ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Электрический разряд в жидком диэлектрике из "Размерная электрическая обработка металлов " Разряд начинается с электрического пробоя МЭП. Несмотря на существование большого количества теорий пробоя, среди них пока нет такой, которая объяснила бы все наблюдающиеся при ЭЭО закономерности. [c.15] Созданию области электропроводности должно предшествовать превращение диэлектрика в проводник (это и происходит во время пробоя), для чего необходимо резко увеличить местную концентрацию свободных электронов, оторвав их от атомов. При определенной пробивной напряженности электрического поля р свободный электрон, двигающийся к аноду, может набрать между двумя столкновениями энергию, достаточную для ударной ионизации встречного атома, т. е. для отрыва от него валентного электрона, наименее прочно связанного с ядром. Вырванный из атома электрон, ставший также свободным, ускоряется в поле вместе с первым электроном, и оба при очередном соударении с новыми атомами образуют еще два свободных электрона, т. е. электропроводная область в рабочей среде может быть создана ударной лавинообразной ионизацией атомов электронами, причем довольно быстро (10-7 с). [c.16] Например, в очищенном керосине для зазора 0,05 мм пробивное напряжение около 160 В, чему соответствует пр= пр/а = 3-10 В/м При постоянном зазоре пробивное напряжение зависит от типа жидкости. [c.16] Два обстоятельства позволяют в условиях ЭЭО при малых напряжениях получить местные напряженности поля, приводящие к пробою. Во-первых, этому способствует щероховатость поверхности электродов случайное распределение местных микронеровностей может уменьшить наикратчайшие расстояния между электродами, а к тому же вблизи острых выступов на поверхности местная напряженность поля очень велика. Во-вторых, пробивное напряжение значительно снижается, поскольку рабочая среда содержит мелкие газовые, твердые и жидкие включения. Например, если в рабочей среде имеются электропроводные частицы стружки, то напряженность поля в самом диэлектрике оказывается больше, чем при тех же условиях в идеально чистой среде. Следует отметить и более низкую электрическую прочность на границе между газом и жидкостью. [c.16] Если отсутствуют специальные оговорки в тексте, то размерности всех величин далее соответствуют единицам СИ в некоторых случаях численные значения приводятся одновременно в единицах СИ и в единицах, использующихся в технологической практике. [c.16] Выше рассматривалась нормальная стадия пробоя которая принципиально необходима для осуществления ЭЭО. Весь последующий разряд называется рабочим, поскольку после него возникает лунка, соответствующая некоторым номинальным средним условиям ЭЭО. Признаками такого разряда являются пик напряжения на переднем фронте импульса, последующие спад напряжения и рост тока. [c.17] Не всегда осуществляется такой нормальный пробой и могут происходить следующие явления. [c.17] Разновидности рабочих разрядов. После пробоя в рабочей среде формируется так называемый канал разряда — сравнительно узкая цилиндрическая область, которая заполнена нагретым веществом, содержащим ионы и электроны, т. е. плазмой . Канал стремится расшириться, вытеснив окружающую диэлектрическую жидкость. По особенностям механического движения в жидкости различают следующие одна за другой стадии разряда 1) стадия, когда частицы среды смещаются в результате прохождения ударной волны 2) стадия, когда жидкость движется как несжимаемая среда. [c.18] Первоначальную стадию разряда, где существует нензотерми-ческая плазма, называют искровой. В таком случае температура электронов достигает 10 К, а ток протекает в еще узком канале. В разряде, близком к дуговому, наблюдается плазма с электронной температурой более 10 000 К и температурой ионов и нейтральных частиц около 6000 К. [c.18] Приближенную оценку динамики процессов в сжимаемой среде можно дать из следующих простых соображений. [c.19] Сжатие от давления рж до Рф повышает на величину внутреннюю энергию единицы массы жидкости. Можно подсчитать AW, полагая, что из начального состояния (с плотностью р к, температурой 0ж и давлением рж) в конечное (рф, 0ф и рф) жидкость переводится двумя последовательными операциями 1) нагрсван ь ем от 0ж до 9ф при постоянном давлении, при этом (рф—рж)/рж -= = А.(0ф-0 ), где кт — коэффициент термического расширения 2) повышением давления от рж до рф при постоянной температуре, тогда (рф—рж)/рж = с(рф—рж), где — коэффициент сжимаемости. [c.19] Последнее соотношение весьма приближенное, поскольку коэффициенты йт и k и kw зависят как от температуры, так и от давления. Для воды А-и = 3,3-Дж-м /кг-Н, для керосина kw = -3,2-10-3 Дж-м2/кг-Н. [c.19] Приращение удельной внутренней энергии жидкости AW можно связать с рядом величин, характеризующих разряд. [c.19] Если в момент /ф.