Що є дуговий розряд. Види самостійного розряду та їх технічне використання

1. Умови виникнення та горіння дуги

Розмикання електричного ланцюгаза наявності у ній струму супроводжується електричним розрядом між контактами. Якщо в ланцюгу, що відключається, струм і напруга між контактами більше, ніж критичні для даних умов, то між контактами виникає дуга, тривалість горіння якої залежить від параметрів ланцюга та умов деіонізації дугового проміжку. Утворення дуги при розмиканні мідних контактів можливе вже при струмі 0,4-0,5 А та напрузі 15 Ст.

Мал. 1. Розташування в стаціонарній дузі постійного струму напруги U(a) та напруженостіЕ(б).

У дузі розрізняють навколокатодний простір, стовбур дуги та навколоанодний простір (рис. 1). Вся напруга розподіляється між цими областями Uдо, Uсд, Uа. Катодне падіння напруги в дузі постійного струму 10-20 В, а довжина цієї ділянки становить 10-4-10-5 см, таким чином, біля катода спостерігається висока напруженість електричного поля(105-106 В/см). За таких високих напруженостей відбувається ударна іонізація. Суть її полягає в тому, що електрони, вирвані з катода силами електричного поля (автоелектронна емісія) або за рахунок нагрівання катода (термоелектронна емісія), розганяються в електричному полі і при ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії достатньо, щоб відірвати один електрон з оболонки нейтрального атома, то відбудеться іонізація. Утворені вільні електронита іони становлять плазму стовбура дуги.

Мал. 2. .

Провідність плазми наближається до провідності металів у= 2500 1/(Ом×см)]/ У стовбурі дуги проходить великий струм і створюється висока температура. Щільність струму може досягати 10 000 А/см2 і більше, а температура - від 6000 К при атмосферному тискудо 18000 К та більше при підвищених тисках.

Високі температури у стовбурі дуги призводять до інтенсивної термоіонізації, яка підтримує велику провідність плазми.

Термоіонізація - процес утворення іонів за рахунок зіткнення молекул і атомів, що мають велику кінетичну енергію при високих швидкостях їх руху.

Чим більший струм у дузі, тим менший її опір, а тому потрібна менша напруга для горіння дуги, тобто дугу з великим струмом погасити важче.

При змінному струмінапруга джерела живлення u cд змінюється синусоїдально, так само змінюється струм у ланцюгу i(Рис. 2), причому струм відстає від напруги приблизно на 90 °. Напруга на дузі uд, що горить між контактами вимикача, непостійно. При малих струмах напруга зростає до величини uз (напруги запалювання), потім у міру збільшення струму в дузі та зростання термічної іонізації напруга падає. Наприкінці напівперіоду, коли струм наближається до нуля, дуга гасне при напрузі гасіння uг. У наступний напівперіод явище повторюється, якщо не вжито заходів для деіонізації проміжку.

Якщо дуга погашена тими чи іншими способами, то напруга між контактами вимикача повинна відновитися до напруги мережі живлення - uвз (рис. 2, точка А). Однак оскільки в ланцюзі є індуктивні, активні та ємнісні опори, виникає перехідний процес, з'являються коливання напруги (рис. 2), амплітуда яких Uв,max може значно перевищувати нормальну напругу. Для апаратури, що відключає, важливо, з якою швидкістю відновлюється напруга на ділянці АВ. Підсумовуючи, можна відзначити, що дуговий розрядпочинається за рахунок ударної іонізації та емісії електронів з катода, а після запалення дуга підтримується термоіонізацією у стовбурі дуги.

У комутаційних апаратах необхідно не тільки розімкнути контакти, а й погасити дугу, що виникла між ними.

У ланцюгах змінного струму струм у дузі кожен напівперіод проходить через нуль (рис. 2), у ці моменти дуга гасне мимовільно, але наступного напівперіод вона може виникнути знову. Як показують осцилограми, струм у дузі стає близьким до нуля трохи раніше природного переходу через нуль (рис. 3, а). Це тим, що при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, отже, зменшується температура дуги і припиняється термоіонізація. Тривалість безструмової паузи tп невелика (від десятків до кількох сотень мікросекунди), але грає важливу рольу гасінні дуги. Якщо розімкнути контакти в павузу без струму і розвести їх з достатньою швидкістю на таку відстань, щоб не стався електричний пробій, то ланцюг буде відключений дуже швидко.

