Сообщение на тему дуговой разряд

Обновлено: 19.05.2024

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.

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.

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.

Дуговой разряд (электрическая дуга)—
Самостоятельный газовый разряд, который характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и малым напряжением между электродами (несколько десятков вольт).

Дуговой разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Вылетевшие из катода электроны ускоряются электрическим полем и, сталкиваясь с молекулами газа, ионизуют их. При этом резко увеличивается проводимость газа, происходит его сильное разогревание и между электродами возникает столб ярко светящегося газа.

Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. Русским ученым в. В. Петровым. Дуговые разряды нашли широкое применение в технике: дуговые лампы в мощной проекционной аппаратуре и прожекторах, дуговая сварка металлов, дуговые печи для плавки металлов и др.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Дуговой разряд

Дуговой разряд (электрическая дуга) - самостоятельный газовый разряд, который характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и малым напряжением между электродами (несколько десятков вольт).

Сварочная дуга (как потребитель энергии) и источник питания дуги (сварочный трансформатор, генератор или выпрямитель) образуют взаимно связанную энергетическую систему. Различают два режима работы:

1) статический, напряжение и ток в течение длительного времени постоянны;

2) динамический, напряжение и ток непрерывно изменяются.

Однако во всех случаях режим горения сварочной дуги определяется током (I_Д), напряжением (U_Д), величиной промежутка между электродами (дуговым промежутком) и связью между ними.

В дуговом промежутке I_Д (рис. 1, а) различают три области: анодную 1, катодную 3 и столб дуги 2.

Падение напряжения в областях 1 и 3 постоянно для данных условий сварки, в единице длины столба дуги – это величина постоянная. Поэтому зависимость напряжения дуги от ее длины имеет линейный характер (рис. 1, б).

Различают следующие области дугового разряда: 1) область катодного падения напряжения; 2) область у анода; 3) столб дуги.

Область катодного падения напряжения представляет собой тонкий слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 10-20 В, а напряжённость электрического поля достигает 10 +5 . 10 +6 В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.

В зоне анода образуется отрицательный объёмный заряд вследствие недостатка положительных ионов. Падение напряжения в этой зоне составляет несколько вольт. Оно зависит от материала и температуры анода.

Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбуждённых и ионизированных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизируют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами, а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно меняется и другая. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.

В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбуждёнными и ионизированными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, т.е. ионизацией газа, связанной с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию.

Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.

Устойчивость сварочной дуги и режима сварки зависят от условий существования дугового разряда и свойств, параметров источников питания и электрической цепи.

Процесс сварки будет устойчив, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Если по какой-либо причине ток в сварочной дуге уменьшится, напряжение ее окажется меньше установившейся величины напряжения источника питания; это приведет к увеличению тока. Наоборот, при случайном увеличении тока установившиеся напряжения источника питания оказываются меньше напряжения дуги; это приведет к уменьшению тока и, следовательно, к восстановлению режима горения сварочной дуги. Всякие случайные изменения тока развиваются до тех пор, пока он не достигнет величины, соответствующей точке устойчивого равновесия или до обрыва дуги.

При ручной сварке, когда возможны изменения длины дуги, она должна обладать достаточным запасом устойчивости. При прочих равных условиях запас устойчивости возрастает с ростом крутизны внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной сварки применяют источники с крутопадающими характеристиками: сварщик может удлинить дугу, не опасаясь, что она оборвется, или укоротить ее, не боясь чрезмерного увеличения тока.

При обрыве дуги напряжение на дуговом промежутке должно подняться до величины, соответствующей мгновенному значению напряжения холостого хода источника питания. Благодаря отставанию тока от напряжения, такое напряжение оказывается достаточным для повторного возбуждения сварочной дуги (Un).

Электрическая дуга — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Синонимы: Вольтова дуга, Дуговой разряд.

Впервые была описана в 1802 году русским ученым В. В. Петровым. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга образуется следующим образом:

Электроны, двигаясь от отрицательного полюса к положительному, проходят через переход между электрическими контактами образуя электрическую цепь. При разведении электрических контактов (например, при отключении цепи) электроны, продолжая двигаться, вылетают из электрического контакта, соединённого с отрицательным полюсом. Затем они пересекают газовую прослойку, образовавшуюся между электрическими контактами, и, достигнув контакта, соединённого с положительным полюсом, продолжают своё движение к положительному полюсу, тем самым сохраняя электрическую цепь. Газовая прослойка, образованная разведением электрических контактов и находящаяся между этими контактами, по сути своей является диэлектриком. Как следствие, прохождение через неё электронов равносильно появлению в цепи сопротивления, которое быстро нагревается до температуры испарения металлов. Это приводит к ионизации окружающего газа и созданию своеобразного плазменного тоннеля, имеющего гораздо меньшее сопротивление, чем изначальная воздушная прослойка, и как следствие — к росту проводимости электрической дуги.

Электрическая дуга перегревает электрические контакты, провоцируя их плавление и быстрый износ за счёт испарения и окисления в окружающей среде. При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно останавливающую электрическую цепь без разрыва последней.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов. Иначе электросварка называется ещё дуговой сваркой.

См. также

Литература

Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Дуговой разряд" в других словарях:

ДУГОВОЙ РАЗРЯД — самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10 2 10 4 мм рт. ст., при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Д.… … Физическая энциклопедия

дуговой разряд — Самостоятельный электрический разряд, при котором электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном величиной и расположением в нем объемных зарядов и который характеризуется малым катодным падением потенциала (порядка или меньше… … Справочник технического переводчика

дуговой разряд — дуговой разряд; отрасл. дугообразный разряд; вольтова дуга Электрический разряд, при котором электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном величиной и расположением в нем объемных зарядов, характеризуемый малым катодным… … Политехнический терминологический толковый словарь

ДУГОВОЙ РАЗРЯД — электрический разряд в газах, характеризуемый большой плотностью тока и малым падением потенциала вблизи катода. Поддерживается термоэлектронной эмиссией или автоэлектронной эмиссией с катода. Температура газа в канале дугового разряда при… … Большой Энциклопедический словарь

ДУГОВОЙ РАЗРЯД — один из видов самостоятельного электрического разряда в газе, характеризуемый высокой плотностью тока. Нагретый до высокой температуры ионизированный газ в столбе между электродами, к которым подведено электрическое напряжение, находится в… … Большая политехническая энциклопедия

Дуговой разряд — один из типов стационарного электрического разряда в газах (См. Электрический разряд в газах). Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 В. В. Петровым и независимо в 1808 09 Г. Дэви. Светящийся токовый канал… … Большая советская энциклопедия

дуговой разряд — lankinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. arc discharge; electric arc in gas vok. Bogenentladung, f rus. дуговой разряд, m; дуговой разряд в газе, m pranc. décharge d’arc, f; décharge en régime d’arc, f; décharge par arc, f … Fizikos terminų žodynas

дуговой разряд — электрический разряд в газах, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10 2 10 3 мм рт. ст.; характеризуется большой плотностью тока на катоде и малым падением потенциала. Впервые наблюдался в 1802 В. В. Петровым в воздухе… … Энциклопедический словарь

дуговой разряд — lankinis išlydis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. arc discharge vok. Bogenentladung, f; Lichtbogenentladung, f rus. дуговой разряд, m pranc. décharge d arc, f; décharge en arc, f … Automatikos terminų žodynas

дуговой разряд — lankinis išlydis statusas T sritis chemija apibrėžtis Savaiminio elektros išlydžio dujose rūšis. atitikmenys: angl. arc discharge rus. дуговой разряд … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Читайте также: