Дуговой разряд

ДУГОВОЙ РАЗРЯД

Дуговой разряд является одним из наиболее известных разрядов, нашедших большое практическое применение. Первооткрывателем разряда считается российский ученый Петров В.В., который в 1802 г. впервые получил данный разряд на угольных электродах при использовании аккумуляторной батареи. Достаточно известным определением дугового разряда считается следующее: дуга – форма разряда, существующая при большой плотности разрядного тока и при катодном падении (потенциала) всего в несколько десятков вольт. Для дугового разряда типична термоэлектронная эмиссия, ввиду достаточно высокой температуры катода. Название “дуга” связана с немного изогнутой формой разряда в следствии действия архимедовой силы при горизонтальном расположении электродов. Для различных разновидностей разрядов сила тока и плотность тока находятся в достаточно широком диапазонах: I ~ 1-105 А, j ~ 102 – 107 А/см2. Ввиду данных параметров температура дуги часто достигает 10000 К, а в некоторых видах дуг 50000 К.

электродов, с последующим их разведением на определенное расстояние. Рассмотрим схематическое

расположение основных областей дугового разряда (рис.1). Вблизи катода находится отрицательная область (1), в которой ионизация обеспечивается преимущественно электронным ударом. К аноду примыкает положительный столб (2), в котором наиболее характерным процессом является термоионизация. Термическое действие электронов приводит к образованию в аноде положительного кратера (3). Ввиду сильного ультрафиолетового излучения, свойственного дуговым разрядам дугу нередко окружают ореолы (4).




Рис.1

критериям. Основным фактором является тип эмиссии электронов с катода: 1)

термоэлектронная, 2) автоэлектронная, 3) термоэлектронная и автоэлектронная (смешанный вид). Термоэлектронная эмиссия наиболее характерна для дуг атмосферного давления. Два последних вида эмиссии более типичны для дуг, возникающих при пониженном давлении и в вакууме. Другая классификация связана с давлением газовой среды дугового разряда: 1) вакуумная (p<10-3 торр), 2) низкого давления (p~10-3–1 торр), 3) высокого давления (p≥0,1 торр), 4) сверхвысокого давления (p≥10 торр).

Для дуговых разрядов характерно образование на катоде специфической области, с которой возникает основной поток термоэмиссии – катодного пятна. Для угольной дуги при токе I=1,5-10 А и давлении p=1 атм. размер катодного пятна составляет S≈0,02 см2 при плотности тока j≈470 А/см2. Столь малые размеры данной области объясняются притяжением токов вблизи катодного пятна.

(рис.2). Данная дуга используется обычно в качестве эталонного разряда, т.к.

дуги на металлических электродах содержат более сложные характеристики. Для данного примера катодное и анодное падение потенциала в разряде составляли UК=10 В, UА=11 В. В качестве варьируемого параметра выбиралось расстояние между электродами l. ВАХ содержат следующие основные области: спадающие зависимости, характеризующие область стабильного горения (а), область нестабильного горения (б), в которой зажечь разряд практически невозможно, область “шипения” (в), где разряд обладает специфическими звуковыми эффектами.






Рис.2

горения угольной дуги в начале XX века была предложена формула

Айтрон:


В данной формуле коэффициенты a,d,c,d зависят от рода газа, давления, условий горения дуги, циркуляции газа, охлаждения электродов, от размеров и формы электродов и прочих свойств угля.
Для мощности угольной дуги могут быть получены следующие выражения:



Из данных формул следует, что мощность пропорциональна току (при ), либо пропорциональна расстоянию между электродами (при ).
Для металлических электродов аналогичная формула имеет вид:

металла, внешних условий еще сильнее, чем в случае угольной дуги.

Показатель степени для большинства металлов находится в диапазоне n=0,34-1,38.
Как и в случае тлеющего разряда дуговой характеризует типичная зависимость потенциала (рис.3а). Катодное и анодное падения потенциала, как правило, невелики (10-20 В), а основной ход зависимости практически линейный. Данная зависимость является экспериментальной. Для плотностей токов характерны следующие зависимости (рис.3б). Плотность электронного тока je содержит рост в катодном слое и достигает максимума на аноде. Ионный ток ji имеет сильный рост также вблизи катода и достигает максимума на катоде.






а) б)
Рис.3

Рис.3

Непосредственно примыкающий к катоду и связанный с ростом потенциала катодный слой характеризует область, где ионизация происходит за счет электронного удара. Ввиду растущей зависимости концентрации плазмы (от катода) данный слой содержит бесстолкновительный слой (1) (у катода) и квазинейтральный слой ni≈ne (рис.4). Для тока термоэлектронной эмиссии вводятся величина S через отношение электронного тока к общему току:


Данное значение означает, что около 70% тока в катодном слое переносится электронами, а около 30% ионами.

Рис.4

Величина, характеризующая размеры данного слоя h находится из следующего соотношения:


В качестве типичного примера можно привести угольную дугу атмосферного давления (j=3⋅103 А/см2, S=0,8; VК=10 В), для которой напряженность электрического поля и размер катодного слоя имеют следующие значения:
EК≈6⋅105 В/см, h≈2⋅10-5 см

была получена формула Маккоуна, использующая в качестве исходной уравнение Пуассона:

Измерение температуры в дуговом разряде обычно осуществляется спектральными методами: посредством пирометрии и методом относительных интенсивностей спектральных линий. Приведем распределение температуры дуги, полученное методом относительных интенсивностей (рис.5). Дуговой разряд на угольных электродах при атмосферном давлении имел следующие параметры: I=200 А, d=4,6 см, ТК=3500 К, ТА=4200 К, dА=3 см, dК=5 мм. Максимальная температура (около 12000 К) присутствует вблизи катода. В остальной области, имеющей цилиндрическую форму, температура составляет около 9000 К.

Рис.5

В данном примере положительный столб характеризуется достаточно высокой температурой Т~9000 К. Это свидетельствует в пользу термической ионизации в данной области. При этом для оценок концентрации плазмы обычно используется уравнение Саха, в предположении условия равновесности плазмы. Для расчета радиального и осевого распределения температуры плазмы T(r,x) обычно используется уравнение Эленбааса-Геллера для случая цилиндрического столба плазмы.

плазмы в радиальном направлении J(x), а второе связано с выделением

джоулева тепла в плазме.
Анодная область дугового разряда связана с высокими излучательными характеристиками. Различаются два режима работы разряда: с диффузионной привязкой к аноду и с образованием анодных пятен. При диффузионной привязке ток на аноде занимает большую площадь и его плотность составляет j~102 А/см2. Эрозия материала при этом незначительная. Режим с анодными пятнами возникает при малой площади анода и характеризуется вольтамперной зависимостью, отличной от режима с диффузионной привязкой. В угольной дуге при токе порядка I=10-20 А начинается процесс образования анодных пятен с плотностью тока, достигающей j=(1-5)⋅104 А/см2. Из пятен происходит сильное истечение раскаленного материала при температуре порядка T=3000-4000 K, а яркость поверхности кратера составляет до P=1-10 кВт/см2. Для ряда дуг около 60-70 % световой мощности излучается анодом. Это свойство нашло широкое применение для создания мощных дуговых источников света.