Під час безструмової паузи інтенсивність іонізації сильно падає, тому що не відбувається термоіонізації. У комутаційних апаратах, крім того, вживаються штучні заходи охолодження дугового простору та зменшення кількості заряджених частинок. Ці процеси деіонізації призводять до поступового збільшення електричної міцності проміжку. uпр (рис. 3, б).

Різке збільшенняелектричної міцності проміжку після переходу струму через нуль відбувається головним чином рахунок збільшення міцності околокатодного простору (в ланцюгах змінного струму 150-250В). Одночасно зростає напруга, що відновлюється. uв. Якщо будь-якої миті uпр > uв проміжок не буде пробито, дуга не загориться знову після переходу струму через нуль. Якщо в якийсь момент uпр = uв, відбувається повторне запалювання дуги в проміжку.

Мал. 3. :

а- згасання дуги при природному переході струму через нуль; б- Зростання електричної міцності дугового проміжку при переході струму через нуль

Таким чином, завдання гасіння дуги зводиться до створення таких умов, щоб електрична міцність проміжку між контактами uпр була більша напруга між ними uв.

Процес наростання напруги між контактами апарату, що відключається, може носити різний характер залежно від параметрів комутованого ланцюга. Якщо відключається ланцюг з величезним переважанням активного опору, то напруга відновлюється за аперіодичним законом; якщо в ланцюзі переважає індуктивний опір, виникають коливання, частоти яких залежать від співвідношення ємності та індуктивності ланцюга. Коливальний процес призводить до значних швидкостей відновлення напруги, а чим більша швидкість duв/ dt, тим швидше пробою проміжку і повторне запалювання дуги. Для полегшення умов гасіння дуги в ланцюг струму, що відключається, вводяться активні опори, тоді характер відновлення напруги буде аперіодичним (рис. 3, б).

3. Способи гасіння дуги в комутаційних апаратах до 1000У

У комутаційних апаратах до 1 кВ широко використовуються такі способи гасіння дуги:

Подовження дуги при швидкій розбіжності контактів.

Чим довша дуга, тим більша напруга необхідна її існування. Якщо напруга джерела живлення виявиться меншою, то дуга гасне.

Поділ довгої дуги на ряд коротких (рис. 4, а).
Як показано на рис. 1, напруга на дузі складається з катодного Uдо і анодного Uа падінь напруги і напруги стовбура дуги Uсд:

Uд= Uдо+ Uа+ Uсд= Uе+ Uсд.

Якщо довгу дугу, що виникла при розмиканні контактів, затягнути в дугогасну решітку з металевих пластин, то вона розділиться на Nкороткі дуги. Кожна коротка дуга матиме своє катодне та анодне падіння напруг. Uе. Дуга гасне, якщо:

U n Uе.,

де U- Напруга мережі; Uе - сума катодного та анодного падінь напруги (20-25 В у дузі постійного струму).

Дугу змінного струму також можна розділити на Nкороткі дуги. У момент проходження струму через нуль навколокатодний простір миттєво набуває електричної міцності 150-250 В.

Дуга гасне, якщо

Гасіння дуги у вузьких щілинах.

Якщо дуга горить у вузькій щілині, утвореній дугостійким матеріалом, то завдяки зіткненню з холодними поверхнями відбувається інтенсивне охолодження та дифузія заряджених частинок навколишнє середовище. Це призводить до швидкої деіонізації та гасіння дуги.

Мал. 4.

а– розподіл довгої дуги на короткі; б– затягування дуги у вузьку щілину дугогасної камери; в– обертання дуги у магнітному полі; г- Гасіння дуги в маслі: 1 - нерухомий контакт; 2 – ствол дуги; 3 – воднева оболонка; 4 – зона газу; 5 – зона парів олії; 6 – рухливий контакт

Рух дуги в магнітному полі.

Електрична дуга може розглядатися як провідник із струмом. Якщо дуга знаходиться у магнітному полі, то на неї діє сила, яка визначається за правилом лівої руки. Якщо створити магнітне поле, спрямоване перпендикулярно осі дуги, вона отримає поступальний рух і буде затягнута всередину щілини дугогасної камери (рис. 4, б).

