Применение дугового разряда. Самостоятельный дуговой разряд (низких, средних и высоких давлений)

Электрическая дуга образуется при большой плотности разрядного тока и при катодном падении потенциала всего в два-три десятка вольт. В обычных условиях дуговой разряд поддерживается эмиссией электронов с поверхности накаленного ударами ионов катода (это было установлено в 1905 г. акад. В. Ф. Миткевичем). Наряду с термоэлектронной эмиссией электропроводность дуги вследствие высокой температуры поддерживается термической ионизацией.

Рис. 169. Дуговой разряд при пониженном давлении.

Рис. 170. Дуга при нормальном давлении.

Во многих других отношениях дуговой разряд имеет много общего с тлеющим разрядом, в особенности если дуга зажжена при относительно низком давлении (и, как свойственно дуге, при большой плотности тока). Вид дуги при низком давлении показан на рис. 169, При больших давлениях положительный столб дуги имеет вид более или менее тонкого ярко светящегося шнура. На рис. 170 показаны характерный вид дуги и зоны разряда при нормальном давлении.

В случае дуги разряд на катоде сосредоточен в небольшом светлом катодном пятне. При атмосферном давлении плотность разрядного тока у катодного пятна для угольного катода равна ,

для железного катода , для дуги с ртутными электродами По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде, наоборот, образуется углубление - положительный кратер дуги. В зоне положительного свечения температура газа для дуги при атмосферном давлении достигает 6000° К. Для дуги при давлении в десятки и сотни атмосфер температура газа - в отшнурозанном положительном столбе дуги доходит до 10 000°. Температура положительного кратера и катоднрго пятна существенно ниже. Так, при атмосферном давлении температура накаленной поверхности анода для угольного и вольфрамового анода равна примерно 4200° К, а температура катодного пятна 2000-3000°. То обстоятельство, что катод имеет меньшую температуру, чем анод, объясняется, во-первых, тем, что анод бомбардируется преимущественно электронами, катод - ионами, которые имеют меньший свободный пробег и соответственно меньшую энергию, и, во-вторых, тем, что часть энергии, доставляемой при разряде катоду, расходуется на термоэлектронную эмиссию.

Рис. 171. Вольт-амперная характеристика дуги при различных расстояниях между электродами.

При увеличении величины тока электропроводность дуги сильно возрастает, так как усиливаются термоэлектронная эмиссия и термоионизация. Сопротивление между углями дуги убывает при увеличении тока приблизительно по закону Для дуги между металлическими электродами показатель степени во втором члене отличен от 2 и неодинаков для разных металлов.

Влияние пространственных зарядов в дуге проявляется в возникновении существенной (порядка 10 в) обратной электродвижущей силы которая должна быть преодолена напряжением приложенным к электродам:

В итоге при увеличении тока разность потенциалов на электродах уменьшается; так, для дуги между углями

Получается характерная для дуги падающая вольт-ампернач характеристика (рис. 171). При увеличении тока до некоторой

критической величины разность потенциалов на электродах резко падает, примерно на 10 в, и горение дуги делается неспокойным (дуга начинает шипеть). Чем больше расстояние между электродами, тем больше должно быть напряжение, поданное на электроды дуги, и тем выше расположена вольт-амперная характеристика.

Если вследствие случайного охлаждения газоразрядного промежутка величина тока в дуге падает, то, как ясно из сказанного выше, напряжение на электродах должно быть увеличено, иначе дуга гаснет (сближением электродов можно, конечно, поддержать горение дуги, пока катод не остыл). Чтобы обеспечить устойчивое горение дуги, во внешнюю цепь последовательно с дугой вводят сопротивление реостата («успокоительное» сопротивление). При случайном уменьшении тока в дуге падение напряжения на успокоительном сопротивлении тоже уменьшается, а стало быть, при неизменности подведенного напряжения соответственно увеличивается та часть, его, которая приходится на долю дуги.

Рис. 172. Ртутная дуговая лампа.

