Зажигание дуги

Методическое пособие по лабораторной работе

Угольная дуга

По дисциплине «Плазменные и плазмохимические методы получения наноматериалов»

Казань - 2012

Лабораторная работа «Угольная дуга».

Цель работы: Зажигание дуги, изучение дугового разряда, снятие вольт-амперных характеристик.

Теоретическая часть

Дуговыми называют разряды, как правило, самоподдерживающиеся, в которых катодное падение потенциала имеет относительно низкую величину порядка потенциалов ионизации или возбуждения атомов, т.е. порядка 10 эВ. Этим дуговой разряд отличается от тлеющего, у которого катодное падение составляет сотни вольт.

Дуговым разрядам свойственны большие токи (i ~1 – 10⁵ А), намного превышающего типичные точки в тлеющих разрядах (i~ 10^-4 - 10^-1 A). Велики по сравнению с тлеющим разрядом плотности тока на катоде. В одних формах дуг они составляют j_k ~ 10² – 10⁴ А/см² в других – j_А^- ~10⁴ – 10⁷ А/см² . Напряжения горения дуг чаще всего низкие. В коротких дугах они не превышают 20-30 В, в некоторых формах – всего несколько вольт. Вольтамперные характеристики дуг во многих случаях падающие, но не всегда. Катоды дуг либо целиком, либо местами и кратковременно получают от тока много энергии и обладают высокой температурой. Они разрушаются с уносом материала (эрозией) и испаряются. Если спектр излучения прикатодной области тлеющего разряда совпадает со спектром газа, в котором происходит разряд, то в спектре дуг присутствуют линии паров материала электродов. Вакуумные дуги вообще горят в парах испаренного металла. Что касается состояния плазмы положительного стола – области между приэлектродными слоями, - то наряду с равновесными дугами сплошь и рядом бывают неравновесные. Это зависит от давления газа. Можно сказать, что равновесность плазмы в разряде постоянного тока характерна только для дуги, а неравновесность свойственна и тлеющему разряду, и дуговому, когда последний происходит при низком давлении.

Зажигание дуги

Способы инициирования. Дугу проще всего зажечь, приводя в контакт, а потом разъединяя электроды, подключенные к соответствующему источнику питания, который в состоянии дать достаточно сильный ток. В момент короткого замыкания электроды в месте контакта сильно раскаляются, частично испаряются, дают эмиссию и в момент разведения в парах, которые обычно ионизируются легче, зажигается дуга. Потом пары замещаются газом, если таковой присутствует.

Для зажигания сильноточных дуг применяют вспомогательный анод, который вставляется между основными электродами так, чтобы он касался катода, а после подачи напряжения быстро удалялся. Когда облако образующихся в момент короткого замыкания ионизированных паров достигает основного анода, зажигается дуга.

Можно прямо подавать на находящиеся на своих местах электроды высокое напряжение, достаточное для пробоя газа в промежутке. При этом источник питания и внешняя цепь должны допускать горение дугового разряда в соответствии с общей ВАХ, и нагрузочной прямой. Напряжения обычной сети 220 В бывает достаточно для зажигания таким способом дуг низкого давления и ртутных ламп. Высокое давление в последних возникает постепенно по мере испарения ртути, а вначале зажигается тлеющий разряд, который по мере разогрева катода переходит в дуговой.

Переход из тлеющего разряда в дуговой. Переход при постепенном увеличении тока вызывается разогревом катода, благодаря все возрастающей плотности тока в аномальном тлеющем разряде. В какой-то стадии начинается термоэлектронная эмиссия. В случае тугоплавких (термоэмиссионных) катодов переход происходит более или менее плавно. Если катод сделан из легкоплавкого металла, который ведет себя в дуге как «холодный», происходит резкий срыв тлеющего разряда в дугу с мгновенным возникновением катодных пятен. Это случается при меньших токах (i ~ 0, 1-1А), чем в случае термоэмиссионных катодов (i ~10А_.

На рис. 1.1 показана ВАХ разряда в ксеноновой лампе (р=5 атм) в стадии перехода. Тлеющий разряд при столь высоком давлении стабилизировался при помощи дополнительного большого внешнего сопротивления. При токах i ~ 10^-2 – 10^-1 А горит аномальный тлеющий разряд. При i ~ 0, 1 – 0, 2 А он теряет стабильность и срывается в дугу. Напряжение на электродах при этом резко падает, а ток возрастает. Один и тот же разрядный ток i~ 0, 2 А в переходной неустойчивой области требует напряжения 250 В, если механизмом его поддержания является вторичная эмиссия с размножением электронов в катодном падении, и лишь 70 В, если действуют дуговые механизмы эмиссии. Последнее «выгоднее», поэтому и происходит самопроизвольный срыв в дугу – наглядный пример действия неустойчивости.

Рис.1.1 ВАХ в ксеноновой лампе в области перехода от тлеющего разряда в дуговой.

Кратковременное прерывание тока. Дуги с горячим и холодным катодами ведут себя совершенно по-разному при прерывании тока. В первом случае разряд восстанавливается без сближения электродов после сравнительно долгого перерыва, в случае угольных электродов – до 1 с. Во втором – даже очень кратковременный перерыв производит необратимый эффект. Дуга с медными электродами не восстанавливается уже через 10^-3 с, а с ртутным катодом – при перерыве 10^-8 с.