У радіальному магнітному полі дуга отримає обертальний рух(Рис. 4, в). Магнітне поле може бути створене постійними магнітамиспеціальними котушками або самим контуром струмопровідних частин. Швидке обертання та переміщення дуги сприяє її охолодженню та деіонізації.

Останні два способи гасіння дуги (у вузьких щілинах і магнітному полі) застосовуються також у відключаючих апаратах напругою вище 1 кВ.

4. Основні способи гасіння дуги в апаратах вище 1кВ.

У комутаційних апаратах понад 1 кВ застосовуються способи 2 та 3 описані в п.п. 1.3. а також широко застосовуються такі способи гасіння дуги:

1. Гасіння дуги в олії .

Якщо контакти відключаючого апарату помістити в масло, то дуга, що виникає при розмиканні, призводить до інтенсивного газоутворення і випаровування масла (рис. 4, г). Навколо дуги утворюється газовий міхур, що складається переважно з водню (70-80 %); швидке розкладання олії призводить до підвищення тиску в міхурі, що сприяє її кращому охолодженню та деіонізації. Водень має високі дугогасні властивості. Доторкаючись безпосередньо до стовбура дуги, він сприяє її деіонізації. Усередині газового міхура відбувається безперервний рух газу та парів олії. Гасіння дуги в маслі широко застосовується у вимикачах.

2. Газоповітряне дуття .

Охолодження дуги покращується, якщо створити спрямований рух газів – дуття. Дуття вздовж або впоперек дуги (рис. 5) сприяє проникненню газових частинок у її стовбур, інтенсивній дифузії та охолодженню дуги. Газ створюється при розкладанні олії дугою (масляні вимикачі) або твердих газогенеруючих матеріалів (автогазове дуття). Більш ефективно дуття холодним неіонізованим повітрям, що надходить із спеціальних балонів зі стисненим повітрям (повітряні вимикачі).

3. Багаторазовий розрив ланцюга струму .

Вимкнення великого струму при високих напругах важко. Це пояснюється тим, що при великих значеннях енергії, що підводиться, і відновлюється напруги деіонізація дугового проміжку ускладнюється. Тому у вимикачах високої напругизастосовують багаторазовий розрив дуги у кожній фазі (рис. 6). Такі вимикачі мають кілька пристроїв гасіння, розрахованих на частину номінального на напруги. Число розривів на фазу залежить від типу вимикача та його напруги. У вимикачах 500-750 кВ може бути 12 і більше розривів. Щоб полегшити гасіння дуги, напруга, що відновлюється, повинна рівномірно розподілятися між розривами. На рис. 6 схематично показаний масляний вимикач із двома розривами на фазу.

При відключенні однофазного КЗ напруга, що відновлюється, розподілиться між розривами наступним чином:

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

де U 1 ,U 2 - напруги, прикладені до першого та другого розривів; З 1 – ємність між контактами цих розривів; C 2 – ємність контактної системи щодо землі.

Мал. 6. Розподіл напруги з розривів вимикача: а – розподіл напруги з розривів масляного вимикача; б - ємнісні дільники напруги; в – активні дільники напруги.

Так як З 2 значно більше C 1, то напруга U 1 > U 2 і, отже, гасильні пристрої працюватимуть у різних умовах. Для вирівнювання напруги паралельно головним контактам вимикача (ГК) включають ємності або активні опори (рис. 16, б, в). Значення ємностей та активних шунтуючих опорів підбирають так, щоб напруга на розривах розподілялася рівномірно. У вимикачах із шунтуючими опорами після гасіння дуги між ГК супроводжуючий струм, обмежений за значенням опорами, розривається допоміжними контактами (ВК).

Шунтуючі опори зменшують швидкість наростання напруги, що відновлюється, що полегшує гасіння дуги.

4. Гасіння дуги у вакуумі .

Високорозріджений газ (10-6-10-8 Н/см2) має електричну міцність, в десятки разів більшу, ніж газ при атмосферному тиску. Якщо контакти розмикаються у вакуумі, відразу після першого проходження струму в дузі через нуль міцність проміжку відновлюється і дуга не спалахує знову.

5. Гасіння дуги в газах високого тиску .

Повітря при тиску 2 МПа і більше має високу електричну міцність. Це дозволяє створювати досить компактні пристрої для гасіння дуги в атмосфері повітря. Ще ефективніше застосування високоміцних газів, наприклад шестифторісгою сірки SF6 (елегаз). Елегаз має не тільки більшу електричну міцність, ніж повітря і водень, але і кращі властивості, що дугогасять, навіть при атмосферному тиску.

