Структура электродугового разряда
В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой разряд, или электрическая дуга, которая позволяет нагревать различные среды до высоких температур, недостижимых при сжигании топлива.
Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары или вакуум.
Разряды в газах очень разнообразны и делятся на самостоятельные и несамостоятельные.
В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного разряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 102-106 А/см2), низким катодным падением потенциала (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий, значений порядка (З÷5)103 К и выше.
Чтобы электрон вышел из катода, ему необходимо преодолеть силу статического взаимодействия с электронной оболочкой атома и потенциальный барьер электрода, т.е. совершить работу выхода. Для различных веществ она неодинакова. Так, для магния работа выхода составляет 1,0 эВ; алюминия - 2,8; ниобия - 4,0; вольфрама - 4,5; железа - 4,77 эВ и т. д. Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это может быть достигнуто следующими способами: наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия); повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).
|
|
|
Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счет бомбардирования поверхности электрода ионами. Эмиссию электродов катодом в результате его разогрева называют термоэлектронной эмиссией.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала катода. С увеличением температуры ток эмиссии быстро возрастает. Так, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока термоэлектронной эмиссии при 1500 К составляет менее 10-7 А/см2, а при 3500 К она возрастает более чем на девять порядков до -220 А/см2.
Для повышения тока эмиссии и снижения работы выхода электронов в основной материал электродов вводят активирующие добавки в виде щелочных или редкоземельных металлов, а также их оксидов. Например, ионизирующими добавками для вольфрама служат ThO2, LaO2,AlCaO2, для углерода Cs, Li, Na, Ca.
Для несимметричного дугового столба распределение потенциала вдоль дугового промежутка показано на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Распределение потенциала и носителей электричества вдоль канала столба дуги
|
|
|
|
В межэлектродном промежутке четко выделяются три основные зоны: область катодного падения потенциала, простирающаяся от катода на расстояние примерно 10-6 м и имеющая падение потенциала около 8 - 15 В; область положительного дугового столба с напряжением от нескольких вольт до нескольких киловольт в зависимости от длины и условий горения дуги; область анодного падения потенциала, имеющая протяженность порядка 10-6 м и падение потенциала 2 - 20 В. Полное падение напряжения между электродами:
Uд = UА + UК + EL, (8.3)
где: UА и UК- анодное и катодное падения потенциала, В; Е - напряженность электрического поля дугового столба, В/м; L - длина дуги, м.
Характеристика приэлектродных областей и протекающих в них процессов
Контакт электрической дуги с электродами происходит в электродных пятнах (катодном и анодном), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.
Из прикатодных участков плазмы ионы движутся к катоду и разогревают его за счет передачи ему энергии нейтрализации и собственной кинетической энергии. Таким образом, у поверхности катода образуется положительный электрический заряд, а у поверхности анода - отрицательный. При прохождении заряженных частиц - электронов и ионов - через эти пространственные заряды образуются анодное и катодное падения потенциалов.
|
|
|
Выделяющаяся на аноде мощность:
QА = IД ·(UА + φ), (8.4)
где: IД - ток дуги, A; UА- анодное падение потенциала, В; φ - работа выхода электрона, эВ.
Анодное падение потенциала зависит от материала анода, температуры его плавления (повышается с ростом последней) и силы тока.
Выделяющаяся на катоде мощность:
QК = IД·(UК + φ), (8.5)
где: UК- катодное падение потенциала, В.
Для катода работу выхода электрона φ берут со знаком «-», так как электрон, покидающий катод, уносит с собой энергию и катод охлаждается.
Плотность тока в электродных пятнах зависит и от материала электрода.
Энергия, поступающая в электрод, состоит из следующих компонентов:
1) внутреннего источника (I2R - джоулева теплота, выделяющаяся на границе электрода с плазмой);
2) внешнего источника, связанного с приходом электрических зарядов на электрод;
3) излучения плазмы дуги;
4) конвективного нагрева окружающим газом;
|
|
|
5) теплоты от экзотермических реакций материала электродов c окружающими газами.
Пути отвода энергии из электродов:
1. За счет теплопроводности в тело электрода.
2. В результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании электрода.
3. В результате уноса энергии электронами, которые эмитируют разогретые поверхности электродов. Вышедшие из электрода частицы обладают определенной энергией, которую они уносят с собой.
4. За счет отвода теплоты от электродов излучением вследствие того, что электродные пятна имеют высокую температуру.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 103; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!