кратера определяется температурой плавления или возгонки вещества анода, так как в этом случае должна существовать линейная зависимость между ln р и 1/T. Отступление от линейной зависимости при более низких давлениях объясняется тем, что при давлении ниже 1 атм. количество тепла, выделяющееся на аноде, недостаточно для нагревания анода до температуры плавления или возгонки.

Рис. 4. Изменение температуры угольного анода электрической дуги в воздухе при изменении давления. Шкала по оси ординат логарифмическая

Температура катодного пятна дуги Петрова всегда на несколько сот градусов ниже температуры положительного кратера. Высокие температуры шнура дуги не могут быть определены при помощи термоэлемента или болометра. В настоящее время для определения температуры в дуге применяют спектральные методы. При больших силах тока температура газа в дуге Петрова может быть выше температуры анода и достигает 6000° К. Такие высокие температуры газа характерны для всех случаев дугового разряда при атмосферном давлении. В случае очень больших давлений (десятки и сотни атмосфер) температура в центральных частях от шнуровавшегося положительного столба дуги доходит до 10 000° К. В дуговом разряде при низких давлениях температура газа в положительном столбе того же порядка, как и в положительном столбе тлеющего разряда.

Температура положительного кратера дуги выше, чем температура катода, потому что на аноде весь ток переносится электронами, бомбардирующими и нагревающими анод. Электроны отдают аноду не только всю приобретённую в области анодного падения кинетическую энергию, но ещё и работу выхода (скрытую теплоту испарения» электронов). Напротив, на катод попадает и его бомбардирует и нагревает малое число положительных ионов по сравнению с числом электронов, попадающих на анод при той же силе тока. Остальная часть тока на катоде осуществляется электронами, при выходе которых в случае

термоэлектронной дуги на работу выхода затрачивается тепловая энергия катода.

2.5 Генерация незатухающих колебаний при помощи электрической дуги

Благодаря тому, что дуга имеет падающую характеристику, она может быть использована в качестве генератора незатухающих колебаний. Схема такого дугового генератора представлена на рис. 5. Условия генерации колебаний в этой схеме можно вывести из рассмотрения условий устойчивости стационарного разряда при заданных параметрах внешней цепи. Пусть электродвижущая сила источника постоянного тока, питающего разряд (рис.5), равна Ъ, напряжение между электродами трубки U, сила стационарного тока через разрядную трубку при данном режиме равна I, ёмкость катод-анод трубки плюс ёмкость всех подводящих проводов С, самоиндукция в цепи L, сопротивление, через которое подаётся ток от источника, R.

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема дугового генератора.

При установившемся режиме постоянного тока будем иметь:

Ъ=U о+ IR (5)

Допустим, что этот стационарный режим нарушен. Разрядный ток в какой-либо данный момент времени равен I + i , где i - малая величина, а разность потенциалов между электродами равна U. Введём обозначение U?=dU/dI (dU/di )i=0 равно тангенсу угла наклона касательной к вольтамперной характеристике в рабочей точке, соответствующей выбранному нами первоначально режиму (ток I). Посмотрим, как будет дальше изменяться i . Если i будет возрастать, то данный режим разряда неустойчив; если, наоборот, i беспредельно убывает, то режим разряда устойчивый.

Обратимся к вольтамперной характеристике рассматриваемого разрядного промежутка U=f (I +i ) - через трубку идёт ток I +i и ёмкость С заряжается (или разряжается). Разность потенциалов на ёмкости С уравновешивается в этом случае не только напряжением на разрядном промежутке, но и э.д.с. самоиндукции цепи. Пусть I +i2 --общий ток через сопротивление R. Обозначим ток, заряжающий ёмкость С, через i1 ; мгновенное значение разности потенциалов на ёмкости С-- через U1.Разность потенциалов между электродами дуги будет U 0+ iU ".

