Условия устойчивости горения дуги

Как следует из уравнения (2), при горении дуги часть напряжения источника тока падает на дуге U_Д, остальное напряжение на балластном сопротивлении U_Б. Полное падение напряжения в цепи дуги будет U = U_Д + U_Б, и оно должно быть равно приложенному внешнему напряжению источника тока U_ИП, т.е.

Рис.3.

U_ИП = U_Д + U_Б. (8)

На рисунке 3 построены графики зависимости U_Б =(J), U_Д = f(J), U = f(J), U_ИП = f(J). Как видно из рисунка, условию (8) удовлетворяют точки А и В, соответствующие J_A и J_B.

Рассмотрим состояние, соответствующее точке А. В процессе горения дуги возможны значительные флуктуации тока, обусловленные эмиссией заряженных частиц на катоде. Так, при уменьшении силы тока менее J_A напряжение источника тока U_ИП становится меньше напряжения, необходимого для устойчивого горения дуги. Это приводит к дальнейшему снижению тока вплоть до полного прекращения дуги. И, наоборот, при случайном увеличении силы тока более J_А, требуемое для горения напряжение убывает, поэтому в цепи дуги создается избыток напряжения. За счет этого избыточного напряжения сила тока продолжает расти до значения J_B, соответствующего точке В. При дальнейшем увеличении тока напряжение U_ИП для поддержания этого роста станет недостаточным и ток уменьшится до значения J_B. В случае уменьшения тока возникает избыток напряжения и ток восстанавливается до значения J_B. Таким образом, непрерывное горение дуги реализуется при значении силы тока J_B, а состояние, соответствующее точке А, является неустойчивым.

Недостатком рассмотренной системы питания плазмотронов является то, что на балластном сопротивлении теряется значительная (от 23 до 42%) часть мощности источника тока, следовательно, снижается к.п.д. плазменной установки, что не всегда приемлемо по экономическим показателям. Поэтому для питания плазмотронов конкретного технологического назначения (плазменная резка, сварка) преимущественное применение получили источники постоянного тока с круто падающими вольтамперными характеристиками. Они представляют собой выпрямители, собранные на тиристорах, с регулируемым углом открывания тиристоров относительно начала синусоиды напряжения. Тиристоры одновременно выполняют функции выпрямления и регулирования силы тока, а при введении обратных связей формируют необходимые вольтамперные характеристики источника питания. Условия непрерывности горения дуги в плазмотроне реализуется при U_ИСТ = U_Д и не отличаются от вышеописанного случая.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА

Развитие хозяйства страны требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и техники.

Одним из таких направлений, существенно расширяющих технологические возможности процесса обработки материалов, является использование концентрированных потоков энергии (струи пламени, плазмы, лазерного, электронного, ионного лучей и др.).

Плазма и ее получение

1. Плазмой называют частично или полностью ионизованный газ, содержащий равное количество свободных отрицательных и положительных зарядов. Каждая заряженная частица плазмы испытывает действие кулоновских сил притяжения или отталкивания со стороны окружающих ее зарядов. Эти силы убывают срасстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимодействия нейтральных молекул газа. Поэтому в плазме определяющую роль играют коллективные взаимодействия большого числа частиц.

Такое состояние вещества, характеризуется высокой ионизацией его частиц, доходящей до полной ионизации. В зависимости от степени ионизации c, т.е. отношения концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц, различают плазму: слабо ионизованную (c - доли %), умеренно ионизованную (c - несколько %), полностью ионизованную (c - близко к 100%).

Плазма в основном состоит из частиц трех видов: нейтральных атомов и молекул, положительно заряженных ионов и свободных электронов. При столкновениях обмен энергией между частицами с близкой массой происходит быстрее, чем между частицами с существенно разными массами. Поэтому внутри каждой подсистемы одинаковых частиц может устанавливаться свое равновесное распределение по энергиям. В этих условиях различают электронную температуру Т_е, температуру ионов Т_iи температуру нейтральных частиц Т_а.

Электроны и положительные ноны быстро рекомбинируют, образуя нейтральные атомы. Для поддержания постоянной ионизации газа необходимо внешнее воздействие, непрерывно вновь расщепляющее нейтральные атомы и молекулы на электроны и ионы. От интенсивности этого воздействия зависит установившаяся концентрация свободных зарядов в плазме.

В природных условиях слабоионизованная плазма наблюдается в ионосфере. Солнце, горячие звезды, а также некоторые межзвездные облака являются примерами полностью ионизованной плазмы, образующейся при очень высоких температурах (высокотемпературная плазма – свыше 10⁶ К). Искусственно плазма создается в газовых разрядах, газоразрядных лампах, плазмотронах и т.д. Управление движением плазмы лежит в основе ее использования как рабочего тела в различных двигателях, для прямого превращения внутренней энергии в электрическую (магнитогидродинамические генераторы, плазменные источники электрической энергии), световую (лазерах), для обработки материалов потоком плазмы и т.д.