У нормальному станігази є добрими електричними ізоляторами. Однак, приклавши досить сильне електричне поле, можна викликати порушення їх властивостей, завдяки чому з'являється можливість пропускати через газ значні струми. Проходження струму через газ по історичним причинотримало назву електричного «розряду».

Виникаючі при цьому явища залежать від роду і тиску газу, від матеріалу, з якого виготовлені електроди, від геометрії електродів і навколишнього судини, а також від струму, що протікає. Різні форми розряду отримали спеціальні назви, як-то: темний розряд, корона, тліючий розряд і т. д. Потужні розряди, однак, навіть при різних умовахволодіють поруч загальних особливостей, що дозволяють об'єднати їх під однією назвою - "дуговий розряд".

Термін «дуга» застосовується лише до стійких чи квазістійких видів розряду. Дугою прийнято вважати кінцеву форму розряду, що розвинувся за будь-яких обставин, якщо через газ проходить досить великий струм. Такий розряд можна отримати різними шляхами.

По-перше, дуга може виникнути в результаті безперервного або стрибкоподібного переходу з якогось стійкого малопотужного (наприклад, тліючого) розряду. Такий шлях виникнення дуги показаний малюнку. Передбачається, що пpо6ой вже стався і що розрядний струм має невелику постійну величину. Якщо поступово збільшувати струм, напруга між електродами буде змінюватися кривою, зображеною на малюнку. Розряд проходитиме у своїй через кілька різних стадій. У точці Е починається крутий спад напруги до досить низького значенняі з'являється дуговий розряд. Наведена крива характерна для розряду, що горить між електродами, віддаленими один від одного на кілька сантиметрів, трубці діаметром кілька сантиметрів, що містить газ при тиску кілька міліметрів ртутного стовпа. Числові значенняструму та напруги дано тільки для вказівки порядку величин. Напруга є функція струму (вірніше, щільності струму), а не навпаки, за винятком можливого розриву безперервності, позначеного пунктирною лінією FG, перехід від дуже малих значень струму в точці F до характерних для дугового розряду великим значенняму точці Н відбувається плавно через низку стійких станів. Але він не може статися дуже швидко, якщо прикласти до електродів відразу велику напругу без послідовно включеного опору, що обмежує швидкий рістструму до значення, відповідної точкиН. В цьому випадку проміжні етапи не встигають досягти рівноваги і перебіг кривої напруги має дещо інший вигляд.

По-друге, дуга може розвинутися з нестійкого перехідного іскрового розряду. У цьому випадку дуга може бути отримана, наприклад, якщо розряд виникає між електродами в газі при тиску атмосферного порядку під дією напруги, здатного викликати пробою проміжку і підтримувати струм при значенні, достатньому для горіння дуги. Усі проміжні стадії перед дуговим розрядом є нестійкими, і якщо напруга недостатньо для підтримки струму дуги, розряд гасне або стає уривчастим. У цих умовах напруга між електродами не буде більше функцієютільки або навіть головним чином струму, але залежить також і від часу. Тому перебіг процесу краще зображати за допомогою кривої струму і кривої напруги в залежності від часу (рисунок). З цього малюнка видно, що за проміжок часу порядку 10^-8 с відбувається крутий спад напруги від значення, близького до пробивного; після цього спостерігається більш менш різко виражена «сходинка» (який іноді може і не бути). Приблизно через 10^-6 сек напруга становить лише кілька десятків вольт. Потім відбувається поступове наближення до сталого стану, що настає лише після встановлення теплової рівноваги для електродів та судини. Цей процес може тривати кілька хвилин. На малюнку точка А відповідає початку різкого спаду напруги. Між початком пробою та моментом спаду напруги в точці A може пройти відносно великий проміжокчасу (час формування). Нестійкий розряд, що виникає у точці А, називається іскрою.