к прекращается импульс напряжения, то ударная волна отрывается от границы канала разряда и расходится в окрулсающей жидкости. Накопленная в небольщом канале потенциальная энергия вызывает относительно слабое последующее растекание жидкости. Очень короткие разряды не обеспечивают быстрое естественное удаление продуктов из МЭП, чем и объясняется необходимость искусственной прокачки рабочей среды. Длительность импульсов порядка /ф.к 1 мкс примерно соответствует так называемому высокочастотному режиму ЭЭО. Все сказанное выше можно целиком отнести к такому режиму обработки, а для других режимов уже к первым десятым долям мкс после пробоя. [c.21] На протяжении каждой приэлектродной области свойства среды меняются от тех, которые свойственны столбу, до тех, которы1Ми характеризуется поверхность анода или катода. Поскольку любые свойства плазмы передаются через столкновения частиц, то толщина электродных областей пропорциональна длине свободного пробега частиц. [c.22] Между двумя последовательными столкновениями электроны набирают кинетическую энергию в электрическом поле и отдают ее другим частицам при соударении с ними. Такие столкновения могут быть двух видов 1) упругие, когда часть кинетической энергии электронов переходит в кинетическую (тепловую) энергию других частиц, внутреннее состояние которых не нарушается 2) н е-упругие, при которых кинетическая энергия электронов расходуется на изменение состояния частиц. [c.22] Из уравнения (18) следует, что ионы (и электроны) в плазме возникают в основном благодаря ионизации тех атомов вещества рабочей среды, анода или катода, которые имеют наименьшую величину фион- Анализ соотношений типа (18) для-реакций распада молекул рабочей среды показывает следующее. При ЭЭО стали (в углеводородах—керосине или масле) наиболее вероятным является разрыв слабых связей С—С и С—Н, а разрыв связей С = С и С С менее вероятен. Поэтому среди продуктов разложения жидкости (0к = 6ООО К) окажется водород, ацетилен НС = СН и углерод в виде Сь Сг, Сз и т. д. Углеводородные молекулы способны захватывать электроны (обладают так называемым сродством к электрону) и становятся отрицательными ионами. При ЭЭО стали в воде также происходит распад молекул НгО, поскольку потенциал разрыва связи О—Н меньше потенциала ионизации железа. В первом приближении можно принять, что вещество плазмы находится исключительно в атомном состоянии. [c.23] Электропроводность плазмы и ток разряда определяются рядом физических величин. Поскольку в плазме существует электрическое поле Е, созданное напряжением на электродах, то на каждый электрон между двумя столкновениями действует сила еЕ, создающая ускорение в направлении анода еЕ та (е и — заряд и масса электрона) . Если в единицу времени электрон испытывает Уо столкновений, то средняя скорость его движения (дрейфа) равна еЕу Ьпэ. Ионы практически не переносят заряда, поскольку скорость дрейфа тяжелых ионов во много раз меньше, чем электронов. Согласно кинетической теории газов частота столкновений равна А.э/ э.ср здесь Яэ —средняя длина свободного пробега электрона, причем Хэ= 1/(яГор2пк), где Гер —средний радиус атомов в канале, — количество всех частиц в единице объема. [c.24] Согласно уравнению (21) электропроводность плазмы столба растет с увеличением температуры и при прочих равных условиях повышается, если атомы 5 имеют низкий потенциал ионизации и высокое давление ром i в той смеси частиц, которая находится в канале. По мере продолжения разряда газовый пузырь расширяется и давление рп в нем уменьшается, электропроводность столба растет, и следовательно, большую долю в напряжении и составляют электродные падения потенциалов. [c.24] Остывание столба канала после окончания разряда вызвано тем, что потери энергии в канале не восполняются джоулевой теплотой, выделяющейся при разряде в результате плазма охлаждается и происходит деионизация ее вещества. Скорость падения электропроводности, а главное, причины, влияющие на эту скорость, представляют интерес для технологии, поскольку задают наименьшую длительность паузы Тд. Время остывания столба определяется тем, насколько быстро энергия, накопленная в канале к концу разряда и примерно равная л/ ктахЯркА ион, израсходуется вследствие теплового излучения фотонов и теплопроводности в окружающую газовую среду и электроды. [c.26] Вернуться к основной статье