|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Дуговой разряд |
 | |
Анимация
0
Описание
Дуговой разряд, самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10 -2 -10 -4 мм. рт. ст., при постоянной или меняющейся с постоянной частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Дуговой разряд отличается высокой плотностью тока на катоде (102 -108 А/см2) и низким катодным падением потенциала, не превышающего эффективного потенциала ионизации среды в разрядном промежутке.
Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов под действием конвективных потоков дугообразно изогнут, что и обусловило название.
Известно множество разновидностей дугового разряда, каждая из которых существует только при определенных внешних и граничных условиях. Почти у всех видов дугового разряда ток на катоде стянут в малое очень яркое пятно, беспорядочно перемещающееся по всей поверхности катода (катодное пятно). Температура поверхности в пятне достигает величины температуры кипения (или возгонки) материала катода. Поэтому значительную (иногда главную роль) в катодном механизме переноса тока играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного пространственного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газов.. так как толщина этого слоя крайне мала (менее длины пробега электрона), он создает высокую напряженность поля у поверхности катода, особенно вблизи природных микронеоднородностей поверхности, благодаря чему существенной оказывается и автоэлектронная эмиссия. Высокая плотность тока в катодном пятне и "перескоки" пятна с точки на точку создают условия для проявления взрывной электронной эмиссии. Известны и другие катодные механизмы дугового разряда (факельный вынос, плазменный катод и т.д.). Относительная роль каждого из них зависит от конкретного вида дугового разряда.
Непосредственно в зоне катодного падения потенциала примыкает положительный столб, простирающийся до анода. Прианодного скачка потенциала обычно не наблюдается. На аноде формируется яркое анодное пятно, несколько большего размера и менее подвижное, чем катодное. Нагретый до высокой температуры и ионизированный газ в столбе находится в состоянии плазмы. Электропроводность плазмы в зависимости от вида дугового разряда может принимать практически любые значения, вплоть до электропроводности металлов, но обычно она на несколько порядков меньше последней. Выделяющаяся в столбе джоулева теплота восполняет все потери энергии из столба плазмы, поддерживая неизменным ее состояние, которое определяется характером распределения энергии по всем степеням свободы. Полностью равновесные статистические распределения, строго говоря, в плазме дуговой разряд никогда не реализуется.
Однако состояние сверхплотной плазмы при концентрации заряженных частиц N ≥ 1018 см -3 может быть близким к полному термодинамическому равновесию. Кинетика плазмы в столбе дугового разряда при таких плотностях определяется в основном процессами соударений. При меньших плотностях (1018 > N > 1015 см -3) может реализоваться состояние т.н. локального термического равновесия, при котором в каждой точке плазмы все статистические распределения близки к равновесным при одном значении Т, но Т является функцией координат. Исключение в этом случае составляет лишь излучение плазмы: оно далеко от равновесного (планковского) и определяется составом плазмы и скоростями конкретных радиационных процессов (линейчатое, сплошное, тормозное, рекомбинационное излучение и т.д.). При очень ограниченных размерах столба дугового разряда (неск. мм), даже в плотной плазме (N ≤ 1018 см -3 для Не и N ≤ 1016 см -3 для других газов), состояние локального термического равновесия может нарушаться за счет процессов переноса, включая радиационные потери. Нарушение локального термического равновесия выражается в сильном отклонении состава плазмы и заселенностей возбужденных уровней от их равновесных значений. По мере дальнейшего снижения плотности плазмы радиационные процессы играют все большую роль.
Длина столба дугового разряда может быть произвольной, но его диаметр жестко определяется условиями баланса выделяющейся и выделяемой энергии. С ростом тока или давления неоднократно меняются механизмы потерь, обусловленные теплопроводностью газа, теплопроводностью электронов, амбиполярной диффузией, радиационными потерями и т.д. При таких сменах может происходить контракция (самосжатие) столба (см. контрагированный разряд).
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Классическим примером дугового разряда является разряд постоянного тока, свободно горящий в воздухе между угольными электродами. Его типичные параметры: ток от 1 А до сотен А, катодное падение потенциала ~ 10 В, межэлектродное расстояние от мм до нескольких см, температура плазмы ~ 7000 К, температура поверхности анодного пятна ~ 3900 К. применяется как лабораторный эталонный источник света и в технике (дуговые лампы).
Дуговой разряд с угольным анодом, просверленным и заполненным исследуемыми веществами или пропитанным их растворами, применяется в спектральном анализе руд, минералов, солей и т.п. Используется дуговой разряд в плазмотронах, а также в дуговых печах для выплавки металлов, как сварочная дуга при электросварке. Различные формы дугового разряда возникают в газонаполненных и вакуумных преобразователях электрического тока (ртутных выпрямителях тока, газовых и вакуумных электровыключателях и т.п.), в некоторых газоразрядных источниках света и т.д.
Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах. Здесь между угольными электродами и металлом возникает мощная электрическая дуга, создающая в печи высокую температуру (рис. 2 ).
Разрез дуговой электросталеплавильной печи
Рис. 2
Обозначения:
1 - электроды,
2 - металл.
Реализации эффекта
Для зажигания дуги в воздухе между угольными электродами нужно на короткое время привести оба электрода в соприкосновение и затем развести их.
Светящаяся дуга между двумя угольными стержнями
Рис. 1
Литература
1. Физическая энциклопедия.- М.: Советская энциклопедия, 1990.- Т.2.- С.23-24.
2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.531-532.
3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1977.- Т.2. Электричество и магнетизм.- С.533-535.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
