Дуговой разряд. Самостоятельный дуговой разряд (низких, средних и высоких давлений)

Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет, и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 0,3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 г. русским инженером-изобретателем Павлом Николаевичем Яблочковым (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света».

Хотя в широкой практике дуговые лампы в настоящее время почти полностью вытеснены лампами накаливания (§ 62), тем не менее в ряде случаев, где требуются очень мощные и яркие источники света, например в прожекторах, при киносъемке и т. п., дуговые лампы применяются очень часто.

Электрическая дуга применяется для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). Возможность такого применения дуги была также указана В. В. Петровым и впервые разработана русскими изобретателями Н. Н. Бенардосом (1885 г.) и Н. Г. Славяновым (1890 г.). Свариваемые детали служат положительным электродом; касаясь их углем, соединенным с отрицательным полюсом источника тока, получают между телами и углем дугу, плавящую металл. При этом лицо сварщика, а в особенности глаза, должно быть закрыто толстым стеклом, так как в противном случае невидимое, так называемое ультрафиолетовое излучение, обильно испускаемое дугой, вызывает тяжелое заболевание глаз и кожи. Стекло же не пропускает ультрафиолетовое излучение.

В настоящее время электрическую дугу широко применяют также в промышленных электропечах. В мировой промышленности около 90 % инструментальной стали и почти все специальные стали выплавляются в электрических печах. Многие из таких печей построены по типу дуговых (рис. 161).

Рис. 161. Дуговая плавильная печь: 1 – электроды, 2 – расплавленный металл, 3 – подводка тока

Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат невидимыми ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко применяют при лечении разнообразных болезней («искусственное горное солнце»), а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения. Свет ртутной лампы также чрезвычайно вреден для глаз.

ДУГОВОЙ РАЗРЯД, самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 0,01-1 Па (10-4-10-2 мм ртутного столба), при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103 Гц) разности потенциалов между электродами. Для дугового разряда характерны высокая плотность тока на катоде (102-108 А/см 2) и низкое катодное падение потенциала, не превышающее эффективный потенциал ионизации среды в разрядном промежутке. Впервые дуговой разряд между двумя угольными электродами в воздухе наблюдали в 1802 году В. В. Петров и независимо от него в 1808 Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда при горизонтальном расположении электродов под действием конвективных потоков изогнут дугообразно, отсюда и названия - дуговой разряд, электрическая дуга.

Для большинства дуговых разрядов при большой плотности тока на катоде возникает малое очень яркое пятно, перемещающееся по всей поверхности катода. Температура в пятне может достигать температуры кипения (или возгонки) материала катода. Значительная роль в механизме поддержания тока дугового разряда играет термоэлектронная эмиссия. Над катодным пятном образуется слой положительного объёмного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул газа. Поскольку этот слой очень тонкий (меньше длины свободного пробега электрона), он создаёт высокую напряжённость поля у поверхности катода, особенно у микронеоднородностей, поэтому существенными оказываются и автоэлектронная эмиссия, и термоавтоэлектронная эмиссия. Высокая плотность тока и «перескоки» пятна с точки на точку создают условия для взрывной электронной эмиссии.

От зоны катодного падения потенциала до анода расположен так называемый положительный столб. На аноде обычно формируется яркое анодное пятно, в котором температура поверхности почти такая же, как и в катодном. В некоторых видах дугового разряда при токах в десятки ампер на катоде и аноде возникают факелы в виде плазменных струй, вылетающих с большой скоростью перпендикулярно поверхности электродов. При токах 100-300 А возникают добавочные факелы, образуя пучок плазменных струй. Нагретый до высокой температуры и ионизованный газ в столбе представляет собой плазму. Электропроводность плазмы может быть очень высокой, но обычно она на несколько порядков ниже электропроводности металлов.

При концентрации заряженных частиц более 10 18 см -3 состояние плазмы иногда можно считать близким к равновесному. При меньших плотностях, вплоть до 10 15 см -3 , может возникнуть состояние локального термодинамического равновесия (ЛТР), когда в каждой точке плазмы все статистические распределения близки к равновесным при одном значении температуры, которая различна в разных точках. Исключение в этом случае составляет лишь излучение плазмы: оно далеко от равновесного и определяется составом плазмы и скоростями радиационных процессов. При ограниченных размерах столба дугового разряда даже в плотной плазме на оси столба состояние ЛТР нарушается за счёт радиационных потерь. Это выражается в сильном отклонении состава плазмы и населённостей возбуждённых уровней от их равновесных значений. Кинетика плазмы в столбе дугового разряда при высоких плотностях определяется в основном процессами соударений, а по мере снижения плотности (удаления от оси) всё большую роль играют радиационные процессы.

