Что представляет собой дуговой разряд. Виды самостоятельного разряда и их техническое использование

1. Условия возникновения и горения дуги

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Рис. 2. .

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. :

а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).

3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а ).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U к и анодного U а падений напряжений и напряжения ствола дуги U сд:

U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:

U n U э,

где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.

Дуга гаснет, если

Гашение дуги в узких щелях.

Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Рис. 4.

а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт

Движение дуги в магнитном поле.

Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.

4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле .

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

2. Газовоздушное дутье .

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

3. Многократный разрыв цепи тока .

Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.

Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме .

Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.

5. Гашение дуги в газах высокого давления .

Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.

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.

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.

Явления прохождения электрического тока через газы получили название электрических (газовых) разрядов. Существуют различные формы электрического разряда, отличающиеся друг от друга величиной разрядного тока, напряжением, температурой и давлением газа. Заряды могут быть устойчивые и неустойчивые (например, искровые). Строгой количественной границы между разрядами нет, один вид разряда может переходить в другой. Основные виды разрядов: темный, тлеющий, дуговой, искровой, коронный. Дуговой разряд – это высшая форма разряда, которая отличается от других форм разряда своими физическими свойствами. Так, тлеющий разряд имеет следующие параметры:

• давление – несколько тор (мм рт. ст.);
• плотность тока на катоде – (10 -3 -10 -2) А/мм 2 ;
• напряжение – (200-300) В;
• катодное падение напряжения ~ 100 В.

Физические свойства дугового разряда:

• давление до 1 атм. и выше;
• плотность тока на катоде – до 10 8 А/мм 2 ;
• малая длина дуги – до 20-30 мм;
• низкое напряжение дуги – (12¸50) В;
• высокая температура столба дуги – (от 5 до 30)10 3 К;
• ослепительная яркость (ввиду рекомбинации заряженных частиц с выделением световой энергии);
• высокая концентрация заряженных частиц в катодной области разряда.

Название «дуга» он получил за форму ярко светящегося шнура (столба) разряда, который в первых опытах со слаботочными разрядами изгибался вверх серповидной дужкой под действием восходящих конвективных потоков нагретого разрядом воздуха. Хотя в большинстве случаев, например между вертикальными электродами в ограниченном замкнутом пространстве, аналогичный разряд не имеет дугообразной формы, первоначальное его название сохранилось.

Дуговые разряды широко используются в технике. Они являются источниками света для прожекторов и кинопроекционной аппаратуры, в специальных лампах сверхвысокого давления CBD (до 100 ат). Дуга используется в газотронах, тиратронах, ртутных выпрямителях для выпрямления тока и управления его силой и т.д. Весьма широкое применение электрическая дуга получила в металлургии и сварочной технике для нагрева и плавления металлов.

Термин «дуга» применяется только к устойчивым или квазиустойчивым видам разрядов. Дугой принято считать конечную форму разряда, развившегося при любых обстоятельствах, если через газ проходит достаточно большой ток. Такой разряд можно получить различными путями: из какого-либо устойчивого маломощного разряда; из неустойчивого искрового разряда или раздвигая два токонесущих, предварительно соприкасающихся электрода.

Приоритет в открытии дугового разряда принадлежит академику Василию Владимировичу Петрову – 1802 г. Он сказал о возможности использования дугового разряда для плавления металлов. Дугой назвал это явление англичанин Гэмфи Дэви, который независимо от Петрова В. В. исследовал это явление в 1808-1810 г.

История развития техники во второй половине XIX века примечательна разработкой путей практического использования электричества, в т. ч. для целей нагрева и плавления металла. В мае 1981 года весь мир по решению ЮНЕСКО отмечал важнейшую памятную дату – 100-летие со дня создания промышленного способа электрической дуговой сварки металлов русским изобретателем Николаем Николаевичем Бенардосом.

ГОСТ 19521 насчитывает 35 технологических разновидностей дугового разряда. В качестве технологических признаков дуги стандартом определены: вид электрода, характер воздействия на основной металл, род применяемого тока, наличие внешнего воздействия на формирование шва, количества электродов с общим токоподводом сварочного тока, наличие и направление колебаний электрода относительно оси шва, количество дуг с раздельным питанием током и др. Остановимся на наиболее существенных из них.

Сварка может осуществляться как плавящимся, так и неплавящимся электродом. В качестве неплавящегося электрода чаще всего используют графит или металлы с высокой температурой плавления – молибден, тантал, вольфрам и др. Питание дуги может быть переменным или постоянным током, а также комбинированным способом. При переменном токе частота может быть не только 50 Гц, но и повышенная. Сварка может быть дугой прямого и косвенного действия (рис. 13). При сварке дугой прямого действия свариваемые детали включены в сварочную цепь, их нагрев осуществляется за счет энергии заряженных частиц, достигающих активного пятна. При сварке дугой косвенного действия свариваемые детали не включены в сварочную цепь, их нагрев осуществляется за счет теплопередачи (в основном лучистой) от столба дуги.

Степень ионизации газа в дуге находится в пределах до нескольких процентов. Это считается высокой степенью ионизации, т. к. при степени ионизации более 0,01% газ находится в плазменном состоянии при температуре более 3000 К. Это низкотемпературная плазма.

При ручной дуговой сварке плотность тока составляет (10-15) А/мм 2 , при сварке плавящимся электродом в защитных газах до 400 А/мм 2 . Эти величины значительно меньше названной выше величины плотности тока на катоде до 10 8 А/мм 2 , т. к. на практике плотность тока определяют его отношением к поперечной площади электрода, а при изучении физических свойств разряда – отношением величины тока к площади катодных ячеек торца электрода. Площадь этих ячеек значительно меньше площади электрода и определяется по результатам скоростной киносъемки процесса.

В физике принято называть электродом любой предмет, к которому подсоединен проводник от источника тока. В сварке принято называть электродом – проволочный электрод, а плоский электрод – изделием. При сварке на постоянном токе различают прямую и обратную полярность. При прямой полярности катодом является электрод, при обратной полярности – изделие. Сварку на прямой полярности используют в меньшей степени, например, при сварке неплавящимся электродом в инертных газах сталей. Чаще всего сварку на постоянном токе выполняют на обратной полярности.

Состав газовой фазы может быть различным – воздух, защитные газы, пары металлов и компонентов флюса или электродного покрытия. Давление газа – от вакуума (не ниже 50 тор) до нескольких атмосфер.

Электрические разряды бывают самостоятельные и несамостоятельные. При самостоятельных разрядах необходимые для существования разряда заряженные частицы образуются за счет процессов, происходящих в самом разряде. Дуга является самостоятельным разрядом. Электрические частицы – электроны и ионы образуются за счет процессов эмиссии и ионизации. На образование других видов частиц энергии дуги недостаточно.