ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Переходные области между электродами и столбом из "Электрическая дуга " Переходные области между электродами и столбом разряда—это участки резких изменений и разрывов непрерывности в электрическом, термическом, а ино гда еще и в других отношениях. [c.51] С электрической точки зрения здесь имеет место переход от металлического проводника, в котором ток переносится исключительно электронами, к проводнику газообразному, в котором ток переносится как электронами, так и ионами. На аноде электроны могут свободно входить в металл из газа, ионы же, как правило, не выходят в газ из металла. На катоде ионы газа могут свободно проходить к металлу, а электроны металла, чтобы выйти в газ, должны преодолевать потенциальный барьер. Необходимую для этого энергию О ни могут приобретать различными путями. Это обстоятельство делает процессы на катоде более сложными, чем на аноде. [c.51] С термической точки зрения при высоких давлениях газа должен осуществляться переход от сравнительно холодного электрода к весьма горячей плазме. При низких давлениях переход может иметь противоположный характер от сравнительно горячего электрода к холодному газу. [c.51] В устойчивом дуговом разряде температура электродов часто приближается к точке кипения материала, из которого они изготовлены, и пары этого материала могут в значительных количествах добавляться к газовой среде. Поэтому вблизи электродов дуга может гореть в смеси газа и паров и давление здесь может быть значительно выше давления в местах, удаленных от электродов. [c.51] Сказанного достаточно, чтобы дать представление о сложности условий в переходных областях от электродов к газу. Займемся теперь более подробным рассмотрением этих условий вблизи каждого электрода в отдельности. [c.51] В плазме столба плотности электронов и положительных ионов равны между собой, а ток переносится в основном электронами ввиду гораздо большей скорости дрейфа их в электрическом поле. Поэтому в любой точке столба, удаленной от электродов, отношение /е//г велико. При ириближении к поверхности катода большая величина отношения тока электронов к току ионов вовсе необязательно должна сохраняться, так как для этого потребовалась бы высокая эмиссия электронов с катода. Далее, равенство положительного и отрицательного пространственного зарядов, которое, как мы показали в 2-1, является основным условием в столбе дуги, тоже необязательно сохраняется вблизи катода. Важно лишь, чтобы протяженность зоны (в осевом направлении—Ред.) нескомпенсированного пространственного заряда была весьма мала, иначе получится слишком большое катодное падение потенциала. Итак, величина отношения тока электронов к току ионов вблизи катода может стать меньше. Возможно даже, что весь ток катода переносится положительными ионами. И в этом случае весьма важно, чтобы образование электронов происходило непосредственно у катода, и тогда область неравенства пространственных зарядов будет мала. [c.52] Электроны могут извлекаться из катода различными способами. Они могут испускаться катодом в результате ударов положительных ионов или фотонов о катод. Однако эти процессы не играют, по-видимому, значительной роли в дуговых разрядах. Выход электронов на каждый положительный он или фотон незначителен. Для поддержания тлеющего разряда, например, для которого эти процессы имеют первостепенное значение, требуется катодное падение в сотни вольт. Для дуговых разрядов необходимы более эффективные способы образования электронов на поверхности или вблизи катода. [c.52] Электроны могут также вытягиваться из катода под действием сильного электрического поля (порядка 10 в/см и выше). Такое поле у катода может создаваться при достаточно большой плотности катодного тока пространственным зарядом приходящих на катод положительных ионов. Сильное электрическое поле может возникать и при наличии на поверхности катода тонкого изолирующего слоя, на котором скапливаются положи-тельнц.е ионы [Л. 184]. [c.53] Была высказана гипотеза, что в некоторых случаях существенная доля электронной эмиссии может быть -вызвана возбужденными атомлми, приходящими к катоду из светящегося слоя газа у самой поверхности катода. Наконец, было сделано еще одно предположение, заключающееся в том, что в некоторых дугах высокого давления значительная доля катодного тока может переноситься положительными ионами, выходящ ими из расположенного у самого катода, сильно ионизированного слоя газа или пара. [c.53] При таком разнообразии возможных механизмов катодных процессов неудивительно, что в зависимости от условий горения дуги наблюдается различное поведение катода. Катодные процессы в большой степени способны к саморегулированию, обеспечивающему необходимую величину тока через переходную область от катода к газу. В каждом конкретном случае можно допустить, что действует какой-либо один или несколько возможных механизмов, но до сих пор не удается осуществить достоверный детальный разбор происходящих процессов. [c.53] Существует два метода измерения катодного падения потенциала, из которых ни один иельзя считать вполне удовлетворительным. Если сдвигать электроды, пока ОНИ не соприкоснутся, то в соответствии с рис. 3 разность потенциалов между ними перед самым соприкосновением. приблизительно равна сумме катодного и анодного падений с+Уа. Это верно лишь с некоторым приближением, так как при постепенном сдвигании электродов в какой-то момент времени получается минимально возможная длина дуги порядка 0,1 мм [Л. 60], а затем, при еще более тесном сближении, дуга смещается в сторону, так что длина ее становится больше указанного минимального расстояния между электродами. Поэтому нужно принимать во внимание падение потенциала в столбе- этой наикратчайшей дуги, а также ом1ическое падение потенциала в самих электродах. Другая трудность заключается в том, что нельзя быть уверенным, что анодное и катодное падения имеют одну и