По-третє, дугу можна отримати, розсовуючи два токонесучі, спочатку доторкалися електрода. Цей спосіб запалювання дуги широко застосовується практично, оскільки у разі немає потреби у пробою газу між електродами. Іншими словами, відпадає необхідність у джерелі високої напруги, що потрібна для пробою газу; достатня значно менша величина напруги, що забезпечує підтримку дугового розряду, що вже встановився. Виниклий зазначеним шляхомРозряд називається дугорозмиканням. Та обставина, що між контактами, що розсуваються, може спалахувати дуга, буває часто несприятливою. Такі дуги з'являються між контактами вимикачів. Їх буває важко гасити і вони мають руйнівну дію на вимикач.

Якщо після запалення позовного розряду поступово зменшувати опір ланцюга, то сила струму в іскрі збільшуватиметься. Коли опір ланцюга стане досить малим, виникає нова формагазового розряду, що називається дуговим розрядом (див. додаток 1.5). При цьому сила струму різко збільшується, досягаючи десятків і сотень ампер, а напруга на розрядному проміжку зменшується до кількох вольт. Це свідчить, що у розряді виникають нові процеси, які повідомляють газу дуже велику провідність.

Дуговий розряд можна отримати від джерела низької напруги, минаючи стадію іскри. Професор фізики Петербурзької медико-хірургічної академії В.В.Петров, який відкрив у 1802 р. цю важливу формугазового розряду, отримав електричну дугу, розсовуючи два шматочки деревного вугілля, попередньо приведені в дотик та приєднані до потужної батареї гальванічних елементів. Він виявив, що при цьому між кінцями вугілля виникає стовп газу, що яскраво світиться, а саме вугілля розжарюються до сліпучого свічення.

В даний час електричну дугу, що горить при атмосферному тиску, найчастіше отримують між спеціальними вугільними електродами, виготовленими пресуванням порошкоподібного графіту і речовин (дугове вугілля). Найбільш гарячим місцем дуги є поглиблення, що утворюється на позитивному електроді і називається кратером дуги. Його температура при атмосферному тиску дорівнює близько 4000 До, а за тиску 20 атм перевищує 7000 До, тобто. більше температуризовнішньої поверхні Сонця (близько 6000 К).

Що ж є основною причиною великої електропровідності газу у дуговому розряді? Встановлено, що хороша електропровідність дуги підтримується за рахунок високої температури негативного електрода через інтенсивну емісію термоелектронної. Це добре підтверджується тим фактом, що в багатьох випадках стійку дугу можна отримати тільки за умови, що катод має високу температуру, а анода температура не має істотного значення. Так, наприклад, якщо одним з електродів дуги зробити вугільний стрижень, а іншим - масивну мідну пластину, що добре охолоджується, і переміщати вугільний стрижень біля пластини (щоб вона не могла розігрітися), то стійка дуга виникає тільки при негативному вугіллі. Якщо негативним полюсом служить пластина, то дуга періодично запалюється і знову гасне, а отримати її стійке горіння не можна. Дуговий розряд виникає у всіх випадках, коли внаслідок розігріву катода основною причиною іонізації газу стає термоелектронна емісія. Наприклад, у тліючому розряді позитивні іони, що бомбардують катод, не тільки викликають вторинну емісію електронів, а й нагрівають катод. Тому, якщо збільшувати силу струму в розряді, що тліє, то температура катода збільшується, і коли вона досягає такої величини, що починається помітна термоелектронна емісія, тліючий розряд переходить в дуговий. При цьому зникає й катодне падіння потенціалу.

Поряд із розглянутими вище термоелектронними дугами спостерігаються і дугові розряди при порівняно низькій температурі катода (наприклад, ртутній дуговій лампі).

Електрична дуга вперше була використана для освітлення у 1875 році російським інженером-винахідником П.М. Яблочкіним (1847-1894) і отримала назву "російського світла" або "північного світла". У «свічці Яблочкова» вугілля було розташоване паралельно і розділене вигнутим прошарком, які кінці з'єднані проводящим «запальним містком». Коли струм вмикався, запальний місток згоряв і між вугіллям утворювалася електрична дуга. У міру згоряння вугілля ізолюючий прошарок випаровувався.

Численні дослідження електричних дуг з холодними електродами показують, що джерелом потужної електронної емісії з катода є невелика, яскраво світиться і безперервно рухається плямка на катоді, що завжди виникає в подібних дугах (катодна пляма). Щільність струму в катодній плямі величезна і може досягати 1010-1011 А/м 2 . Причина утворення катодної плями полягає в сильному збільшенні концентрації позитивних іонів у катода, що створює дуже сильне місцеве електричне поле, що викликає потужну емісію автоелектронну. Тому електричні дуги із холодними катодами іноді називають автоелектронними дугами. Катодна пляма може виникнути не тільки біля поверхні ртуті, але й у будь-якого металевого твердого електрода.