Ъ =U1+(i+I2)R, (6)

U1-U0=U"i+Ldi/dt, (7)

i 2= i 1+ i . (8)

Добавочный заряд Q на ёмкости С по сравнению со стационарным режимом:

Q=?i 1 dt=(U 1 -U 0)C. (9)

Вычитая (5) из (6), находим:

U 1 - U 0 =- i 2 R (10)

Выражения (7), (8) и (10) дают:

U"i+Ldi/dt=-R(i+i 1 ) . (11)

Выражения (7) и (9) дают:

1/C? i 1 dt = U "i + Ldi / dt . (12)

Дифференцируя (12) по t и вставляя результат в (11), находим:

U"i+Ldi/dt=-iR-RCU"di/dt-RLCdІi/dtІ. (13)

dІi/dtІ +(1/CR+U"/L )di/dt + 1/LC(U"/R+1)i =0 (14)

Формула (14) представляет собой дифференциальное уравнение, которому подчиняется добавочный ток i .

Как известно, полный интеграл уравнения (14) имеет вид:

i=А1е^r1t+А2е^r2t, (15)

где r1 и r2-- корни характеристического уравнения, определяемые формулой

r =-1/2(1/CR + U "/ L )+ v1/4(1/ CR + U "/ L )І-1/ LC (U "/ R +1) . (16)

Если подкоренная величина в (16) больше нуля, то r1 и r2 оба действительны, i изменяется апериодически по экспоненциальному закону и решение (15) соответствует апериодическому изменению тока. Для того чтобы в рассматриваемой нами схеме возникли колебания тока, необходимо, чтобы r 1 и r 2 были комплексными величинами, т. е. чтобы

1/LC(U"/R+1)>1/4(1/CR+U"/L)І (17)

В этом случае (15) можно представить в виде

i=A 1 e -дt+jщt + A 2 e -дt-jщt , (18)

д=1/2(1/CR+U"/L); i= v-1.

При д < 0 колебания, возникшие в рассматриваемой цепи, будут раскачиваться. При д > 0 они быстро затухают, и разряд на постоянном токе будет устойчив.

Таким образом, для того чтобы в рассматриваемой схеме в конечном итоге могли установиться незатухающие колебания, надо, чтобы

(1/ CR + U "/ L )<0. (19)

Так как Р, L и С существенно положительные величины, то неравенство (19) может быть соблюдено только при условии:

dU/di=U"<0. (20)

Отсюда заключаем, что колебания в рассматриваемом контуре могут возникнуть только при падающей вольтамперной характеристике разряда.

Исследование условий, при которых r1 и r2 действительны и оба меньше нуля, приводит к условиям устойчивости разряда постоянного тока: Условия (21) и (22) представляют собой общие условия. Устойчивости разряда, питаемого постоянным напряжением.

(1/ CR + U "/ L )>0 и (21)

U "/ R +1>0 . (22)

Из (21) следует, что при возрастающей вольтамперной характеристике разряд всегда устойчив. Объединяя это требование с условием (22), находим, что при падающей характеристике разряд может быть устойчивым только при

|U"|

При непосредственном применении формул этого параграфа к вопросу о генерации колебаний при помощи дуги приходится брать U" из «средней характеристики», построенной на основании восходящей и нисходящей ветвей динамической характеристики.

При периодическом изменении силы тока в дуге Петрова изменяются температура и плотность газа и скорости аэродинамических потоков. При подборе соответствующего режима эти изменения приводят к возникновению акустических колебании в окружающем воздухе. В результате получается так называемая поющая дуга, воспроизводящая чистые музыкальные тона.

3 . Применение дугового разряда

3.1 Современные методы электрообработки

Среди современных технологических процессов одним из самых распространенных является электросварка. Сварка позволяет сваривать, паять, склеивать, напылять не только металлы, но и пластмассы, керамику и даже стекло. Диапазон применения этого метода поистине необъятен -- от производства мощных подъемных кранов, строительных металлоконструкций, оборудования для атомных и других электростанций, постройки крупнотоннажных судов, атомных ледоколов до изготовления тончайших микросхем и различных бытовых изделий. В ряде производств внедрение сварки привело к коренному изменению технологии. Так, подлинной революцией в судостроении стало освоение поточной постройки судов из крупных сварных секций. На многих верфях страны сейчас строят крупнотоннажные цельносварные танкеры. Электросварка позволила решить проблемы создания газопроводов, рассчитанных на работу в северных условиях при давлении 100--120 атмосфер. Сотрудники Института электросварки им. Е. О. Патона предложили оригинальный метод изготовления труб на основе сварочной технологии, предназначенных для таких газопроводов.