Диаметр столба дугового разряда определяется условиями баланса возникающей и теряемой энергии. С ростом тока или давления меняются механизмы потерь, обусловленные теплопроводностью газа, амбиполярной диффузией, радиационными процессами и др. При таких сменах может происходить самосжатие (контракция) столба (смотри Контрагированный разряд).

В зависимости от условий горения дугового разряда его параметры меняются в широких пределах. Классический пример дугового разряда - разряд постоянного тока, свободно горящий в воздухе между угольными электродами. Его типичные параметры: ток от 1 А до сотен ампер, расстояние между электродами от миллиметров до нескольких сантиметров, температура плазмы около 7000 К, температура анодного пятна около 3900 К.

Дуговой разряд применяется как лабораторный источник света и в технике (дуговые угольные лампы). Дуговой разряд с угольным анодом, просверлённым и заполненным исследуемыми веществами, используется в спектральном анализе руд, минералов, солей и т.п. Дуговой разряд применяется в плазмотронах, дуговых печах для выплавки металлов, при электросварке, в различных электронных и осветительных приборах. Так называемая вакуумная дуга, которая зажигается в вакууме и горит в парах металла, испарившегося с катода, используется в вакуумных высоковольтных выключателях.

Лит.: Кесаев И. Г. Катодные процессы электрической дуги. М., 1968; Грановский В. Л. Электрический ток в газе. М., 1971; Райзер Ю. П. Физика газового разряда. 2-е изд. М., 1992.

Электрическая дуга образуется при большой плотности разрядного тока и при катодном падении потенциала всего в два-три десятка вольт. В обычных условиях дуговой разряд поддерживается эмиссией электронов с поверхности накаленного ударами ионов катода (это было установлено в 1905 г. акад. В. Ф. Миткевичем). Наряду с термоэлектронной эмиссией электропроводность дуги вследствие высокой температуры поддерживается термической ионизацией.

Рис. 169. Дуговой разряд при пониженном давлении.

Рис. 170. Дуга при нормальном давлении.

Во многих других отношениях дуговой разряд имеет много общего с тлеющим разрядом, в особенности если дуга зажжена при относительно низком давлении (и, как свойственно дуге, при большой плотности тока). Вид дуги при низком давлении показан на рис. 169, При больших давлениях положительный столб дуги имеет вид более или менее тонкого ярко светящегося шнура. На рис. 170 показаны характерный вид дуги и зоны разряда при нормальном давлении.

В случае дуги разряд на катоде сосредоточен в небольшом светлом катодном пятне. При атмосферном давлении плотность разрядного тока у катодного пятна для угольного катода равна ,

для железного катода , для дуги с ртутными электродами 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 достигает 6000° К. Для дуги при давлении в десятки и сотни атмосфер температура газа - в отшнурозанном положительном столбе дуги доходит до 10 000°. Температура положительного кратера и катоднрго пятна существенно ниже. Так, при атмосферном давлении температура накаленной поверхности анода для угольного и вольфрамового анода равна примерно 4200° К, а температура катодного пятна 2000-3000°. То обстоятельство, что катод имеет меньшую температуру, чем анод, объясняется, во-первых, тем, что анод бомбардируется преимущественно электронами, катод - ионами, которые имеют меньший свободный пробег и соответственно меньшую энергию, и, во-вторых, тем, что часть энергии, доставляемой при разряде катоду, расходуется на термоэлектронную эмиссию.

Рис. 171. Вольт-амперная характеристика дуги при различных расстояниях между электродами.

При увеличении величины тока электропроводность дуги сильно возрастает, так как усиливаются термоэлектронная эмиссия и термоионизация. Сопротивление между углями дуги убывает при увеличении тока приблизительно по закону 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 возникновении существенной (порядка 10 в) обратной электродвижущей силы которая должна быть преодолена напряжением приложенным к электродам:

В итоге при увеличении тока разность потенциалов на электродах уменьшается; так, для дуги между углями

Получается характерная для дуги падающая вольт-ампернач характеристика (рис. 171). При увеличении тока до некоторой

критической величины разность потенциалов на электродах резко падает, примерно на 10 в, и горение дуги делается неспокойным (дуга начинает шипеть). Чем больше расстояние между электродами, тем больше должно быть напряжение, поданное на электроды дуги, и тем выше расположена вольт-амперная характеристика.