Внаслідок високої температури електроди дуги випромінюють сліпуче світло (свічення стовпа дуги слабше, тому що випромінююча здатність газу мала), і тому електрична дуга є одним з найкращих джерелсвітла. Електрична дуга широко застосовується у проекційних, прожекторних та інших установках. Витратна нею питома потужність менша, ніж у ламп розжарювання. Вона споживає всього близько 3 Вт на канделу і є значно економічнішою, ніж кращі лампи розжарювання.

Як джерела світла використовують також дугові лампи високого тиску. Великий інтереспредставляє ртутна дуга, що горить у кварцовій трубці, так звана кварцова лампа. У цій лампі дуговий розряд відбувається не в повітрі, а в атмосфері ртутної пари, для чого в лампу вводять невелику кількість ртуті, а повітря відкачують. Світло ртутної дуги надзвичайно багате ультрафіолетовими променями, що володіють сильним хімічним і фізіологічною дією. Щоб можна було використовувати це випромінювання, лампу роблять не зі скла, яке сильно поглинає УФО, а з плавленого кварцу. Ртутні лампи широко використовують при лікуванні різноманітних хвороб, а також при наукових дослідженняхяк сильне джерело ультрафіолетового випромінювання.

У 1882 році Н. Н. Бенардосом дуговий розряд вперше був використаний для різання та зварювання металу. Розряд між нерухомим вугільним електродом та металом нагріває місце з'єднання двох металевих листів (або пластин) та зварює їх. Цей же метод Бенардос застосував для різання металевих пластин та отримання отворів. У 1888 році М. Г. Слов'янов удосконалив цей метод зварювання, замінивши вугільний електрод на металевий. Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для влаштування дугової печі. В даний час дугові печі, що живляться струмом дуже великої сили, Застосовуються в ряді областей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, отримання карбіду кальцію, окису азоту і т.д.

Внаслідок високої температури електроди дуги випромінюють сліпуче світло, і тому електрична дуга є одним із найкращих джерел світла. Вона споживає всього близько 0,3 Вт на кожну свічку і є значно економічнішою. Чим кращі лампи розжарювання. Електрична дуга вперше була використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1875 р. та отримала назву «російського світла», або «північного світла».

Електрична дуга також застосовується для зварювання металевих деталей (дугове електрозварювання). В даний час електричну дугу дуже широко застосовують у промислових електропечах. У світовій промисловості близько 90% інструментальної сталі та майже всі спеціальні сталі виплавляються в електричних печах.

Великий інтерес представляє ртутна дуга, що горить у кварцовій трубці, так звана кварцова лампа. У цій лампі дуговий розряд відбувається не в повітрі, а в атмосфері ртутної пари, для чого в лампу вводять невелику кількість ртуті, а повітря викачують. Світло ртутної дуги надзвичайно багате невидимими ультрафіолетовими променями, що мають сильну хімічну та фізіологічну дію. Ртутні лампи широко застосовують при лікуванні різноманітних хвороб («штучне гірське сонце»), а також при наукових дослідженнях як джерело ультрафіолетових променів.

Тліючий розряд.Крім іскри, корони та дуги, існує ще одна форма самостійного розрядуу газах – так званий тліючий розряд. Для отримання цього типу розряду зручно використовувати скляну трубку довжиною близько півметра, що містить два металеві електроди. Приєднаємо електроди до джерела постійного струму з напругою в кілька тисяч вольт. електрична машина) і поступово відкачуватимемо з трубки повітря. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається темним, оскільки прикладена напруга кілька тисяч вольт недостатньо для того, щоб пробити довгий газовий проміжок. Однак коли тиск газу досить знизиться, в трубці спалахує розряд, що світиться. Він має вигляд тонкого шнура (у повітрі – малинового кольору, в інших газах – інших кольорів), що з'єднує обидва електроди. У цьому стані газовий стовп добре проводить електрику.

