Лекция №5. Дуговой разряд. Катодные и анодные явления

 

План:

1. Термоэлектронная эмиссия

2. Автоэлектронная эмиссия

3. Явления на аноде

 

Электрическая дуга, за счет которой существует плазма, представляет собой вид разряда в газе, характеризуемый большой плотностью тока и малым катодным падением.

В дуге можно отметить три области, весьма различны по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет ствол дуги. Наконец непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рисунке 5.

 

1-катод; 2 – анод; I – катодное падение; II – ствол дуги;

III – анодное падение

Рисунок 6. Строение дуги

 

Размеры областей катодного и анодного падений напряжения изображены на рисунке 5 сильно преувеличенными. В действительности их протяженность ничтожна мала. Например, протяженность ничтожна мала. Например, протяженность области катодного падения напряжения имеет величину порядка свободного пути электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно лишь несколько больше этой величины.

Область катодного падения напряжения характеризуется чрезвычайно высоким градиентом, который достигает десятков и сотен киловольт на сантиметр. Однако вследствие малой протяженности этой области падение напряжения в ней невелико – оно близко к потенциалу ионизации паров катода. Если катод имеет очень высокую температуру испарения, то катодное падение напряжения приближается к потенциалу ионизации газа в котором горит дуга. В таблице 3 приведены данные о катодном падении напряжения при различном материале катода.

 

Таблица 3 - Катодное падение напряжения при различных материалах катода

Материал катода	Среда	Пределы тока, а	Катодное падение, в
Медь Железо Уголь Натрий Ртуть Уголь	Воздух >> >> Вакуум >> Гелий	1-20 10-300 2-20 1-1000 -	8-9 8-12 9-11 4-5 7-10

 

В таблице 4 приведены потенциалы ионизации паров некоторых металлов и газов.

 

 

Таблица 4 - Потенциалы ионизации паров некоторых металлов и газов

Материал катода	Потенциал ионизации, в	Газ	Потенциал ионизации, в
Алюминий Натрий Медь Железо Ртуть Уголь Вольфрам	6,0 5,12 7,72 7,86 10,43 11,26 7,87	Водород Н1 Водород Н2 Кислород О1 Кислород О2 Азот N1 Азот N2 Гелий	13,60 15,4 13,62 12,5 14,55 15,8 24,5

 

Сравнение этих двух таблица показывает, что катодное падение напряжения почти всегда лежит между потенциалом ионизации паров металла катода и потенциалом ионизации газа, в котором горит дуга.

 

 

Цифры у кривых – значения p, am

Рисунок 7. Зависимость катодного падения напряжения U_k от тока I

 

U_k, Е_к, - катодное падение напряжения и катодный градиент: U_c, Е_с, - падение напряжения и градиент в стволе дуги: U_aH, E_aH - анодное падение напряжения и анодный градиент

Рисунок 8. Распределение напряжения U и градиента E вдоль дуги

 

Как показывают теория и опыт, катодное падение напряжения при очень малых токах зависит от тока, уменьшаясь с увеличением последнего. На рис. 6 приведенная зависимость катодного падения напряжения для дуги с вольфрамовым катодом от тока при разных давления. При токе свыше 10 а катодное падение напряжения стремится к величине 6,5в, независимо от давления.

Анодное падение напряжения имеет порядок нескольких воль. Обычно оно меньше катодного падения напряжения. Так как область анодного падения напряжения обычно больше области катодного падения напряжения, градиент в этой области значительного меньше, чем в области катодного падения. Схематически распределение градиента и напряжения вдоль длины дуги можно представить рис. 8.

Основным процессом в дуге является эмиссия электронов из катода. Различают два вида эмиссии электронов: термоэлектронную и автоэлектронную.

Термоэлектронная эмиссия:

Из электронной теории металлов известно, что в металле всегда имеется большое число свободных электронов, движущихся в разных направлениях между узлами кристаллической решетки. Когда какой – либо электрон приближается к поверхности металла, то он может вылететь в окружающее пространство, если скорость его достаточно велика. Но для этого он должен преодолеть силы притяжения со стороны положительных ионов, находящихся в металле. На преодоление этих сил должна быть затраченная работа, которая называется работой электрона, или, короче, работой выхода.

Работа выхода зависит от рода металла и для каждого металла она является характерной постоянной величиной, обычно выражаемой в электрон-вольтах (эВ). Наименьшей работой выхода обладают щелочноземельные металлы – цезий, барий и др. (таблица 5).

 

Таблица 5- Работа выхода металлов

Материал	Работа выхода, эВ	Материал	Работа выхода, эВ
Цезий	1,81	Серебро	4,45
Барий	2,52	Вольфрам	4,52
Цинк	4,28	Железо	4,77
Графит	4,34	Платина	5,32
Мель	4,40

 

Работа выхода уменьшается при наличии на поверхности металла адсорбированной пленки газа, диффундирующих на поверхность примесей некоторых других металлов, загрязнений и т.п.

 

Плотность тока термоэлектронной эмиссии б определяется по формуле.

(49)

Постоянная А, входящая в эту формулу, содержит только универсальные физические постоянные, а потому она одинакова для всех металлов и равна:

А=120,4

Следует указать, что измерения часто дают величины, значительно отличающиеся от теоретической. Это связанно с тем трудно учитываемым влиянием, которое оказывают на работу выхода адсорбированные пленки на поверхности металла и т.п.

