Дуговой разряд

Содержание:

1. Введение.
2. Свойства дугового разряда. 

    1.Образование дуги.

    2. Катодное  пятно. Внешний вид и отдельные части дугового разряда.

    3. Распределение потенциала и вольтамперная характеристика при дуговом разряде.

    4. Температура и излучение отдельных частей дугового разряда.

    5. Генерация  незатухающих колебаний при помощи электрической дуги.

    6. Положительный  столб дугового разряда при высоком и сверхвысоком давлении.

III.       Применение дугового разряда.

    1. Современные  методы электрообработки.

    2. Электродуговая  сварка.

    3. Плазменная технология.

    4. Плазменная сварка. 
IV.      Заключение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

   Дуговой  разряд в виде так называемой  электрической (или вольтовой)  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.

 

II

1. 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-самоиндукция контура, W—его сопротивление, ع—э.д.с. источника тока, U(I)—функция вольтамперной характеристики дуги. Тогда мы должны иметь:  ع= L dI/dt+WI+U(I)      (1) или

                  LdI/dt=(ع-WI)-U(I)=∆    (2).

  Разность (ع — 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)>ع-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 двуполярной диффузии, а также путём применения механического дутья или путём воздействия на разряд магнитным полем. При высоких напряжениях применяют масляные выключатели.

 

2. 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/см².Для ртутной дуги в вакууме найдено 4000 а/см².

  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 или 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 положительное пламя и ряд ореолов. Спектральный анализ указывает на наличие в этих пламенах 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.

 

  3. 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.3. Пунктиром показан ход напряжения при отсутствии разряда.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Осциллограмма тока и напряжения дугового разряда на переменном токе

низкой  частоты. Точки А, В, С и т.д.

соответствуют точкам, обозначенным теми

же  буквами на рис.4.

 

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.