ту же величину при тесно сдвинутых и раздвинутых электродах, так как была доказана [Л. 61] зависимость анодного падения в некоторых условиях от длины дуги. Нужно также правильно выделить из полученной суммы Ус И Уа- Иногда это можно сделать, исследуя степень разогрева обоих электродов, которая зависит, кроме других параметров, и от падений потенциала у электродов. Бауэр и Шульц [Л. 60] разработали метод разделения Ус и Уа по разнице между температурами электродов на постоянном и переменном токах. На постоянном токе электроды имели фиксированную полярность, а на переменном токе каждый из них действовал поочередно то как катод, то как анод. Метод сдвигания электродов применим к дуговым разрядам в разных газах при различных давлениях, если есть возможность производить перемещение электродов. Можно также использовать серию одинаковых трубок с различными расстояниями между электродами [Л. 62]. [c.54] Изменение потенциала зонда можно регистрировать с помощью электронного осциллографа. При этом имеется неопределенность в отношении разности потенциалов между сравнительно холодным зондом и горячей плазмой. Этот метод применялся главным образом в дугах, свободно горящих в воздухе или в струе газа при давлении, близком к атмосферному. В подобных случаях столб не бывает однородным, а вблизи электродов часто происходит взаимодействие различных процессов. [c.55] Ни тем, ни другим способом нельзя определить Ус с точностью выше чем до 1—2 в. У разных экспериментаторов результаты измерений иногда дают еще большую степень расхождения. [c.55] В отношении протяженности зоны катодного падения в дугах высокого давления вообще нельзя утверждать, что она кем-либо была измерена. В качестве верхнего предела указывалось значение в небольшую долю миллиметра, определенное с помощью зондовых методов [Л. 63] в термоэлектронных дугах, у которых эта протяженность, вероятно, больше, чем у других видов дуги. Смит [Л. 64], используя дугу, быстро -перемещаемую сильным магнитным иолем то ртутному катоду, наблюдал темное катодное пространство протяженностью 10 см. По теоретическим соображениям часто считают, что в дугах с холодным металлическим катодом протяженность зоны катодного падения потенциала одного порядка с длиной свободного пробега электронов. Отсюда следует, что при давлении пО рядка атмосферного и выше протяженность зоны катодного падения потенциала составляет около 10 см и меньше. [c.55] Вследствие разогрева электрода дугой а ем обычно образуется заметный след, который можно наблюдать после погасания дуги. Определение плотности гока на основании измерения площади этого следа страдает неточностью, поскольку ток необязательно должен проходить через всю площадь следа. С одной стороны, расплавление материала электрода или иные последствия выделения на нем тепла могут выходить за пределы площади, через которую проходил ток. С другой стороны, ток может проходить через маленькую площадку, которая, перемещаясь по поверхности катода, может оставлять сравнительно большой след. И, действительно, в ряде случаев катодный конец дуги быстро и хаотично перемещается по катоду. Эта неопределенность может быть в какой-то мере снижена либо уменьшением времени горения дуги [Л. 66], либо быстрым контролируемым перемещением дуги по поверхности катода с помощью поперечного магнитного поля [Л. 67]. В последнем случае дуга оставляет след в виде полоски, ширину которой принимают за диаметр круговой площадки прохождения тока. [c.56] До сих пор не существует прямых методов измерения отношения тока электронов к току положительных ионов у катода. [c.56] Если катод дугового разряда выполнен из материала с высокой точкой плавления (например, из вольфрама или угля), то он может быть нагрет до столь высокой температуры, при которой основная часть катодного тока обеспечивается за счет его термоэлектронной эмиссии. Это, по-видимому, не всегда происходит. В действительности у таких катодов можно наблюдать два совершенно различных вида свойств, связанных с двумя разными механизмами катодных процессов. [c.57] Тот факт, что переход к термоэлектронному механизму связан с температурой поверхности катода, подтверждается рядом наблюдений. Во-первых, этот переход происходит при меньших значениях тока, если катод является верхним электродом (и поэтому более горячим), чем в том случае, когда он находится внизу. Во-вторых, если термоэлектронную дугу кратковременно погасить, то она зажигается вновь при напряжении, близком по значению к тому, при котором она перед этим работала. Если же погасить дугу с катодным пятном, то для повторного зажигания ее потребуется значительно более высокое напряжение. Это мЬжно истолковать в том смысле, что у термоэлектронной дуги основное условие действия катодного механизма — высокая температура катода — сохраняется некоторое время после погасания дуги благодаря тепловой инерции катода. У дуги же с катодным пятном одно из необходимых условий — определенная плотность плазмы у самой поверхности катода — спадает значительно более быстро, чем температура, а потому повторное зажигание не происходит с такой легкостью . [c.58] Хотя мы считаем, что в термоэлектронной дуге эмитиро ващные электроны переносят значительную часть тока, у нас нет точных сведений о том, как велика их доля в общем токе, и нет никакого разработанного для этой цели метода непосредственного измерения. Если бы вся энергия, подводимая к катоду положительными ионами, затрачивалась на термоэлектронную эмиссию, можно было бы составить следующий баланс энергии. Каждый ион (с единичным зарядом) обладает кинетической энергией еУс, где Ус — катодное падение потенциала, и энергией ионизации еУ1, где Vi — потенциал ионизации. Для нейтрализации каждого иона необходимо извлечь один электрон на это расходуется энергия еф, где Ф — работа выхода. Остальная энергия будет затрачиваться на высвобождение электронов, необходимых для переноса тока. [c.59] Вернуться к основной статье