Явления на катоде

Вблизи катода дуги высокого давления имеет место сложная совокупность процессов, в результате которой ток из относительно холодного тела катода проходит в горячую плазму. Ток в катодной области дугиможет переноситься электронами эмиссии и ионами, приходящими в катодную область со стороны положительного столба.

В катодном падении потенциала ускоряются ионы на пути к катоду и электроны, уходящие в сторону положительного столба. Ускоренные в катодном падении электроны могут производить усиленную по сравнению со столбом ионизацию. Доля переносимого ионами тока в области катодного падения может быть больше, чем в столбе.

Катод получает энергию следующими путями. Ионы, приходящие на катод, приносят свою кинетическую энергию ж энергию нейтрализации. Если нейтрализованные ионы (атомы) отражаются от катода, то кинетическая энергия и часть энергии нейтрализации может идти на нагревание плазмы вблизи катода. Энергия поступает на катод из плазмы благодаря теплопроводности и излучению. Наконец, на катоде выделяется джоулево тепло и энергия химических реакций.

Полученная катодом энергия идет на компенсацию работы выхода элек­тронов, тепло уходит к более холодным частям электрода и окружающего газа; если катод достаточно горяч, он интенсивно излучает. Часть энергии может идти на испарение катода и диссоциацию молекулярных газов. Наиболее важными для поддержания тока в дуге являются затраты энергии на работу выхода электронов из катода.

Строение катодных областей дуг высокого давления бывает различным, наблюдаются три типа катодных областей, отличающихся характером сужения токового шнура.

1) При достаточно малых токах на тугоплавких катодах (вольфрам и уголь) образуется стационарное во времени и пространстве ярко светящееся сужение токового шнура, примыкающее непосредственно к поверхности катода - пятно.

2) При увеличении тока до некоторого критического значения токовый шнур у катода скачком расширяется, пятно исчезает, появляется темное пространство у катода, а температура катода возрастает. Падение потенциала при этом практически не меняется. При уменьшении тока наблюдается обратный переход, но при меньшей силе тока. Величина критического тока зависит от многих условий. Например, если катод расположен вверху в вертикально горящей дуге, критический ток меньше, чем при расположении катода внизу. Это значит, что температура катода в этом режиме определяет характер катодных явлений.

3) На катодах из легкоплавких металлов и при низких давлениях имеется нестационарное катодное пятно.

Явления на аноде

Если анод не эмитирует положительных ионов, то в непосредственной близости к нему ток переносится только электронами. Положительные ионы, образованные ударами электронов об атомы, уходят под действием электрического поля в сторону катода и участвуют в переносе тока в более отдаленных от анода областях. У анода образуется область отрицательного объемного заряда.

В балансе электронов вблизи анода, помимо элементарных процессов, имеющих место в столбе дуги, существен уход электронов на анод. Этот уход не полностью компенсируется приходящими из столба электронами, так как электроны переносят в столбе часть тока, а у анода весь ток. Уход ионов в столб тоже не уравновешивается приходом со стороны неэмиттирующего анода. Это значит, что у анода должна происходить усиленная ионизация газа. Энергия, получаемая заряженными частицами от электрического поля в анодной области, тратится на ионизацию, излучение и теплоотвод, как в радиальном направлении, так и в сторону анода. Величина напряженности электрического поля устанавливается такой, что компенсируются потери энергии и заряженных частиц.

Анод нагревается излучением и потоками тепла из плазмы, а также электронами, приносящими свою кинетическую энергию и работу выхода. Вследствие такого прогрева анод может сам интенсивно излучать. Кроме того, может происходить испарение и плавление анода.

В анодной области ток может быть контрагирован, но обычно в меньшей мере, чем у катода. Имеется область пространственного заряда с падением потенциала U_aI и переходная область от столба к облаете про­странственного заряда. В переходной области можно считать выполненным условие квазинейтральности, но падение напряжения в ней U_а2 больше, чем в участке столба той же длины. В анодных областях дуг высокого давления экспериментально определяют плотность тока, падение потенциала, температуру плазмы вблизи анода и температуру анода. Методы экспериментального исследования здесь такие же, как при изучении катодной области тока.

На анодах дуг высокого давления в некоторых условиях возникают анодные ярко светящиеся пятна. Их обследуют при помощи фото- и киносъемки.

Наиболее полно исследованы анодные области дуг высокого давления с угольными электродами в воздухе.