Из таких труб со стенками толщиной до 40 миллиметров и собирают высоконадежные газопроводы, пересекающие континенты.

Большой вклад в развитие электросварки внесли советские ученые и специалисты. Продолжая и творчески развивая наследие своих великих предшественников--В. В. Петрова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Славянова, они создали науку о теоретических основах сварочной техники, разработали ряд новых технологических процессов. Всему миру известны имена академиков Е. О. Патона, В. П. Вологдина, К. К. Хренова, Н. Н. Рыкалина и др.

В настоящее время широко применяется электродуговая, электрошлаковая и плазменно-дуговая сварка.

3.2 Электродуговая сварка

Электродуговая сварка. Простейшим способом является ручная дуговая сварка. К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель, к другому - свариваемое изделие. В держатель вставляется угольный или металлический электрод. При коротком прикосновении электрода к изделию зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода, образуя сварочную ванну, дающую при затвердевании сварочный шов.

Ручная дуговая сварка требует высокой квалификации рабочего и отличается не самыми лучшими условиями труда, но с ее помощью можно сваривать детали в любом пространственном положении, что особенно важно при монтаже металлоконструкций. Производительность ручной сварки сравнительно невысокая и зависит в значительной мере от такой простой детали, кaк электрододержатель. И сейчас, как и сто лет назад, продолжаются поиски наилучшей его конструкции. Серию простых и надежных электрододержателей изготовили ленинградские новаторы М. Э. Васильев и В.С. Шумский.

При дуговой сварке большое значение имеет защита металла шва от кислорода и азота воздуха. Активно взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород и азот атмосферного воздуха образуют окислы и нитриды, снижающие прочность и пластичность сварного соединения.

Существуют два способа защиты места сварки: введение в материал электрода и электродного покрытия различных веществ (внутренняя защита) и введение в зону сварки инертных газов и окиси углерода, покрытие места сварки флюсами (внешняя защита).

В 1932 г. в Московском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта под руководством академика К. К. Хренова впервые в мире была осуществлена дуговая электросварка под водой. Однако еще в 1856 г. Л. И. Шпаковский впервые провел опыт по оплавлению дугой медных электродов, опущенных в воду. По совету Д. А. Лачинова, получившего подводную дугу, Н. Н. Бенардос в 1887 г. произвел подводную резку металла. Понадобилось 45 лет, чтобы первый опыт получил научное обоснование и превратился в метод.

А 16 октября 1969 г. электрическая дуга впервые вырвалась в космос. Вот как об этом выдающемся событии сообща-лось в газете «Известия»; «Экипаж космического корабля «Союз-6» в составе подполковника Г. С. Шонина и бортинжене-ра В. Н. Кубасова осуществил эксперименты по проведению сварочных работ, в космосе. Целью этих экспериментов яви-лось определение особенностей сварки различных металлов в условиях космического пространства. Поочередно были осуществлены несколько видов автоматической сварки». И далее: «Проведенный эксперимент является уникальным и имеет большое значение для науки и техники при разработке технологии сварочно-монтажных работ в космосе».

3.3 Плазменная технология

Эта технология основана на использовании дуги с высокой температурой. Она включает плазменную сварку, резку, наплавку и плазменно-механическую обработку.

Как повысить производительность дуги? Для этого надо получить дугу с большей концентрацией энергии, т. е. дугу надо сфокусировать. Добиться этого удалось в 1957--1958 гг., когда в Институте металлургии им. А. А. Байкова была создана аппаратура для плазменно-дуговой резки.

