Дуговой разряд в газах
канала разряда. Поэтому разряд на катоде должен
стягиваться.
Непосредственно к катодному пятну прилегает часть разряда, называемая
отрицательной пли катодной кистью или отрицательным пламенем. Длина
катодной кисти в дуге при низком давлении определяется тем расстоянием, на
которое залетают быстрые первичные электроны, получившие свои ско-рости в
области катодного падения потенциала.
Между отрицательной кистью и положительным столбом расположена область,
аналогичная фарадееву тёмному пространству тлеющего разряда. В дуге Петрова
в воздухе, кроме отрицательной кисти, имеется положи-тельное пламя и ряд
ореолов. Спектральный анализ указывает на наличие в этих пламенах и ореолах
ряда химических соединений (циана и окислов азота).
При горизонтальном расположении электродов и большом давлении газа
положительный столб дугового разряда изги-бается кверху под действием
конвекционных токов нагретого разрядом газа. Отсюда произошло самое
название дуговой разряд.
3. В дуге Петрова высокая температура и высокое давление не дают
возможности использовать для измерения распреде-ления потенциала метод
зондов.
Падение потенциала между электродами дуги складывается из катодного
падения и Uк, анодного падения Uа и падения в положительном столбе. Сумму
катодного и анодного падений потенциала можно определить,сближая анод и
катод до исчез-новения положительного столба и измеряя напряжение между
электродами.В случае дуги при низком давлении можно опре-делить значения
потенциала в двух точках столба дуги, поль-зуясь методом зондовых
характеристик, вычислить отсюда продольный градиент потенциала и далее
подсчитать как анодное, так и катодное падение потенциала.
Установлено, что в дуговом рязряде при атмосферном давлении сумма
катодного и анодного падений примерно той же величины,что и ионизационный
потенциал газа или пара, в котором происходит разряд.
В технике применения дуги Петрова с угольными электродами обычно
пользуются эмпирической формулой Айртона:
U=a+bl+(c+dl)/I (3)
Здесь U—напряжение между электродами, I—сила тока в дуге, l—длина дуги, а,
b, с и d—четыре постоянных. Формула характеристики (3) установлена для дуги
между угольными электродами в воздухе. Под l подразумевается расстояние
между катодом и плоскостью, проведённой через края положи-тельного кратера.
Перепишем формулу (4) в виде
U=а+c/I+l(b+d/I). (4)
В (4) члены, содержащие множитель l, соответствуют падению потенциала в
положительном столбе; первые два члена представляют собой сумму катодного и
ано-дного падения Uк+Uа. Постоянные в (3) зависят от давления воздуха и от
условий охлаждения электродов, а следовательно, от размеров и формы углей.
В случае дугового разряда в откачанном сосуде, запол-ненном парами
металла (например, ртути), давление пара зависит от температуры наиболее
холодных частей сосуда и поэтому ход характеристики сильно зависит от
условий охлаждения всей трубки.
Динамическая характеристика дугового разряда силь-но отличается от
статической. Вид динамической характеристики зависит от быстроты изменения
режима дуги. Практически наиболее интересна характеристика дуги при питании
переменным током. Одновременное осциллографирование тока и напряжения даёт
картину, изображенную на рис.2. Начерченная по этим кривым характеристика
дуги за целый период имеет
вид, представленный на рис.3. Пунктиром покыазан ход напряжения при
отсутствии разряда.
Рис. 3. Осциллограмма тока и напряжения дугового разряда на переменном токе
низкой частоты. Точки А, В, С и т.д.
соответствуют точкам,обозначенным теми
же буквами на рис.4.
Катод, не успевший ещё охладиться после разряда, имевшего место в
предыдущем полупериоде тока, с самого начала полупериода, когда внешняя
э.д.с. проходит через нуль, эмиттирует электроны. От точки О до точки А
характеристика соответствует несамостоятельному разряду, источником
которого являются эмиттируемые катодом электроны. В точке А происходит
зажигание дуги. После точки А разрядный ток быстро увеличивается. При
наличии сопротивления во внешней цепи напряжение между электродами дуги
падает, хотя э.д.с. источника тока (пунктир на рис.3), пробегая синусоиду,
ещё увеличивается. С уменьшением напряжения и тока, даваемого внешним
источником, разрядный ток начинает уменьшаться.
С уменьшением тока в дуге напряжение между её электро-дами может вновь
возрасти в зависимости от внешнего сопро-тивления, но часть ВС
характеристики на рис.4 может быть и горизонтальной или иметь про-
тивоположный наклон. В точке С имеет место потухание дуги.
После точки С ток несамостоятельного разряда уменьшается до нуля вместе
с уменьшением напряжения между электродами.
После перехода напряжения через
нуль роль катода начинает играть прежний анод и картина повторяется при
обратных знаках тока и напряжения.