Если вследствие случайного охлаждения газоразрядного промежутка 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 сопротивление реостата («успокоительное» сопротивление). При случайном уменьшении тока в дуге падение напряжения на успокоительном сопротивлении тоже уменьшается, а стало быть, при неизменности подведенного напряжения соответственно увеличивается та часть, его, которая приходится на долю дуги.

Рис. 172. Ртутная дуговая лампа.

Рис. 173. Лампа СВД,

Электрическая дуга имеет разнообразное применение. О применении ее для электросварки сказано в § 27. 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 называемые пламенные дуги потребляют около на свечу вместо как обыкновенные дуги с чистыми углями. При использовании дуг в прожекторах применяют ток в сотни амперов; получаемый при этом свет дуги в сотни тысяч свечей концентрируется прожектором до миллиардов свечей.

Широкое распространение имеют ртутные дуговые лампы с ртутными же электродами в кварцевых баллонах - «искусственное горное солнце» (рис. 172). Для зажигания такой лампы ее наклоняют; струйка ртути соединяет электроды, и при повороте лампы к вертикальному положению в месте разрыва струйки образуется дуга.

В настоящее время дуговой разряд широко применяется в лампах «сверхвысокого» давления (лампы СВД). Эти лампы представляют собой толстостенные шарообразные кварцевые колбы со впаянными в них вольфрамовыми электродами (рис. 173). Зажигание лампы производится от источника высокого напряжения при помощи третьего электрода. Дуговой разряд осуществляется в парах ртути при давлении около 100 атмосфер или же лампы наполняют инертным газом (неоном, аргоном, криптоном, ксеноном) при давлении порядка 20 атмосфер.

В химических производствах широкое применение имеют дугозые электрические печи, в которых нагревание дуговым разрядом сочетается с нагреванием током проводимости. Эти печи служат для плавления реагирующих веществ

и в то же время для осуществления реакции при высокой температуре. Так получают, например, миллионы тонн карбида кальция из извести и кокса. (При воздействии воды на карбид кальция образуется ацетилен, который используется для автогенной сварки, для синтеза органических соединений, для переработки в цианид кальция служащий удобрением, 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 уравнению с последующим окислением до 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 Тихий разряд применяют для выработки озона из кислорода и т. д.

В электротехнике дуговой разряд используют в приборах, служащих для выпрямления тока, например в ртутных выпрямителях.

Виды газового разряда и их применение. Понятие о плазме.

Отделение:

Бухгалтерского учета и права

Специальность:

Правоведение

Группа:

Составила:

Евтихевич А. А.

Преподаватель:

Орловская Г. В.

2011 год
Содержание:

Страница 1: Газовый разряд

Применение газового разряда

Страница 2: Искровой разряд

Коронный разряд

Страница 3: Применение коронного разряда

Страница 4: Дуговой разряд

Страница 5: Применение дугового разряда

Тлеющий разряд

Страница 6-7: Плазма

Страница 8: Литература

Га́зовый разря́д - совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счёт столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц, поскольку в процессе ионизации образуются новые электроны, которые тоже после ускорения начинают участвовать в соударениях с атомами, вызывая их ионизацию. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов.

Если для существования газового разряда необходима дополнительная ионизация за счёт внешних источников (например, при помощи ионизирующих излучений), то газовый разряд называется несамостоятельным (такие разряды используются в счётчиках Гейгера).

Для осуществления газового разряда применяют как постоянные во времени, так и переменные электрические поля.

В зависимости от условий, при которых происходит образование носителей заряда (давление газа, напряжение, приложенное к электродам, форма и температура электродов), различают несколько типов самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный, дуговой.

Применения газового разряда

• Дуговой разряд для сварки и освещения.
• Сверхвысокочастотный разряд.
• Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах.
• Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания.
• Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций.
• Плазмотроны для резки и сварки.
• Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т. д.

• в счётчике Гейгера,
• в ионизационных вакуумметрах,
• в тиратронах,
• в крайтронах,
• в гейслеровой трубке.