Значение параметра b определяется равенством:

(50)

где коэффициент 1,602 • 10^-19 переводит работу выхода из электрон-вольт в джоули. Пользуясь этим равенством, можно получить следующие значения параметра b для разных материалов (таблица 6).

 

Таблица 6 – Параметр b для разных материалов

Материал	b•10-4	Материал	b•10-4
Цезий	2,1	Медь	5,1
Графит	5,04	Железо	5,54
Вольфрам	5,25	Платина	6,17

 

На рисунке 9 даны зависимости плотности термоэлектронного тока, выходящего из катода, для некоторых материалов с малой и большой работой выхода

 

1-Цезий; 2-Медь, φ=4,4 эв; 3- медь, φ-3,9 эв; 4-платина.

Рисунок 9. Зависимость плотности термоэлектронного тока δ

от температуры катода

 

Автоэлектронная эмиссия: Если в катодной области градиенты потенциала велики, то потенциальный барьер уменьшается и большее количество электронов может его преодолеть. При значениях напряженности поля порядка 10⁶-10⁷ в/см такая холодная (автоэлектронная, электростатическая) эмиссия становится заметной; плотность тока ее может быть подсчитана по эмпирическому выражению

(51)

где Е – напряженность поля у поверхности катода; А₂ и В₂ – постоянные для данного материала его.

При температурах до 1000°К эмиссия не зависит от температуры и определяется выражением (26). при более высоких температурах начинает проявляться термоэмиссия. В условиях большой напряженности поля и высокой температуры у катода наблюдается как термоэлектронная, так и автоэлектронная эмиссия и суммарная плотность тока эмиссии равна:

(52)

Постоянная А для чистых металлов равна 120,4 а/см² • град²; постоянные с и b изучены мало; по некоторым данным для железа с ≈ 0,01, для углерода b ≈ 465000, для железа b ≈ 37000, для вольфрама b = 52000.

В области анодного па­дения потенциала образуют­ся ионы, которые диффунди­руют через столб дуги к ка­тоду. В анодной обла­сти энергия направленного движения ионов, ускорен­ных вследствие анодного падения потенциала, перехо­дит в энергию теплового движения. И, наконец, в этой области происходит переход от сравнительно низкой температуры анода к значительно более высокой темпе­ратуре столба дуги. Металлические аноды, используемые в электриче­ских дуговых нагревателях, не эмитируют положитель­ных ионов. Поэтому в той части дуги, которая непо­средственно примыкает к аноду, протекание электричеcкого тока обеспечивается только электронами, что приводит к возникновению в этой области отрицатель­ного пространственного заряда. Этот нескомпенсированный заряд приводит к анодному падению потен­циала.

В дугах с малой силой тока и с анодом из метал­лов или их окислов анодное падение потенциала нахо­дится в пределах 3—12 В. С ростом силы тока анодное падение потенциала обычно уменьшается. Это явление связано с переходом от ионизации электронами, уско­ренными полем, к термической ионизации. При повы­шении силы тока с 50 до 200 А анодное падение по­тенциала в дугах с вольфрамовым катодом и медным водоохлаждаемым анодом, горящих в азоте, уменьша­ется с 17 до 2 В. Анодное падение потенциала в аргонной дуге зависит также от температуры плазмы и плотности тока на аноде.

В дугах, горящих в азоте или инертных газах, столб около анода сужается только при малой силе тока. Плотность тока при этом достигает значений порядка 10⁺ А/м². При силе тока выше 30 А сужения столба не наблюдалось. В азотных дугах плотность тока на аноде находится в пределах 5—6-10⁶ А/м², а в аргонных дугах она изменяется в зависимости от силы тока и длины дуги в пределах 2-10⁶—1 •10⁷ А/м².

При анализе энергетического баланса в области анодного падения потенциала следует учитывать элект­роны, ускоряемые в направлении к аноду, и ионы, ко­торые образуются при электронной или термической ионизации и движутся в направлении от анода к стол­бу дуги. Кинетическая энергия, получаемая зарядами при ускорении, расходуется на компенсацию потерь, которые в этой области выше, чем радиальные потери в столбике дуги. Подвижность электронов во много раз выше, чем ионов, и на каждые 1000 электронов, пада­ющих на анод, приходится лишь 1 ион, образовывается в анодной области. Вследствие этого энергия, израсхо­дованная на ионизацию, в энергетическом балансе этой области дуги играет незначительную роль. Мощ­ность. подводится к аноду потоком электронов, а так­же в результате излучения и теплопроводности столба электрической дуги. Эта мощность расходуется на пере­дачу тепла теплопроводностью к более холодным уча­сткам анода, на тепловое излучение, а у некоторых ти­пов дуг — на испарение материала анода.

 

Предложено ряд формул для анодной области дуги:

Протяженность анодной области: (Sa)

(53)

Направленность поля для анода I

(54)

где Та – средняя температура анодной области = K

Ta – температура анода К

Тс – температура столба = 800•Ui

∆T – Tc-Tk = 800•Ui – Tk

Tk = температура катода, К

Ui - потенциал ионизации газа, в котором горит дуга, Э-В

Yд – ток дуги, А.

М – атомный вес газа

а – коэффициент

ge – площадь сечения электрона, м².

 

Вопросы

1. Описать дуговой разряд.

2. Катодные явления.

3. Анодные явления.

 

 

Литература

1. Сисоян А.Г. Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия. 1974г.- 188с.

2. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.

3. Залесский А.М. Электрическая дуга отключения Л.: Энергия 1993г.- 226с.