Рис. 173. Лампа СВД,

Электрическая дуга имеет разнообразное применение. О применении ее для электросварки сказано в § 27. При использовании дуги для освещения угли изготовляют с каналом, высверленным по оси и набитым в виде фитиля солями металлов, пар которых повышает светоотдачу пламени дуги (фитильные угли). Подобные, так называемые пламенные дуги потребляют около на свечу вместо как обыкновенные дуги с чистыми углями. При использовании дуг в прожекторах применяют ток в сотни амперов; получаемый при этом свет дуги в сотни тысяч свечей концентрируется прожектором до миллиардов свечей.

Широкое распространение имеют ртутные дуговые лампы с ртутными же электродами в кварцевых баллонах - «искусственное горное солнце» (рис. 172). Для зажигания такой лампы ее наклоняют; струйка ртути соединяет электроды, и при повороте лампы к вертикальному положению в месте разрыва струйки образуется дуга.

В настоящее время дуговой разряд широко применяется в лампах «сверхвысокого» давления (лампы СВД). Эти лампы представляют собой толстостенные шарообразные кварцевые колбы со впаянными в них вольфрамовыми электродами (рис. 173). Зажигание лампы производится от источника высокого напряжения при помощи третьего электрода. Дуговой разряд осуществляется в парах ртути при давлении около 100 атмосфер или же лампы наполняют инертным газом (неоном, аргоном, криптоном, ксеноном) при давлении порядка 20 атмосфер.

В химических производствах широкое применение имеют дугозые электрические печи, в которых нагревание дуговым разрядом сочетается с нагреванием током проводимости. Эти печи служат для плавления реагирующих веществ

и в то же время для осуществления реакции при высокой температуре. Так получают, например, миллионы тонн карбида кальция из извести и кокса. (При воздействии воды на карбид кальция образуется ацетилен, который используется для автогенной сварки, для синтеза органических соединений, для переработки в цианид кальция служащий удобрением, и т. д.) В химической промышленности дугу используют также для осуществления ряда реакций; например, был разработан и применялся способ получения окиси азота из воздуха (по уравнению с последующим окислением до в целях производства азотной кислоты. Имеется способ обработки бензина в газовом разряде для повышения его горючих свойств. В газовой смеси водорода и азота разряд (в особенности тлеющий) приводит к образованию аммиака Тихий разряд применяют для выработки озона из кислорода и т. д.

В электротехнике дуговой разряд используют в приборах, служащих для выпрямления тока, например в ртутных выпрямителях.

Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет, и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 0,3 ватта на каждую свечу и является значительно более экономичной. Нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения П. Н. Яблочковым в 1875 г. и получила название «русского света», или «северного света».

Электрическая дуга также применяется для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). В настоящее время электрическую дугу очень широко применяют в промышленных электропечах. В мировой промышленности около 90% инструментальной стали и почти все специальные стали выплавляются в электрических печах.

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 выкачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат невидимыми ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Ртутные лампы широко применяют при лечении разнообразных болезней («искусственное горное солнце»), а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетовых лучей.

Тлеющий разряд. Кроме искры, короны и дуги, существует еще одна форма самостоятельного разряда в газах – так называемый тлеющий разряд. Для получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длинной около полуметра, содержащую два металлических электрода. Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжение в несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах – других цветов), соединяющий оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.

При дальнейшей откачен светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубке. Различают следующие две части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба.

А работает это вот как. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе все время поддерживается сильная ионизация. При этом в отличие от дугового разряда катод все время остается холодным. Почему же в этом случае происходит образование ионов?

Падение потенциала или напряжения на каждом сантиметре длины газового столба в тлеющем разряде очень различно в разных частях разряда. Получается, что почти все падение потенциала приходится на темное пространство. Разность потенциалов, существующая между катодом и ближайшей к нему границей пространства, называют катодным падением потенциала. Оно измеряется сотнями, а в некоторых случаях и тысячами вольт. Весь разряд оказывается существует за счет этого катодного падения.