Искровой разряд . Присоединим шаровые электроды к батарее конденсаторов и начнем заряжать конденсаторы при помощи электрической машины. По мере заряжения конденсаторов будет увеличиваться разность потенциалов между электродами, а следовательно, будет увеличиваться напряженность поля в газе. Пока напряженность поля невелика, в газе нельзя заметить никаких изменений. Однако при достаточной напряженности поля (около 30000 в/см) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и внезапно расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск. Конденсаторы в этой установке добавлены для того, чтобы сделать искру более мощной и, следовательно, более эффектной.
Описанная форма газового разряда носит название искрового разряда, или искрового пробоя газа. При наступлении искрового разряда газ внезапно, скачком, утрачивает свои изолирующие свойства и становится хорошим проводником. Напряженность поля, при которой наступает искровой пробой газа, имеет различное значение у разных газов и зависит от их состояния (давления, температуры). При заданном напряжении между электродами напряженность поля тем меньше, чем дальше электроды друг от друга. Поэтому, чем больше расстояние между электродами, тем большее напряжение между ними необходимо для наступления искрового пробоя газа. Это напряжение называется напряжением пробоя. Возникновение пробоя объясняется следующим образом. В газе всегда есть некоторое количество ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Обычно, однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При сравнительно небольших значениях напряженности поля, с какими мы встречаемся при изучении несамостоятельной проводимости газов, соударения ионов, движущихся в электрическом поле, с нейтральными молекулами газа происходят так же, как соударения упругих шаров. При каждом соударении движущаяся частица передает покоящейся часть своей кинетической энергии, и обе частицы после удара разлетаются, но никаких внутренних изменений в них не происходит. Однако при достаточной напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя столкновениями может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при столкновении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток – ион. Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома, - работой ионизации. Величина работы ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов. Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивают число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, этот процесс «усиливает сам себя», и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Все явления вполне аналогично снежной лавине в горах, для зарождения которой бывает достаточно ничтожного комка снега. Поэтому и описанный процесс был назван ионной лавиной. Образование ионной лавины и есть процесс искрового пробоя, а то минимальное напряжение, при котором возникает ионная лавина, есть напряжение пробоя. Мы видим, что при искровом пробое причина ионизации газа заключается в разрушении атомов и молекул при соударениях с ионами. Одним из природных представителей искрового разряда является молния – красивая и не безопасная.
Коронный разряд . Возникновение ионной лавины не всегда приводит к искре, а может вызвать и разряд другого типа – коронный разряд. Натянем на двух высоких изолирующих подставках металлическую проволоку AB диаметром в несколько десятых миллиметра и соединим ее с отрицательным полюсом генератора, дающего напряжение в несколько тысяч вольт, например, хорошей электрической машине. Второй полюс генератора отведем к Земле. Мы получим своеобразный конденсатор, обкладками которого являются наша проволока и стены комнаты, которые, конечно, сообщаются с Землей. Поле в этом конденсаторе весьма неоднородно, и напряженность его очень велика вблизи тонкой проволоки. Повышая постепенно напряжение и наблюдая за проволокой в темноте, можно заметить, что при известном напряжении возле проволоки появляется слабое свечение («корона»), охватывающее со всех сторон проволоку; оно сопровождается шипящим звуком и легким потрескиванием. Если между проволокой и источником включен чувствительный гальванометр, то с появлением свечения гальванометр показывает заметный ток, идущий от генератора по проводам к проволоке и от нее по воздуху комнаты к стенам, соединенным с другим полюсом генератора. Ток в воздухе между проволокой AB и стенами переносится ионами, образовавшимися в воздухе благодаря ударной ионизации. Таким образом, свечение воздуха и появление тока указывают на сильную ионизацию воздуха по действием электрического поля. Коронный разряд может возникнуть не только у проволоки, но и у острия и вообще у всех электродов, возле которых образуется очень сильное неоднородное поле.
Применение коронного разряда
1) Электрическая очистка газов (электрофильтры). Сосуд, наполненный дымом, внезапно делается совершенно прозрачным, если внести в него острые металлические электроды, соединенные с электрической машиной. Внутри стеклянной трубки содержатся два электрода: металлический цилиндр и висящая по его оси тонка металлическая проволока. Электроды присоединены к электрической машине. Если продувать через трубку струю дыма (или пыли) и привести в действие машину, то, как только напряжение сделается достаточным для образования короны, выходящая струя воздуха станет совершенно чистой и прозрачной, и все твердые и жидкие частицы, содержащиеся в газе, будут осаждаться на электродах.
Объяснение опыта заключается в следующем. Как только у проволоки зажигается корона, воздух внутри трубки сильно ионизируется. Газовые ионы, соударяясь с частицами пыли, «прилипают» к последним и заряжают их. Так как внутри трубки действует сильное электрическое поле, то заряженные частицы движутся под действием поля к электродам, где и оседают. Описанное явление находит себе в настоящее время техническое применение для очистки промышленных газов в больших объемах от твердых и жидких примесей.
2) Счетчики элементарных частиц. Коронный разряд лежит в основе действия чрезвычайно важных физических приборов: так называемых счетчиков элементарных частиц (электронов, а также других элементарных частиц, которые образуются при радиоактивных превращениях). Один из типов счетчика (счетчик Гейгера – Мюллера) показан на рис 1.
Он состоит из небольшого металлического цилиндра A, снабженного окошком, и тонкой металлической проволоки натянутой оп оси цилиндра и изолированной от него. Счетчик включают в цепь, содержащую источник напряжения В в несколько тысяч вольт. Напряжение выбирают таким, чтобы оно было только немного меньше «критического», т. е. Необходимого для зажигания коронного разряда внутри счетчика. При попадании в счетчик быстро движущегося электрона последний ионизует молекулы газа внутри счетчика, отчего напряжение, необходимое для зажигания короны, несколько понижается. В счетчике возникает разряд, а в цепи появляется слабый кратковременный ток.
Возникающий в счетчике ток настолько слаб, что обычным гальванометром его обнаружить трудно. Однако его можно сделать вполне заметным, если в цепь ввести очень большое сопротивление R и параллельно ему присоединить чувствительный электрометр E. При возникновении в цепи тока I на концах сопротивления создается напряжение U, равное по закону Ома U=IxR. Если выбрать величину сопротивления R очень большой (много миллионов ом), однако значительно меньшей, чем сопротивление самого электрометра, то даже очень слабый ток вызовет заметное напряжение. Поэтому при каждом попадании быстрого электрона внутрь счетчика листочек электрометра будет давать отброс.
Подобные счетчики позволяют регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частички, способные производить ионизацию газа путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют, поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные частички.
Дуговой разряд . В 1802 г. В. В. Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электролитической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их разделить, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела. Испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Это явление семь лет спустя независимо наблюдал английский химик Дэви, который предложил в честь Вольта назвать эту дугу «вольтовой».
Обычно осветительная сеть питается током переменного направления. Дуга, однако, горит устойчивее, если через нее пропускают ток постоянного направления, так что один из ее электродов является все время положительным (анод), а другой отрицательным (катод). Между электродами находится столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах этот столб испускает значительно меньше света, нежели раскаленные угли. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее отрицательного. Вследствие сильной возгонки угля на нем образуется углубление – положительный кратер, являющийся самой горячей частью электродов. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4000 °C.
Дуга может гореть и между металлическими электродами (железо, медь и т. д.). При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется много тепла. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000-2500 °C).
Заставляя гореть дугу между угольными электродами в сжатом газе (около 20 атм), удалось довести температуру положительного кратера до 5900 °C, т. е. до температуры поверхности Солнца. При этом условии наблюдалось плавление угля.
Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, чрез который идет электрический разряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000 °. Поэтому в столбе дуги почти все известные вещества плавятся и обращаются в пар, и делаются возможными многие химические реакции, которые не идут при более низких температурах. Нетрудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплавкие фарфоровые палочки.
Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение: дуга хорошо горит при напряжении на ее электродах 40-45 в. Ток в дуге довольно значителен. Так, например, даже в небольшой дуге, идет ток около 5 А, а в больших дугах, употребляющихся в промышленности, ток достигает сотен ампер. Это показывает, что сопротивление дуги невелико; следовательно, и светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток.
Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизуют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200° до 3500°C в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги мы в начале приводим угли в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивление, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящие через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.
Применение дугового разряда
Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет, и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 0,3 ватта на каждую свечу и является значительно более экономичной. Нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения П. Н. Яблочковым в 1875 г. и получила название «русского света», или «северного света».
Электрическая дуга также применяется для сварки металлических деталей (дуговая электросварка). В настоящее время электрическую дугу очень широко применяют в промышленных электропечах. В мировой промышленности около 90% инструментальной стали и почти все специальные стали выплавляются в электрических печах.
Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух выкачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат невидимыми ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Ртутные лампы широко применяют при лечении разнообразных болезней («искусственное горное солнце»), а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетовых лучей.
Тлеющий разряд . Кроме искры, короны и дуги, существует еще одна форма самостоятельного разряда в газах – так называемый тлеющий разряд. Для получения этого типа разряда удобно использовать стеклянную трубку длинной около полуметра, содержащую два металлических электрода. Присоединим электроды к источнику постоянного тока с напряжение в несколько тысяч вольт (годится электрическая машина) и будем постепенно откачивать из трубки воздух. При атмосферном давлении газ внутри трубки остается темным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Однако когда давление газа достаточно понизится, в трубке вспыхивает светящийся разряд. Он имеет вид тонкого шнура (в воздухе – малинового цвета, в других газах – других цветов), соединяющий оба электрода. В этом состоянии газовый столб хорошо проводит электричество.
При дальнейшей откачен светящийся шнур размывается и расширяется, и свечение заполняет почти всю трубке. Различают следующие две части разряда: 1) несветящуюся часть, прилегающую к катоду, получившую название темного катодного пространства; 2) светящийся столб газа, заполняющий всю остальную часть трубки, вплоть до самого анода. Эта часть разряда носит название положительного столба.
А работает это вот как. При тлеющем разряде газ хорошо проводит электричество, а значит, в газе все время поддерживается сильная ионизация. При этом в отличие от дугового разряда катод все время остается холодным. Почему же в этом случае происходит образование ионов?
Падение потенциала или напряжения на каждом сантиметре длины газового столба в тлеющем разряде очень различно в разных частях разряда. Получается, что почти все падение потенциала приходится на темное пространство. Разность потенциалов, существующая между катодом и ближайшей к нему границей пространства, называют катодным падением потенциала. Оно измеряется сотнями, а в некоторых случаях и тысячами вольт. Весь разряд оказывается существует за счет этого катодного падения.
Значение катодного падения заключается в том, что положительные ионы, пробегая эту большую разность потенциалов, приобретают большую скорость. Так как катодное падение сосредоточено в тонком слое газа, то здесь почти не происходит соударений ионов с газовыми атомами, и по этому, проходя через область катодного падения, ионы приобретают очень большую кинетическую энергию. Вследствие этого при соударении с катодом они выбивают из него некоторое количество электронов, которые начинают двигаться к аноду. Проходя через темное пространство, электроны в свою очередь ускоряются катодным падением потенциала и при соударения с газовыми атомами в более удаленной части разряда производят ионизацию ударом. Возникающие при этом положительные ионы опять ускоряются катодным падением и выбивают из катода новые электроны и т. д. Таким образом все повторяется до тех пор пока на электродах есть напряжение.
Значит мы видим, что причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются ударная ионизация и выбивание электронов с катода положительными ионами.
Такой разряд используют в основном для освещения. Применяется в люминесцентных лампа.

Словом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке. Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии». В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована - она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности - это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма. Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии - планеты, астероиды и пылевые туманности. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд). ПЛАЗМА - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Это вызвало огромный интерес у физиков. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1, 78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков. Необычайно высокая температура- уникальное свойство оптического заряда- представляет большие возможности для использования его в качестве источника света. Возможность создания плазменного шнура световым излучением лазера открывает возможности для передачи энергии на расстояние. Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а - доли процента), частично ионизованной (а - несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими - различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К - высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС (управляемому термоядерному синтезу). Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, МГД - генераторах и др. Наиболее широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом. Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную - до 100 тыс. градусов и высокотемпературную - до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000-10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки - плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах (» 108 К и выше) В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе.

1. Условия возникновения и горения дуги

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Рис. 2. .

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. :

а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).

3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а ).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U к и анодного U а падений напряжений и напряжения ствола дуги U сд:

U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:

U n U э,

где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.

Дуга гаснет, если

Гашение дуги в узких щелях.

Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Рис. 4.

а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт

Движение дуги в магнитном поле.

Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.

4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле .

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

2. Газовоздушное дутье .

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

3. Многократный разрыв цепи тока .

Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.

Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме .

Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.

5. Гашение дуги в газах высокого давления .

Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.