Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 55. Дуговой разряд
Явление электрической дуги было открыто в 1802 г. профессо ром физики в Петербурге В. В. Петровым. Некоторые сведения об электрической дуге сообщены в § 33.
Электрическая дуга образуется при большой плотности разряд ного тока и при катодном падении потенциала всего в два-три де сятка вольт. В обычных условиях дуговой разряд поддерживается эмиссией электронов с по верхности накалённого уда рами ионов катода (это бы ло установлено в 1905 г. акад. В. Ф. Миткевичем). Наряду с термоэлектронной эмиссией электропровод ность дуги вследствие вы сокой температуры поддер живается термической иони зацией. Во многих других отношениях дуговой разряд имеет много общего с тлеющим разрядом, в осо бенности если дуга заж жена при относительно низ ком давлении (и, как свой ственно дуге, при большой плотности тока). Вид дуги при низком давлении показан на рис. 210.
Рис. 210. Дуговой разряд при пониженном давлении.
При больших давлениях положительный столб дуги имеет вид более или менее тонкого ярко светящегося шнура. На рис, 211 показаны характерный вид дуги и зоны разряда при нормальном давлении.
Рис. 211. Дуга при нормальном дав лении.
В случае дуги разряд на катоде сосредоточен в небольшом свет лом катодном пятне. При атмосферном давлении плотность разрядного тока у катодного пятна для угольного катода равна 470 а/см2, для железного катода 7200 а/см2, для дуги с ртутными электродами 4000 а/см2. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде, наоборот, образуется углубление — положительный кратер дуги. В зоне положительного свечения температура газа для дуги при атмосферном давлении дости гает 6000°К. Для дуги при дав лении в десятки и сотни атмо сфер температура газа в отшнурованном положительном столбе дуги доходит до 10000°. Темпе ратура положительного кратера и катодного пятна существенно ниже. Так, при атмосферном дав лении температура накалённой поверхности анода для угольного и вольфрамового анода равна при мерно 4200° К, а температура катодного пятна 2000—3000°. То обстоятельство, что катод имеет меньшую температуру, чем анод, объясняется, во-первых, тем, что катод бомбардируется преиму щественно электронами, а анод — более массивными ионами, и, во-вторых, тем, что часть энер гии, доставляемой при разряде катоду, расходуется на термо электронную эмиссию.
При увеличении величины то ка электропроводность дуги сильно возрастает, так как уси ливаются термоэлектронная эмиссия и термоионизация. Сопротивление между углями дуги убывает при увеличении тока приблизительно по закону
R=a/I+b/I2 Для дуги между металлическими электродами показатель степени во втором члене отличен от 2 и неодинаков для разных металлов.
Влияние пространственных зарядов в дуге проявляется в возни кновении существенной (порядка 10 вольт) обратной электродвижу щей силы Uоб, которая должна быть преодолена напряжением U, приложенным к электродам:
U=Uоб+ IR. В итоге при увеличении тока разность потенциалов на электродах уменьшается; так, для дуги между углями .U=(a+Uоб)+b/I.
Получается характерная для дуги падающая вольт-амперная характеристика (рис. 212).
Рис. 212. Вольт-амперная характери стика дуги при различных расстоя ниях между электродами.
При увеличении тока до некоторой критической величины разность потен циалов на электродах резко падает, примерно на 10 вольт, и горение дуги делается неспокойным (дуга начинает шипеть). Чем больше расстояние между электродами, тем больше должно быть напряже ние, поданное на электроды дуги, и тем выше расположена вольт-амперная характеристика.
Если вследствие случайного охлаждения газоразрядного про межутка величина тока в дуге падает, то, как ясно из сказанного выше, напряжение на электродах должно быть увеличено, иначе дуга гаснет (сближением электродов можно, конечно, поддержать горение дуги, пока катод не остыл). Чтобы обеспечить устойчивое горение дуги, во внешнюю цепь последовательно с дугой вводят сопротивле ние реостата («успокоительное» сопротивление). При случайном уменьшении тока в дуге падение напряжения на успокоительном со противлении тоже уменьшается, а стало быть, при неизменности под ведённого напряжения соответственно увеличивается та часть его, которая приходится на долю дуги.
Электрическая дуга имеет разнообразное применение. О приме нении её для электросварки сказано в § 33. При использовании дуги для освещения угли изготовляют с каналом, высверленным по оси и набитым в виде фитиля солями металлов, пар которых повышает светоотдачу пламени дуги (фитильные угли). Подобные, так назы ваемые пламенные дуги потребляют около 0,2 ватта на свечу вместо 1 ватта, как обыкновенные дуги с чистыми углями. При использо вании дуг в прожекторах применяют ток в сотни ампер; получае мый при этом свет дуги в сотни тысяч свечей концентрируется про жектором до миллиардов свечей.
Широкое распространение имеют ртутные дуговые лампы с ртут ными же электродами в кварцевых баллонах — «искусственное горное солнце» (рис. 213).
Рис. 213. Ртутная дуговая лампа.
Для зажигания такой лампы её наклоняют; струйка ртути соединяет электроды, и при повороте лампы к верти кальному положению в месте разрыва струйки образуется дуга.
В настоящее время дуговой разряд широко применяется в лам пах «сверхвысокого» давления (лампы СВД). Эти лампы представляют собой толстостенные шарообразные кварцевые колбы со впаянными в них вольфрамовыми электродами (рис. 214).
Рис. 214. Лампа СВД.
Зажигание лампы производится от источника высокого напряжения при помощи третьего электрода. Дуговой разряд осу ществляется в парах ртути при давлении около 100 атмосфер или же лампы наполняют инерт ным газом (неоном, аргоном, крип тоном, ксеноном) при давлении порядка 20 атмосфер.
В химических производствах широкое применение имеют дуго вые электрические печи, в кото рых нагревание дуговым разрядом сочетается с нагреванием током проводимости. Эти печи служат для плавления реагирующих ве ществ и в то же время для осуще ствления реакции при высокой тем пературе. Так получают, напри мер, миллионы тонн карбида каль ция СаС2 из извести и кокса. (При воздействии воды на карбид кальция образуется ацетилен, который используется для автогенной сварки, для синтеза органических со единений, для переработки в цианид кальция CaCN2, служащий удо брением, и т. д.) В химической промышленности дугу используют также для осуществления ряда реакций; например, был разработан и применялся способ получения окиси азота из воздуха (по уравне нию N2+O22NO) с последующим окислением до NO2 в целях производства азотной кислоты. Имеется способ обработки бензина в газовом разряде для повышения его горючих свойств. В газовой смеси водорода и азота разряд (в особенности тлеющий) приводит к образованию аммиака NH3. Тихий разряд применяют для выра ботки озона из кислорода и т. д.
В электротехнике дуговой разряд используют в приборах, служа щих для выпрямления тока, например в ртутных выпрямителях.