Как увеличить температуру дуги? Наверное, так же, как повышают давление водяной или воздушной струи,-пропустив ее через узкий канал.

Проходя через узкий канал сопла горелки, дуга обжимается струей газа (нейтрального, кислородсодержащего) или смесью газов и вытягивается в тонкую струю. При этом резко меняются ее свойства: температура дугового разряда достигает 50 000 градусов, удельная мощность доходит до 500 и более киловатт на один квадратный сантиметр. Ионизация плазмы в газовом столбе настолько велика, что электропроводность ее оказывается почти такой же, как и у металлов.

Сжатую дугу называют плазменной. С ее помощью осуществляют плазменную сварку, резку, направку, напыление и т. п. Для получения плазменной дуги созданы специальные генераторы -- плазмотроны.

Плазменная дуга, как и обычная, бывает прямого и косвенного действия. Дуга прямого действия замыкается на изделие, косвенного действия -- на второй электрод, которым служит сопло. Во втором случае из сопла вырывается не дуга, а плазменная струя, возникающая за счет нагрева дугой и последующей ионизации плазмообразующего газа. Плазменная струя применяется в основном для плазменного напыления и обработки неэлектропроводных материалов. Газ, окружающий дугу, выполняет также теплозащитную функцию. Наибольшую нагрузку в плазмотроне несет сопло. Чем выше его теплостойкость, тем больший ток можно получить в плазмотроне косвенного действия. Наружный слой плазмообразующего газа имеет относительно низкую температуру, поэтому он защищает сопло от разрушения.

Значительное повышение температуры плазмообразующего газа в плазмотронах прямого действия может привести к электрическому пробою и возникновению двойной дуги -- между катодом и соплом и между соплом и изделием. В таком случае сопло обычно выходит из строя.

3.4 Плазменная сварка

Существуют две конструкции плазмотронов. В одних конструкциях газ подается вдоль дуги, при этом достигается хорошее ее обжатие. В других конструкциях газ охватывает дугу по спирали, за счет чего удается получить стабильную дугу в канале сопла и обеспечить надежную защиту сопла пристеночным слоем газа.

В плазмотронах прямого действия дуга возбуждается не сразу, так как слишком велик воздушный промежуток между катодом и изделием. Сначала возбуждается так называемая дежурная, или вспомогательная, дуга между катодом и соплом. Развивается она из искрового разряда, который возникает под действием напряжения высокой частоты, создаваемого осциллятором. Поток газа выдувает дежурную дугу, она касается обрабатываемого металла, и тогда зажигается основная дуга. После этого осциллятор выключают, и дежурная дуга гаснет. Если этого не произойдет, может возникнуть двойная дуга. Зону шва при плазменной сварке, как и при других ее видах, защищают от действия окружающего воздуха. Для этого кроме плазмообразующего газа в специальное сопло подают защитный газ: аргон или более дешевый и распространенный углекислый газ. Углекислый газ часто используют не только для защиты, но и для образования плазмы. Иногда плазменную сварку ведут под слоем флюса.

Плазменно-дуговую сварку можно производить как автоматически, так и вручную. В настоящее время этот метод получил довольно широкое распространение. На многих заводах внедрена плазменная сварка сплавов алюминия и сталей. Значительную экономию дало применение однопроходной плазменной сварки алюминия вместо многопроходной аргонно-дуговой сварки. Сварку ведут на автоматической установке с применением углекислого газа в качестве плазмообразующего и защитного.

Заключение

В современной жизни применение электрической энергии получило самое широкое распространение. Достижения электротехники используются во всех сферах практической деятельности человека: в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в медицине, в быту и т. д. Успехи электротехники оказывают существенное влияние на развитие радиотехники, электроники, телемеханики, автоматики, вычислительной техники, кибернетики. Все это стало возможным в результате строительства мощных электростанций, электрических сетей, создания новых электроэнергетических систем, совершенствования электротехнических устройств. Современная электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии, разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование, электроизмерительные приборы и средства электро-связи, регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления, медицинское и научное оборудование, электробытовые приборы и машины и многое другое. В последние годы дальнейшее развитие получили различные методы электрообработки: электросварка, плазменная резка и наплавка металлов, плазменно-механическая и электроэрозионная обработка. Из вышесказанного видно, что исследование разряда в газе имеет большое значение для общенаучного и технического прогресса. Следовательно, не нужно останавливаться на достигнутом, а необходимо продолжать исследования, отыскивая неизвестное, тем самым стимулируя в дальнейшем построение новых теорий.