На вид динамической харак-теристики оказывают влияние все условия,
определяющие режим дуги: расстояние между элек-тродами, величина внешнего
сопро-тивления, самоиндукция и ёмкость внешней цепи, частота переменного
тока, питающего дугу, и т. д.
Если на электроды дуги, питаемой постоянным током, на-ложить переменное
напряжение амплитуды, меньшей, чем напряжение питающего дугу постоянного
тока, то харак-теристика имеет вид замкнутой петли, охватывающей стати-
ческую характеристику ВС с двух сторон. При увеличении частоты переменного
тока ось этой петли поворачивается, сама петля сплющивается и, наконец,
стремится принять вид отрезка прямой ОА, проходящей через начало координат
(рис.5). При очень малой частоте петля динамической харак-теристики
превращается в отрезок статической характеристики ВС, так как все
внутренние параметры разряда,в частности концентрация ионов и электронов,
успевают в каждой точке характеристики принимать значения, соответствующие
стацио-нарному разряду при данных U и I. Наоборот, при очень быстром
изменении и параметры разряда совершенно не успе-вают изменяться, поэтому I
оказывается пропорциональным и, что соответствует прямой ОА, проходящей
через начало координат.Таким образом, при увеличении частоты переменного
тока петля характеристики (рис. 5) становится во всех своих точках
возрастающей.
В связи с возможностью полной ионизации газа в дуговом
разряде стоит вопрос об обрыве дуги при малом давлении газа
и очень сильных токах. В явлении обрыва дуги существенную роль играет
значительное уменьшение плотности газа вслед-ствие электрофореза и отсоса
ионов к стенкам, особенно в таких местах, где разрядный промежуток сильно
сужен. Прак-тически это приводит к необходимости избегать чрезмерных
сужений при постройке ртутных выпрямителей на очень большие силы тока.
Электрики, имевшие впервые дело с электрической дугой,
пытались применить закон Ома также и в этом случае. Для получения
результатов расчёта по закону Ома, согласных с действительностью, им
пришлось ввести представление об обратной электродвижущей силе дуги. По
аналогии с явлениями в гальванических элементах, предполагаемое появление
этой э.д.с. назвали поляризацией дуги. Вопросу об обратной э.д.с. дуги
посвящены работы русских учёных Д. А. Лачинова и В. Ф. Миткевича.
Дальнейшее развитие представлений об электрических разрядах в газах
показало, что такая пос-тановка вопроса является чисто формальной и может
быть с успехом заменена представлением о падающей характеристике дуги.
Справедливость этой точки зрения подтверждается неу-дачей всех попыток
непосредственно обнаружить эксперимен-тально обратную э.д.с. электрической
дуги.
4. В случае дуги в воздухе между угольными электродами
преобладает излучение раскалённых электродов, главным
образом,положительного кратера.
Излучение анода, как излучение твёрдого тела, обладает
сплошным спектром. Интенсивность его определяется темпера-турой анода.
Послздняя является характерной величиной для дуги в атмосферном воздухе при
аноде из какого-либо данного материала, так как температура анода от силы
тока не зави-сит и определяется исключительно температурой плавления или
иозгонки материала анода. Температура плавления или возгон-ки зависит от
давления, под которым находится плавящееся или возгоняемое тело. Поэтому
температура анода, а следова-тельно, и интенсивность излучения
положительного кратера зависят от давления, при котором горит дуга. В этом
отно-шении известны классические опыты с угольной дугой под давленрюм,
приведшие к получению очень высоких температур.
Об изменении температуры положительного кратера с давле-
нием даёт понятие кривая рис. 6. Прямая линия, на которую
на этом чертеже укладываются точки для давлений от 1 атм
и выше, служит подтверждением предположения, что темпера-тура
положительного кратера определяется температурой плав-ления или возгонки
вещества анода, так как в этом случае должна существовать линейная
зависимость между ln р и 1/T. Отступление от линейной зависимости при более
низких дав-лениях объясняется тем, что при давлении ниже 1 атм коли-чество
тепла, выделяющееся на аноде, недостаточно для нагревания анода до
температуры плавления или возгонки.
Температура катодного пятна дуги Петрова всегда на несколь-
ко сот градусов ниже температуры положительного кратера.
Высокие температуры шнура дуги не могут быть определены
при помощи термоэлемента или болометра. В настоящее время
для определения температуры в дуге применяют спектральные
методы.
При больших силах тока температура газа в дуге Петрова
может быть выше температуры анода и достигает 6000° К. Такие высокие
температуры газа характерны для всех случаев дугового разряда при
атмосферном давлении. В случае очень больших давлений (десятки и сотни
атмосфер) температура в центральных частях отшнуровавшегося положительного
столба дуги доходит до 10 000° К. В дуговом разряде при низких давлениях
температура газа в положительном столбе того же порядка, как и в
положительном столбе тлеющего ра
| |  скачать работу |
Дуговой разряд в газах |