При подальшій відкачений шнур, що світиться, розмивається і розширюється, і свічення заповнює майже всю трубку. Розрізняють такі дві частини розряду: 1) частина, що не світиться, прилеглу до катода, що отримала назву темного катодного простору; 2) стовп газу, що світиться, заповнює всю решту трубки, аж до самого анода. Ця частина розряду зветься позитивного стовпа.

А працює це якось. При розряді, що тліє, газ добре проводить електрику, а значить, у газі весь час підтримується сильна іонізація. При цьому на відміну від дугового розряду катод постійно залишається холодним. Чому ж у цьому випадку відбувається утворення іонів?

Падіння потенціалу чи напруги на кожному сантиметрі довжини газового стовпав тліючому розряді дуже по-різному різних частинахрозряду. Виходить, що майже все падіння потенціалу посідає темний простір. Різниця потенціалів, що існує між катодом та найближчим до нього кордоном простору, називають катодним падінням потенціалу. Воно вимірюється сотнями, а деяких випадках і тисячами вольт. Весь розряд виявляється за рахунок цього катодного падіння.

Значення катодного падіння полягає в тому, що позитивні іони, пробігаючи цю велику різницю потенціалів, набувають велику швидкість. Так як катодне падіння зосереджено в тонкому шарі газу, то тут майже не відбувається зіткнень іонів з газовими атомами, і через це, проходячи через область катодного падіння, іони набувають дуже великої кінетичної енергії. Внаслідок цього при зіткненні з катодом вони вибивають з нього кілька електронів, які починають рухатися до анода. Проходячи через темний простір, електрони у свою чергу прискорюються катодним падінням потенціалу і при зіткненні з газовими атомами більш віддаленої частини розряду роблять іонізацію ударом. Позитивні іони, що виникають при цьому, знову прискорюються катодним падінням і вибивають з катода нові електрони і т. д. Таким чином все повторюється до тих пір, поки на електродах є напруга.

Отже ми бачимо, що причинами іонізації газу тліючому розряді є ударна іонізація і вибивання електронів з катода позитивними іонами.

Такий розряд використовують переважно для освітлення. Застосовується в люмінесцентних лампах.

Д О К Л А Д

на тему: «ВИДИ РОЗРЯДІВ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ»

Виконав: Шутов Є.Ю.

10 А клас

Перевірив.

Явища проходження електричного струмучерез газидістали назву електричних (газових) розрядів. Існують різні форми електричного розряду, що відрізняються один від одного величиною розрядного струму, напругою, температурою та тиском газу. Заряди можуть бути стійкі та нестійкі (наприклад, іскрові). Суворої кількісної межі між розрядами немає, один вид розряду може переходити до іншого. Основні види розрядів: темний, тліючий, дуговий, іскровий, коронний. Дуговий розряд – це найвища формарозряду, що відрізняється від інших форм розряду своїми фізичними властивостями. Так, тліючий розряд має такі параметри:

• тиск – кілька тор (мм рт. ст.);
• щільність струму на катоді - (10 -3 -10 -2) А/мм 2;
• напруга - (200-300);
• катодне падіння напруги ~ 100 В.

Фізичні властивостідугового розряду:

• тиск до 1 атм. і вище;
• щільність струму на катоді – до 10 8 А/мм 2;
• мала довжина дуги - до 20-30 мм;
• низька напруга дуги - (12?50);
• висока температура стовпа дуги - (від 5 до 30) 103К;
• сліпуча яскравість (через рекомбінацію заряджених частинок з виділенням світлової енергії);
• висока концентрація заряджених частинок у катодній області розряду.

Назва «дуга» він отримав за форму шнура (стовпа) розряду, що яскраво світиться, який у перших дослідах зі слаботочними розрядами вигинався вгору серповидною дужкою під дією висхідних конвективних потоків нагрітого розрядом повітря. Хоча в більшості випадків, наприклад, між вертикальними електродами в обмеженому замкнутому просторі, аналогічний розряд не має дугоподібної форми, початкова його назва збереглася.

Дугові розряди широко використовуються у техніці. Вони є джерелами світла для прожекторів та кінопроекційної апаратури у спеціальних лампах надвисокого тиску CBD (до 100 ат). Дуга використовується в газотронах, тиратронах, ртутних випрямлячах для випрямлення струму та управління його силою тощо. Дуже широке застосуванняелектрична дуга отримала в металургії та зварювальній техніці для нагрівання та плавлення металів.

Термін «дуга» застосовується лише до стійких чи квазістійких видів розрядів. Дугою прийнято вважати кінцеву форму розряду, що розвинувся за будь-яких обставин, якщо через газ проходить досить великий струм. Такий розряд можна отримати різними шляхами: з будь-якого стійкого малопотужного розряду; з нестійкого іскрового розряду або розсовуючи два токонесучі, попередньо стикаються електроди.

Пріоритет у відкритті дугового розряду належить академіку Василю Володимировичу Петрову – 1802 р. Він сказав можливість використання дугового розряду для плавлення металів. Дугою назвав це явище англієць Гемфі Деві, який незалежно від Петрова В. В. досліджував це явище 1808-1810 р.

Історія розвитку техніки у другій половині ХІХ століття примітна розробкою шляхів практичного використанняелектрики, в т. ч. з метою нагрівання та плавлення металу. У травні 1981 року весь світ за рішенням ЮНЕСКО наголошував на найважливішій пам'ятну дату– 100-річчя від дня створення промислового методу електричного дугового зварювання металів російським винахідником Миколою Миколайовичем Бенардосом.

ГОСТ 19521 налічує 35 технологічних різновидів дугового розряду. Як технологічні ознаки дуги стандартом визначено: вид електрода, характер впливу на основний метал, рід застосовуваного струму, наявність зовнішнього впливуна формування шва, кількості електродів із загальним струмопідведенням зварювального струму, наявність та напрямок коливань електрода щодо осі шва, кількість дуг з роздільним харчуваннямструмом та інших. Зупинимося найбільш істотних їх.

Зварюванняможе здійснюватися як плавиться, так і електродом, що не плавиться. В якості електрода, що не плавиться, найчастіше використовують графіт або метали з високою температуроюплавлення - молібден, тантал, вольфрам та ін. Живлення дуги може бути змінним або постійним струмом, а також комбінованим способом. При змінному струмі частота може бути не лише 50 Гц, а й підвищена. Зварювання може бути дугою прямого і непрямої дії(Рис. 13). При зварюванні дугою прямої дії деталі, що зварюються, включені в зварювальний ланцюг, їх нагрівання здійснюється за рахунок енергії заряджених частинок, що досягають активної плями. При зварюванні дугою непрямої дії деталі, що зварюються, не включені в зварювальний ланцюг, їх нагрівання здійснюється за рахунок теплопередачі (в основному променистої) від стовпа дуги.

Ступінь іонізації газу в дузі знаходиться в межах кількох відсотків. Це вважається високим ступенеміонізації, тому що при ступені іонізації більше 0,01% газ знаходиться в плазмовому стані при температурі більше 3000 К. Це низькотемпературна плазма.

При ручному дуговому зварюванні щільність струму становить (10-15) А/мм 2 , при зварюванні електродом, що плавиться, в захисних газах до 400 А/мм 2 . Ці величини значно менші від названої вище величини щільності струму на катоді до 10 8 А/мм 2 , тому що на практиці щільність струму визначають його ставленням до поперечної площі електрода, а при вивченні фізичних властивостей розряду - ставленням величини струму до площі катодних осередків торця електрод. Площа цих осередків значно менше площіелектрода визначається за результатами швидкісної кінозйомки процесу.

У фізиці прийнято називати електродом будь-який предмет, до якого приєднано провідника від джерела струму. У зварюванні прийнято називати електродом – дротяний електрод, а плоский електрод – виробом. При зварюванні на постійному струмірозрізняють пряму та зворотну полярність. При прямій полярності катодом є електрод, при зворотній полярності виріб. Зварювання на прямій полярності використовують меншою мірою, наприклад, при зварюванні електродом, що не плавиться, в інертних газах сталей. Найчастіше зварювання на постійному струмі виконують на зворотній полярності.

Склад газової фази може бути різним – повітря, захисні гази, пари металів та компонентів флюсу чи електродного покриття. Тиск газу – від вакууму (не нижче 50 тор) до кількох атмосфер.

Електричні розряди бувають самостійні та несамостійні. При самостійних розрядах необхідні існування розряду заряджені частинки утворюються з допомогою процесів, які у самому розряді. Дуга є самостійним розрядом. Електричні частинки– електрони та іони утворюються за рахунок процесів емісії та іонізації. На освіту інших видів частинок енергії дуги недостатньо.