Список использованных источников

1. Важов В.Ф., Лавринович В.А., Лопаткин С.А. Техника высоких напряжений/ Курс лекции для бакалавров направления 140200 “Электроэнергетика” - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 119с.

2. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. -- 2-е изд. -- М.: Наука, 1992. -536с.

3. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техника высоких напряжений: [Учеб. Пособие для электро-энерг. Спец. втузов]. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа 1982 - 367 с. ил.,

4. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебник для вузов/ Под общ. Ред. Ларионова В.П. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 464 с.: ил.

5. Лозанский Э. Д., Фирсов О. Б. Теория искры. М., Атомиздат, 1975, 272 с.

6. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М., «Машиностроение», 1970, -335с.

7. Черный О.М. Электродуговая сварка: практика и терия / - Изд. 2-е, доп. и перераб. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. - 319 с.

8. Свенчанский А. Д., Смелянский М. Я. Электрические промышленные печи. - М.: 1970.

9. Сапко А.И. Исполнительные механизмы регуляторов мощности дуговых электропечей. М., Энергия, 1969. - 128 с.

10. Ширшов И. Г., Котиков В. Н.Ш64 Плазменная резка. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние,?1987. -192 с.: ил.

11. В. Дембовский. Плазменная металлургия. Прага, СНТЛ. Пер. с чешского. М., «Металлургия», 1981. - 280с. с ил.

12. Гладкий П.В., Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменная наплавка. - К.: «Eкотехнологiя», 2007. - 292с.

13. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. - М.: Машиностроение, 1993. - 296 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Основные параметры и свойства положительного столба (ПС) тлеющего и дугового разрядов. Метастабильные атомы в ПС. Явление катафореза в смеси газов. Основные механизмы накачки возбужденных энергетических уровней газа. Излучение ПС, параметры плазмы.

контрольная работа , добавлен 25.03.2016


Исследование и физическая интерпретация соотношения, определяющего зависимость напряжения возникновения разряда от давления газа и межэлектродного расстояния. Возникновение коронного и дугового разрядов в газовом промежутке с плоским оксидным катодом.

реферат , добавлен 30.11.2011


Характеристики тлеющего разряда, процессы, обеспечивающие его существование. Картина свечения. Объяснение явлений тлеющего разряда с точки зрения элементарных процессов. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами. Процессы в атомарных газах.

реферат , добавлен 03.02.2016


Понятие плазмы тлеющего разряда. Определение концентрации и зависимости температуры электронов от давления газа и радиуса разрядной трубки. Баланс образования и рекомбинации зарядов. Сущность зондового метода определения зависимости параметров плазмы.

реферат , добавлен 30.11.2011


Изучение тлеющего газового разряда как одного из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Создание квантовых источников света в люминесцентных лампах. Формирование тлеющего газового разряда при низком давлении газа, малом токе.

презентация , добавлен 13.04.2015


Емкостной высокочастотный разряд: общие сведения, типы, способы возбуждения, построение простейшей модели, формы существования. Краткая теория метода зондов Ленгмюра. Система уравнений для определения параметров разряда. Измерение разрядного тока.

дипломная работа , добавлен 30.04.2011


Методики экспериментального определения коэффициента ионизации газа. Напряжение возникновения разряда. Вольт-амперные характеристики слаботочного газового разряда в аргоне с молибденовым катодом. Распределение потенциала в газоразрядном промежутке.

