4.2 Катодное падение потенциала и пороговый ток

Катодным падением потенциала U_к(КПП) называют наименьшее напряжение в катодной области дуги, которое, как известно, носит колебательный характер. Пороговым токомi_п(ПТ) называют ток, ниже которого дуга не зажигается.

Главной особенностью КПП является то, что их значения по порядку величины близки к потенциалу ионизации металла. То есть отношение U_к/U_iдля всех металлов находится в пределах 0,83.

Существует общая тенденция увеличения i_пс ростом температуры кипенияТ_к. Однако, если построить просто графикi_п(Т_к), то получается значительный разброс экспериментальных точек. Существует еще зависимостьi_п от теплопроводности. которая описывается уравнением

i_п= 0.5210^-3Т_к(), (4.1)

где имеет размерность калсм^-1с^-1С^-1,Т_ктемпература кипения в градусах Цельсия. Формула показывает, что в отличие от катодного падения пороговый ток дуги является функцией тепловых констант металла катода и совершенно не зависит от ионизационного потенциала металла

4.3. Сравнение катодных процессов искры и дуги

1. Дуга является завершающей стадией искры. Поэтому все методы возбуждения искры являются одновременно методами возбуждения вакуумной дуги. Они требуют возбуждения первичного эктона за счет микровзрыва на поверхности катода.

2. Оба процесса сопровождаются ионной эрозией. Например, для искры и дуги на медном катоде удельный унос массы в виде ионов составляет ~ 40 мкг/Кл Удельная эрозия проволочных катодов из Cu, Al и W при t_и= 10^-8-10^-6с сравнима по значению с удельной эрозией квазистационарных вакуумных дуг.

3. Плазма катодных факелов по своим параметрам сравнима с плазмой катодных пятен дуги. В непосредственной близости от эмиссионной зоны на катоде концентрация плазмы может достигать величины порядка 10²¹см^-3и более. Температура электронов в плазме дуги и искры по разным оценкам колеблется в пределах 2-4 эВ. В составе катодной плазмы присутствуют многозарядные ионы материала катода.

4. При умеренных значениях тока (10²А) плазма катодных факелов и катодная плазма вакуумной дуги расширяются от зоны эмиссии изотропно, причем скорость разлета плазмы обычно составляет величину порядка 10⁶см/с при дуговом и искровом разрядах. Полагается, что энергия, необходимая для разлета плазмы с такой скоростью, запасается в небольшой области, охватывающей эмиссионную зону на катоде и прилегающую к ней плазму, причем наибольшее энерговыделение происходит в плазме.

5. При взрывной эмиссии и большой скорости нарастания тока прикатодное падение потенциала не превышает нескольких десятков вольт, то есть сравнимо по величине с прикатодным падением в вакуумных дугах.

6. Для обоих явлений характерна высокая плотность тока в области катодной “привязки”. При искровом разряде плотность тока на катоде превышает 10⁸А/см²Плотность тока в пятне порядка 10⁸А/см²наблюдалась и в ряде экспериментов с импульсными и квазистационарными дугами.

7. Эрозионные следы на катоде при искре имеют вид кратеров микронных размеров с застывшими на брустверах микроостриями и характерной субструктурой. В принципе аналогичный вид имеют кратеры, оставляемые катодным пятном, что указывает на одинаковую природу их образования

8. В процессе функционирования катодного пятна дуги и искры катод покидают жидкие микрокапли со скоростью до 510⁴см/с, что указывает на существование высокого давления на катод в области эмиссионной зоны. Интересно, что удельное число капель для искровой и дуговой фаз составляет величину порядка 10⁷Кл^-1

9. Как при искре, так и при горении дуги установлен факт стимулирующего действия плазмы на процесс образования новых эмиссионных центров, приводящего к перемещению катодной “привязки” по поверхности катода.