Угольная дуга в свободном воздухе.

Это классический образец дугового разряда. Именно она была создана впервые и известна под названием вольтовой дуги. Угольную дугу с уме­ренным током зажигают, разводя соприкасающиеся сперва угольные элек­троды, сильноточную — при помощи вспомогательного анода. Дугой раз­ряд был назван потому, что при горизонтальном расположении электродов нагретый токовый канал изгибается, всплывая серединной частью под дей­ствием архимедовой силы. Угольная дуга в атмосфере принадлежит к типу дуг высокого давления с горячим катодом. На рис. 1.2, а представлена фотография дуги при вертикальном ее расположении, когда картина осесимметрична.

На рис. 1.3 показаны В АХ угольной дуги. Катодное падение составляет примерно 10В, анодное —1| В, в сумме 21В, остальная часть напряжения приходится на положительный столб. При расстоянии между электродами L > 0, 5—1 см напряжение горения повышается линейно с ростом Ь, что сви­детельствует о постоянстве продольного градиента потенциала в столбе. Например, при \—1 А поле в длинном однородном столбе Е = 22 В/см. При увеличении тока поле падает. При некоторой силе тока происходит скачко­образное уменьшение напряжения горения, ВАХ из падающей превраща­ется в почти горизонтальную и появляется характерное шипение. Звук вы­зывается интенсивным испарением анода в образующихся быстро переме­щающихся анодных пятнах, где велика плотность тока. Плазма столба в воздухе атмосферного давления равновесна. На рис. 1.2, б показано измеренное поле температур в сфотографированнойдуге; L=4, 6 см, i =200 А. В приосевой области Т ~ 10 000 К,

Рис. 1.2 Угольная дуга в воздухе при i =200 А:

а - теплеровская фотография;

б -измеренное поле температур

в максимуме вблизи катода - 12 000 К. Радиус высоконагретого, а следовательно, ионизированного и в основном проводящего элект­рический ток канала составляет примерно 0, 5 см; от катода к аноду канал несколько расширяется. Температура катода Т_к = 3500 К, анода - Т_а =4200 К (до «шипения»). На заостренном катоде дуга привязана к острию. При небольших токах / ~ 1—10 А плотность тока на катоде j_K - 470 А/см², на аноде j_a - 65 А/см². С увеличением токау_А- растет вплоть до j_K ~ 10³ А/см² при i ~ 400 А, но при дальнейшем росте тока не повышается — расширяется токовая площадь на катоде.

1. Дугой высокого давления обычно называют дугу, положительный столб которой квазиизотермичен, т. е. в каждой физически бесконечно i малой области столба температуры всех компонент плазмы почти одинаковы.

Квазиизотермичная плазма столба отличается от термодинамически равновесной тем, что различные участки столба могут иметь различные температуры, а кроме того,

Рис. 1. Фотография

пламенной угольной

дуги.

отсутствует равновесие между частицами и полем излучения. Через квазиизотермичную плазму дуги проходит стационарный поток энергии. Энергия поступает от внешнего электрического поля к заряженным частицам, дрейфующим в поле. Почти вся энергия сообщается электронам, а затем в соударениях передается тяжелым частицам. Уходит энергия из столба в результате излучения и теплопроводности, обусловленной существованием градиента температуры.

Чтобы существовала квазиизотермичная плазма, необходимы достаточно частые столкновения частиц между собой. Особенно важно, чтобы электроны часто сталкивались е тяжелыми частицами.

В квазиизотермичном состоянии энергия, которой частицы обмениваются между собой внутри физически бесконечно малого объема, должна быть значительно больше той, что поступает в этот объем или уходит из него. Возникновение ионизованных или возбужденных частиц в этом объеме должно почти полностью компенсироваться исчезновением их в том же объеме.

2. Распределение локальных характеристик дуги высокого давления в пространства. Положение дуги в пространстве и ее форма могут определяться стенками трубки, конфигурацией электродов, потоками окружающего газа. В каждом отдельном случае некоторые из этих факторов «стабилизируют» дугу в пространстве.

Во многих случаях дуга почти или вполне аксиально симметрична. В частности, дуга может быть аксиально симметричной при стабилизации ее стенками. В этом случае исследование и описание дуги в целом значительно облегчается. Теоретически обычно рассматриваются именно такие аксиально симметричные дуги.

Схематически основные части аксиально симметричной идеализированной дуги и распределение параметров вдоль ее оси представлены на рис. 2. На рис. 2, а дается диаметр дуги на всем протяжении от катода до анода. Диаметр дуги у электродов меньше, чем в столбе; при этом у катода дуга обычно стянута больше, чем у анода.
На рис. 2, б представлено распределение потенциала между электродами. У электродов имеются области резкого падения потенциала, обусловленные некомпенсированным пространственным зарядом. У катода эта область образуется электронами эмиссии и приходящими со стороны столба положительными ионами. У анода имеется избыток электронов, обусловленный тем, что ионы отталкиваются полем анода и не попадают в непосредственную близость к нему. Эта схема отнюдь не отражает многообразия возможностей в приэлектродных процессах, но может облегчить их рассмотрение.

Наконец, на рис. 2, в дано распределение токов электронов i_c и ионов i_p между электродами, В столбе отношение i_c/i_р определяется отношением подвижностеи электронов и ионов. Вблизи электродов это соотношение нару­шается. У катода большая доля тока приходится на ионы, ускоряющиеся в катодном падении потенциала. У анода, наоборот, возрастает роль электронной составляющей тока, часто весь ток переносится электронами.

Основная характеристика дуги высокого давления — температура - имеет сложное распределение в пространстве. При этом температура в заданной области дуги зависит от баланса энергий в этой области.

Пространственное распределение температуры вблизи электродов значительно отличается от распределения в столбе, так как температура электродов обычно много ниже, чем температура плазмы дуги, и дуга стянута вблизи электродов. Распределение температуры может остаться аксиально симметричным, но теряет цилиндрическую симметрию.

Рис. 2. Схематическое распределение вдоль аксиально симметричной дуги диаметра дуги (а), потенциала (б), токов ионов и электронов (в). Uk1, Ua1 и Uk2, Ua2 – падение потенциала в областях пространственного заряда и контракции у катода и анода; Uk и Uа – полные падения потенциалов вблизи электродов.

3. Типичные дуги высокого давления.

На поведение и свойства дуг высокого давления оказывают влияние множество различных факторов. Сюда следует отнести род и давление газа, в котором горит дуга, конфигурацию и свойства электродов. Особенно важны их эмиссионные свойства и температуры плавления. Решающее значение для поведения дуги имеет вид ее стабилизации, величина тока дуги, силовые поля и т.д.