контрольная работа , добавлен 28.11.2011


Условия возникновения электрического разряда в газах. Принцип ионизации газов. Механизм электропроводности газов. Несамостоятельный газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд. Различные типы самостоятельного разряда и их техническое применние.

реферат , добавлен 21.05.2008


Электрический разряд в газах. Основные типы газового разряда. Исследование квазистационарных токов и квазистационарных напряжений в аргоне. Элементарные процессы в приэлектродном слое. Спектроскопическое исследование аргона. Принцип работы монохроматора.

реферат , добавлен 13.12.2013


Понятие и назначение СО2-лазера, его технические характеристики и составляющие части, принцип работы и выполняемые функции. Порядок расчета основных показателей СО2-лазера. Способы организации несамостоятельного разряда постоянного тока, расчет его КПД.

Если после зажигания искового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (см. приложение 1.5). При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую проводимость.

Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Профессор физики Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров, открывший в 1802 г. эту важную форму газового разряда, получил электрическую дугу, раздвигая два кусочка древесного угля, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединённые к мощной батарее гальванических элементов. Он обнаружил, что при этом между концами углей возникает ярко светящийся столб газа, а сами угли раскаляются до ослепительного свечения.

В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами, изготовленными прессованием порошкообразного графита и связующих веществ (дуговые угли). Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое «кратером дуги». Его температура при атмосферном давлении равна около 4000 К, а при давлении в 20 атм превышает 7000 К, т.е. больше температуры внешней поверхности Солнца (около 6000 К).

Что же является основной причиной большой электропроводности газа в дуговом разряде? Установлено, что хорошая электропроводность дуги поддерживается за счет высокой температуры отрицательного электрода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии. Это хорошо подтверждается тем фактом, что во многих случаях устойчивую дугу можно получить только при условии, что катод имеет высокую температуру, температура же анода не имеет существенного значения. Так, например, если одним из электродов дуги сделать угольный стержень, а другим - массивную, хорошо охлаждающуюся медную пластину и перемещать угольный стержень возле пластины (чтобы она не могла разогреться), то устойчивая дуга возникает только при отрицательном угле. Если же отрицательным полюсом служит пластина, то дуга периодически зажигается и снова гаснет, а получить её устойчивое горение нельзя. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падение потенциала.

Наряду с рассмотренными выше термоэлектронными дугами наблюдаются и дуговые разряды при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).

Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света». В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены изогнутой прослойкой, а их концы соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась.

Многочисленные исследования электрических дуг с холодными электродами показывают, что источником мощной электронной эмиссии с катода является небольшое, ярко светящееся и непрерывно движущееся пятнышко на катоде, всегда возникающее в подобных дугах (катодное пятно). Плотность тока в катодном пятне огромна и может достигать 10 10 -10 11 А/м 2 . Причина образования катодного пятна заключается в сильном увеличении концентрации положительных ионов у катода, которое создает очень сильное местное электрическое поле, вызывающее мощную автоэлектронную эмиссию. Поэтому электрические дуги с холодными катодами иногда называют автоэлектронными дугами. Катодное пятно может возникнуть не только у поверхности ртути, но и у любого металлического твердого электрода.

Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Электрическая дуга широко применяется в проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания.

В качестве источников света употребляют также дуговые лампы высокого давления. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.

В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным угольным электродом и металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод Бенардос применил для резания металлических пластин и получения в них отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД, самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 0,01-1 Па (10-4-10-2 мм ртутного столба), при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Для дугового разряда характерны высокая плотность тока на катоде (102-108 А/см 2) и низкое катодное падение потенциала, не превышающее эффективный потенциал ионизации среды в разрядном промежутке. Впервые дуговой разряд между двумя угольными электродами в воздухе наблюдали в 1802 году В. В. Петров и независимо от него в 1808 Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов под действием конвективных потоков изогнут дугообразно, отсюда и названия - дуговой разряд, электрическая дуга.