Значение катодного падения заключается в том, что положительные ионы, пробегая эту большую разность потенциалов, приобретают большую скорость. Так как катодное падение сосредоточено в тонком слое газа, то здесь почти не происходит соударений ионов с газовыми атомами, и по этому, проходя через область катодного падения, ионы приобретают очень большую кинетическую энергию. Вследствие этого при соударении с катодом они выбивают из него некоторое количество электронов, которые начинают двигаться к аноду. Проходя через темное пространство, электроны в свою очередь ускоряются катодным падением потенциала и при соударения с газовыми атомами в более удаленной части разряда производят ионизацию ударом. Возникающие при этом положительные ионы опять ускоряются катодным падением и выбивают из катода новые электроны и т. д. Таким образом все повторяется до тех пор пока на электродах есть напряжение.

Значит мы видим, что причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами.

Такой разряд используют в основном для освещения. Применяется в люминесцентных лампа.

Д О К Л А Д

на тему: «ВИДЫ РАЗРЯДОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ»

Выполнил: Шутов Е.Ю.

10 А класс

Проверил.

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.

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 (в дальнейшем Д.Р.) можно реализовать как самостоятельный, так и несамостоятельный. Самостоятельный д.р. может быть получен из тлеющего путем увеличения плотности тока (1÷100 А/см 2)От тлеющего, дуговой разряд, отличается процессами эмиссии электронов с катода. Основными видами эмиссии является термо и авто электронные эмиссии. В д.р. прикатодное падение потенциалов составляет несколько десятков вольт и близко к потенциалу ионизации атомов газа.Все д.р. классифицируются по 2 признакам:

1) По преимущественному типу эмиссии –основными видом эмиссии является термоэлектронная наз. «дуга с горячим катодом», а при автоэлектронной – «дуга с холодным катодом.

2) По роду среды в которой горит дуговой разряд: а) дуга в атмосфере газа или смеси газов – б)дуга в парах материала катода или анода –

Основным элементом дуги является катодное пятно, которое обеспечивает интенсивную эмиссию, имеет высокую яркость свечения, резкая граница катодного пятна определяется зависимостью интенсивности свечения от температуры.Все дуговые разряды имеют положительный столб, соединяющийся с катодным пятном называемым кистью дуги.

Чтобы стабилизировать положение положительного столба в пространстве используют 3 основных способа:

1) стабилизация стенками; используется в дуговых люминесцентных лампах (ДРЛ, ДН)

2) стабилизация столба потоками газа или жидкости

3) стабилизация электродами. Реализуется короткая дуга с высокой силой тока с темп. плазмы в положительном столбе порядка 10 4 К. Такие дуги применяются в лампах ДРШ, ДКСШ,ДКСЛ.

Параметры д.р. в значительной степени определяется давлением газа в положительном столбе -дуги низкого давления -дуги среднего давления - дуги высокого давления

Дуги низкого давления : область давлений от 1 до 10 мм. рт. ст. , плотность тока на катоде может достигать 10 8 А/см 2 , механизмы эмиссии электронов до настоящего времени не имеют аналогичного описания. Характерной особенностью является то что при увеличении давления выше 10 мм. рт. ст. приводит к резкому уменьшению площади сечения столба. Этот эффект называется контракцией. Плазма “+” столба дуги низкого давления представляет неизотермическую плазму, в которой температура электронов на 1-2 порядка выше температуры атомов и ионов. При образовании “+” столба, потери заряженных частиц в следствии двуполярной диффузии на стенки уменьшается в результате уменьшается доля энергии разряда расходуемого на стенках. При повышении давления дуга низкого давления переходит в дугу высокого давления, в которой происходит изменение основных процессов в “+” столбе. В области низких давлений элементарные процессы “+” столба качественно подобны процессам тлеющего разряда.

Ступенчатых процессов в области низкого давления нет. По мере увеличения давления увеличивается эффективность ступенчатых процессов, увеличивается частота столкновений. За время жизни атом испытывает дополнительные столкновения => увеличивается интенсивность линий соответствующих переходам м/у возбужденными состояниями. Доля излучения будет увеличиваться в длинноволновой области т.к. время жизни большое увеличивается эффективность неупругих ударов 2 рода => температура электронов начинает в среднем увеличении приближаться к температуре тяжелых частиц.