Большая электропроводность плазмы приближает ее свойства к свойствам проводников. Случайно возникающие в плазме, не подверженной внешним воздействиям, разности концентраций заряженных частиц и разности потенциалов сглаживаются, как в проводниках, на которые не действуют внешние э.д.с.

В лабораторной работе исследуются общие свойства тлеющего электрического разряда, переводящего газ, заполняющий разрядную трубку, в состояние плазмы. Экспериментально исследуются структура и вольтамперная характеристика самостоятельного газового разряда. Исследуется зависимость этих величин от электрической энергии, вводимой в тлеющий разряд.

Электропроводность газов

Газы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях являются изоляторами. Электропроводность газов возникает при их ионизации — отщеплении от атомов и молекул газов электронов. Атомы (молекулы) превращаются при этом в положительные ионы. Отрицательные ионы возникают в газах при соединении нейтральных атомов (молекул) со свободными электронами.

При ионизации атома (молекулы) совершается работа ионизации A_i против сил взаимодействия между вырываемым электроном и другими частицами атома (молекулы). А_i зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме (молекуле). A_i возрастает с увеличением кратности ионизации, т.е. числа электронов, вырванных из атома.

Потенциалом ионизации φ_i называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его кинетической энергии равнялось работе ионизации: φ_i = A_i/e, где е = 1,6 10^-19 Кл —абсолютная величина заряда электрона.

Ионизация газа происходит в результате внешних воздействий: сильного нагревания, воздействия рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, при бомбардировке молекул (атомов) газа быстро движущимися электронами или ионами. Интенсивность ионизации измеряется числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

Ударная ионизация одноатомного газа электронами или ионами происходит при кинетической энергии ионизирующей частицы (массой m и скоростью n) равной

(1)

где А_i - работа ионизации, М - масса атома молекулы газа.

Для осуществления ударной ионизации одновалентные ионы должны пройти в ускоряющем поле большую разность потенциалов, чем электроны. Это справедливо для ионизации молекул, состоящих из любого числа атомов.

1.3. Несамостоятельный газовый разряд

Если электропроводность газа вызывается внешними ионизаторами, то процесс прохождения электрического тока через газ называется несамостоятельным газовым разрядом. Кривая зависимости силы тока при несамостоятельном газовом разряде от напряжения V между электродами изображена на рисунке 1. При небольших напряжениях плотность тока j в разряде пропорциональна напряженности поля Е:

j = еn₀(u₊ + u_-)Е, (2)

где u₊ и u_ - подвижности положительных и отрицательных ионов, n₀ - число пар электронов и одновалентных положительных ионов в единице объема. В интервале давлений р от 10^-4 до 10² атм u₊ и и_ обратно пропорциональны давлению газа. При дальнейшем увеличении напряженности поля Е концентрация ионов в разряде убывает и линейная зависимость силы тока от напряжения нарушается.

Рис.1.

Максимальная сила тока I, возможная при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения. При этом все ионы, возникающие в газе, достигают электродов: I_н = eN₀, где N₀- максимальное число парэлектронов и одновалентных ионов, образующихся в 1 сек в газе под действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд

Электрический разряд в газе, продолжающийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Свободные электрические заряды, необходимые для поддержания такого разряда, возникают, главным образом, в результате ударной ионизации молекул газа под действием электронов (объемная ионизация) и выбивания электронов из катода при бомбардировке его положительными ионами (поверхностная ионизация). Ударную ионизацию молекул газа положительными ионами нужно учитывать только в случае достаточно сильных полей. Вырывание электронов из катода может также происходить вследствие его нагрева (термоэлектронная эмиссия) и внешнего фотоэффекта, связанного со свечением разряда (фотоэлектронная эмиссия).

Переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем газа и происходит при напряжении зажигания U_З (напряжение пробоя). Согласно приближенной теории Таунсенда условие зажигания самостоятельного разряда в газе между плоскими электродами имеет вид

γ(е^αd - 1) = 1, (3)

где d- расстояние между электродами, α- коэффициент объемной ионизации газа электронами, равный среднему значению количества актов ионизации, производимых одним электроном на пути единичной длины, γ— коэффициент поверхностной ионизации, равный среднему числу электронов, выбиваемых из катода одним положительным ионом. Для данного газа и материала катода

и , (4)

Рис.2. Рис.3.

где р - давление газа, U - напряжение между электродами. Таким образом, напряжение зажигания U_Ззависит от произведения pd (закон Пашена). Характер этой зависимости показан на рисунке 2. С уменьшением потенциала ионизации и работы выхода электронов из катода, при прочих равных условиях, U_Зуменьшается.