Для большинства дуговых разрядов при большой плотности тока на катоде возникает малое очень яркое пятно, перемещающееся по всей поверхности катода. Температура в пятне может достигать температуры кипения (или возгонки) материала катода. Значительная роль в механизме поддержания тока дугового разряда играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного объёмного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа. Поскольку этот слой очень тонкий (меньше длины свободного пробега электрона), он создаёт высокую напряжённость поля у поверхности катода, особенно у микронеоднородностей, поэтому существенными оказываются и автоэлектронная эмиссия, и термоавтоэлектронная эмиссия. Высокая плотность тока и «перескоки» пятна с точки на точку создают условия для взрывной электронной эмиссии.

От зоны катодного падения потенциала до анода расположен так называемый положительный столб. На аноде обычно формируется яркое анодное пятно, в котором температура поверхности почти такая же, как и в катодном. В некоторых видах дугового разряда при токах в десятки ампер на катоде и аноде возникают факелы в виде плазменных струй, вылетающих с большой скоростью перпендикулярно поверхности электродов. При токах 100-300 А возникают добавочные факелы, образуя пучок плазменных струй. Нагретый до высокой температуры и ионизованный газ в столбе представляет собой плазму. Электропроводность плазмы может быть очень высокой, но обычно она на несколько порядков ниже электропроводности металлов.

При концентрации заряженных частиц более 10 18 см -3 состояние плазмы иногда можно считать близким к равновесному. При меньших плотностях, вплоть до 10 15 см -3 , может возникнуть состояние локального термодинамического равновесия (ЛТР), когда в каждой точке плазмы все статистические распределения близки к равновесным при одном значении температуры, которая различна в разных точках. Исключение в этом случае составляет лишь излучение плазмы: оно далеко от равновесного и определяется составом плазмы и скоростями радиационных процессов. При ограниченных размерах столба дугового разряда даже в плотной плазме на оси столба состояние ЛТР нарушается за счёт радиационных потерь. Это выражается в сильном отклонении состава плазмы и населённостей возбуждённых уровней от их равновесных значений. Кинетика плазмы в столбе дугового разряда при высоких плотностях определяется в основном процессами соударений, а по мере снижения плотности (удаления от оси) всё большую роль играют радиационные процессы.

Диаметр столба дугового разряда определяется условиями баланса возникающей и теряемой энергии. С ростом тока или давления меняются механизмы потерь, обусловленные теплопроводностью газа, амбиполярной диффузией, радиационными процессами и др. При таких сменах может происходить самосжатие (контракция) столба (смотри Контрагированный разряд).

В зависимости от условий горения дугового разряда его параметры меняются в широких пределах. Классический пример дугового разряда - разряд постоянного тока, свободно горящий в воздухе между угольными электродами. Его типичные параметры: ток от 1 А до сотен ампер, расстояние между электродами от миллиметров до нескольких сантиметров, температура плазмы около 7000 К, температура анодного пятна около 3900 К.

Дуговой разряд применяется как лабораторный источник света и в технике (дуговые угольные лампы). Дуговой разряд с угольным анодом, просверлённым и заполненным исследуемыми веществами, используется в спектральном анализе руд, минералов, солей и т.п. Дуговой разряд применяется в плазмотронах, дуговых печах для выплавки металлов, при электросварке, в различных электронных и осветительных приборах. Так называемая вакуумная дуга, которая зажигается в вакууме и горит в парах металла, испарившегося с катода, используется в вакуумных высоковольтных выключателях.

Лит.: Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М., 1968; Грановский В. Л. Электрический ток в газе. М., 1971; Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 2-е изд. М., 1992.

В нормальном состоянии газы являются хорошими электрическими изоляторами. Однако, приложив достаточно сильное электрическое поле, можно вызвать нарушение их изолирующих свойств, благодаря чему появляется возможность пропускать через газ значительные токи. Прохождение тока через газ по историческим причинам получило название электрического «разряда».

Возникающие при этом явления зависят от рода и давления газа, от материала, из которого изготовлены электроды, от геометрии электродов и окружающего их сосуда, а также от протекающего тока. Различные формы разряда получили специальные названия, как-то: темный разряд, корона, тлеющий разряд и т. д. Мощные разряды, однако, даже при различных условиях обладают рядом общих особенностей, позволяющих объединить их под одним названием — «дуговой разряд».

