4.11.2 Область анодного падения напряжения.

В дуговом разряде анод служит приемником потока электронов, идущего из ствола дуги. Под действием бомбардировки электронов поверхность анода разогревается до высоких температур и с нее вследствие термоэлектронной эмиссии выделяются электроны. Однако эти электроны под действием электрического поля возвращаются к аноду. На аноде не происходит выделения положительных ионов, а образовавшиеся вблизи анода положительные ионы уходят в ствол дуги. Поэтому около анода образуется избыток электронов, т. е. возникает отрицательный объемный заряд, создающий анодное падение напряжения 5—10 В. Зона анодного падения напряжения по протяженности превосходит область катодного падения напряжения. Роль анода в дуговом разряде является пассивной.

Поверхность анода, воспринимающая электроны, приходящие из ствола дуги, называется анодным пятном. Плотности тока на анодном пятне обычно в несколько раз меньше, чем на катодном, и во многом зависят от условий передачи тепла в глубь анода. На анодах из металла с хорошей теплопроводностью, например из меди, плотность тока будет больше. В среднем она лежит в пределах от 103 до 5· 104 А/см2 в зависимости от материала анода и значения тока. При переходе ствола дуги к анодному пятну может иметь место некоторое сужение ствола дуги.

Высокая температура анодного пятна несущественна для образования и существования дуги. Она является лишь следствием процессов, сопровождающих этот вид дугового разряда.

Анодное пятно перемещается по поверхности анода скачкообразно.

4.11.3 Ствол дуги

Ствол дуги условно можно рассматривать как цилиндрическую область сильно ионизированного газа, в котором имеет место почти точное равенство плотностей положительно и отрицательно заряженных частиц. Ствол дуги является каналом, связывающим электроды. Его длина определяется расстоянием между электродами и другими факторами.

Под влиянием напряжения, приложенного к электродам, положительные ионы и электроны движутся в стволе дуги в противоположных направлениях, образуя ток в дуге. Вследствие значительно более высокой подвижности электронов (примерно в 1000 раз), чем ионов, практически весь ток создается электронами.

При высоких температурах порядка 15 000 К и более в проведении тока начинают принимать все большее участие положительные ионы, подвижность которых в этом случае может достигать 20—30 % подвижности электронов. Отсутствие в стволе дуги нескомпенсированных объемных зарядов определяет линейный характер распределения напряжения в ней. С этой точки зрения ствол дуги подобен металлическому проводнику. Разница между ними заключается в том, что проводник имеет определенную геометрическую форму, не зависящую от тока, условий охлаждения и других факторов, в то время как форма и размеры ствола дуги сильно зависят от тока, его рода, условий охлаждения, посторонних электрических воздействий. Кроме того, проводник всегда сохраняет свои электрические свойства, а ствол дуги сохраняет свои свойства только лишь при непрерывном подводе к нему энергии.

Плотность тока в стволе дуги (А/см2)

, (4.13)

а проводимость столба дуги (См/см)

, (4.14)

где Е ‑ напряженность электрического поля, В/см; е ‑ заряд электрона, Кл; n_э ‑ плотность электронов (число электронов в 1 см3 ), 1/см3, b_э ‑ подвижность электронов, см2/(В·с); b_и ‑ подвижность ионов, см2/(В·с) .

Ионизация в стволе дуги поддерживается мощностью, выделяющейся в дуге. Основным видом ионизации в стволе дуги является термическая ионизация. Ударная ионизация может оказать существенное влияние на ионизацию только в самом начале процесса восстановления напряжения. Одновременно с ионизацией в стволе дуги непрерывно происходит и его деионизация.

Отвод энергии от ствола дуги при ее гашении должен превышать энергию, выделяемую в дуге током. В дуге выделяется большая мощность, равная N = IE . Отвод энергии от ствола дуги осуществляется тепловым излучением, теплопроводностью и турбулентной конвекцией

Тепловым излучением от ствола дуги отводится сравнительно небольшая часть энергии, выделяющей в ней. В коротких дугах и в мощных длинных дугах присутствие в стволе дуги паров металла электродов несколько увеличивает теплоотвод посредством излучения.

Теплопроводностью и турбулентной конвекцией отводится основная часть энергии, выделяющейся в дуге. Передача тепла от ствола дуги в окружающую среду посредством теплопроводности в сильной степени зависит от температуры газа.

Теплопроводность газа в сильной степени зависит от температуры (рис. 4.2). Процессы диссоциации, ионизации и деионизации, происходящие при больших температурах, существенно увеличивают теплопроводность. Поэтому в кривых λ = f(Θ) наблюдаются максимумы теплопроводности. В воздухе (азоте) этот максимум наблюдается при температуре около 7000 К, а в элегазе вследствие более слабых внутримолекулярных связей — около 2100 К. За максимумом следует крутой спад теплопроводности вследствие завершения процесса диссоциации, а затем ее новый подъем. Теплопроводность газа зависит также и от давления, уменьшаясь с увеличением последнего. Однако характер кривых остается таким же, как на рис. 4.2, только максимумы уменьшаются и сдвигаются в сторону больших температур.