Термин «дуга» применяется только к устойчивым или квазиустойчивым видам разряда. Дугой принято считать конечную форму разряда, развившегося при любых обстоятельствах, если через газ проходит достаточно большой ток. Такой разряд можно получить различными путями.

Во-первых, дуга может возникнуть в результате непрерывного или скачкообразного перехода из какого-либо устойчивого маломощного (например, тлеющего) разряда. Такой путь возникновения дуги показан на рисунке. Предполагается, что пpo6oй уже произошел и что разрядный ток имеет небольшую постоянную величину. Если постепенно увеличивать ток, напряжение между электродами будет изменяться по кривой, изображенной на рисунке. Разряд будет проходить при этом через несколько различных стадий. В точке Е начинается крутой спад напряжения до довольно низкого значения и возникает дуговой разряд. Приведенная кривая характерна для разряда, горящего между электродами, удаленными один от другого на несколько сантиметров, в трубке диаметром несколько сантиметров, содержащей газ при давлении несколько миллиметров ртутного столба. Числовые значения тока и напряжения даны только для указания порядка величин. Напряжение есть функция тока (вернее, плотности тока), а не наоборот, за исключением возможного разрыва непрерывности, обозначенного пунктирной линией FG, переход от очень малых значений тока в точке F к характерным для дугового разряда большим значениям в точке Н происходит плавно через ряд устойчивых состояний. Но он не может произойти весьма быстро, если приложить к электродам сразу большое напряжение в отсутствие последовательно включенного сопротивления, ограничивающего быстрый рост тока до значения, соответствующего точке Н. В этом случае промежуточные этапы не успевают достигнуть равновесия и ход кривой напряжения имеет несколько иной вид.

Во-вторых, дуга может развиться из неустойчивого переходного искрового разряда. В этом случае дуга может быть получена, например, если разряд возникает между электродами в газе при давлении порядка атмосферного под действием напряжения, способного вызвать пробой промежутка и поддерживать ток при значении, достаточном для горения дуги. Все промежуточные стадии перед дуговым разрядом являются неустойчивыми, и, если напряжение недостаточно для поддержания тока дуги, разряд гаснет или становится прерывистым. В этих условиях напряжение между электродами не будет больше функцией только или даже главным образом тока, но зависит также и от времени. Поэтому ход процесса лучше изображать с помощью кривой тока и кривой напряжения в зависимости от времени (рисунок). Из этого рисунка видно, что за промежуток времени порядка 10^-8 сек происходит крутой спад напряжения от значения, близкого к пробивному; после этого наблюдается более или менее резко выраженная «ступенька» (которой иногда может и не быть). Спустя примерно 10^-6 сек напряжение составляет лишь несколько десятков вольт. Затем происходит постепенное приближение к устойчивому состоянию, которое наступает лишь после установления теплового равновесия для электродов и сосуда. Этот процесс может длиться несколько минут. На рисунке точка А соответствует началу резкого спада напряжения. Между началом пробоя и моментом спада напряжения в точке A может пройти относительно большой промежуток времени (время формирования). Неустойчивый разряд, возникающий в точке А, называется искрой.

В-третьих, дугу можно получить, раздвигая два токонесущих, первоначально соприкасавшихся электрода. Этот способ зажигания дуги широко применяется на практике, так как в этом случае нет нужды в пробоя газа между электродами. Другими словами, отпадает необходимость в источнике высокого напряжения, требующегося для пробоя газа; достаточна значительно меньшая величина напряжения, обеспечивающая поддержание уже установившегося дугового разряда. Возникший указанным путем разряд называется дугоразмыкания. То обстоятельство, что между раздвигающимися контактами может загораться дуга, бывает часто неблагоприятным. Такие дуги возникают между контактами выключателей. Их бывает трудно гасить и они оказывают разрушающее действие на выключатель.