Дуговой разряд

Определение "Дуговой разряд" в Большой Советской Энциклопедии

Дуговой разряд, один из типов стационарного электрического разряда в газах. Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 В. В. Петровым и независимо в 1808—09 Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда был дугообразно изогнут, что и обусловило название Дуговой разряд

Формированию Дуговой разряд предшествует короткий нестационарный процесс в пространстве между электродами — разрядном промежутке. Длительность этого процесса (время установления Дуговой разряд) обычно ~ 10^-6—10^-4 сек в зависимости от давления и рода газа, длины разрядного промежутка, состояния поверхностей электродов и т.д. Дуговой разряд получают, ионизуя газ в разрядном промежутке (например, с помощью вспомогательного, так называемого поджигающего электрода). В др. случаях для получения Дуговой разряд разогревают один или оба электрода до высокой температуры либо раздвигают сомкнутые на короткое время электроды. Дуговой разряд может также возникнуть в результате пробоя электрического разрядного промежутка при кратковременном резком повышении напряжения между электродами. Если пробой происходит при давлении газа, близком к атмосферному, то нестационарным процессом, предшествующим Дуговой разряд, является искровой разряд.

Типичные параметры Дуговой разряд Для Дуговой разряд характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа — от менее 10^-5 мм рт. ст. до сотен атм; разность потенциалов между электродами Дуговой разряд может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт (высоковольтный Дуговой разряд). Дуговой разряд может протекать не только при постоянном, но и при переменном напряжении между электродами. Однако полупериод переменного напряжения обычно намного больше времени установления Дуговой разряд, что позволяет рассматривать каждый электрод в течение одного полупериода как катод, а в следующем полупериоде — как анод. Отличительными особенностями всех форм Дуговой разряд (тесно связанными с характером эмиссии электронов из катода в этом типе разряда) являются малая величина катодного падения и высокая плотность тока на катоде. Катодное падение в Дуговой разряд обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1—10 в); плотность тока на катоде составляет 10²—10⁷ а/см². При столь большой плотности тока сила тока в Дуговой разряд обычно также велика — порядка 1—10 a и выше, а в некоторых формах Дуговой разряд достигает многих сотен и тысяч ампер. Однако существуют и Дуговой разряд с малой силой тока (например, Дуговой разряд с ртутным катодом может гореть при токах 0,1 a и ниже).

Электронная эмиссия в Дуговой разряд Коренное отличие Дуговой разряд от др. типов стационарного электрического разряда в газе заключается в характере элементарных процессов, происходящих на катоде и в прикатодной области. Если в тлеющем разряде и отрицательном коронном разряде имеет место вторичная электронная эмиссия, то в Дуговой разряд электроны вылетают из катода в процессах термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии (называется также туннельной эмиссией). Когда в Дуговой разряд происходит только первый из этих процессов, его называют термоэмиссионным. Интенсивность термоэмиссии определяется температурой катода; поэтому для существования термоэмиссионного Дуговой разряд необходимо, чтобы катод или отдельные его участки были разогреты до высокой температуры. Такой разогрев осуществляют, подключая катод к вспомогательному источнику энергии (Дуговой разряд с внешним накалом; Дуговой разряд с искусственным подогревом). Термоэмиссионный Дуговой разряд возникает и в том случае, когда температуру катода в достаточной степени повышают удары положительных ионов, образующихся в разрядном промежутке и ускоряемых электрическим полем по направлению к катоду. Однако чаще при Дуговой разряд без искусственного подогрева интенсивность термоэлектронной эмиссии слишком мала для поддержания разряда, и значительную роль играет процесс автоэлектронной эмиссии. Сочетание этих двух видов эмиссии носит название термоавтоэмиссии.

Автоэлектронная эмиссия из катода требует существования у его поверхности сильного электрического поля. Такое поле в Дуговой разряд создаётся объёмным зарядом положительных ионов, удалённым от катода на расстояние порядка длины свободного пробега этих ионов (10^-6—10^-4 см). Расчёты показывают, что автоэлектронная эмиссия не может самостоятельно поддерживать Дуговой разряд и всегда в той или иной степени сопровождается термоэлектронной эмиссией. Вследствие сложности исследования процессов в тонком прикатодном слое при высоких плотностях тока экспериментальных данных о роли автоэлектронной эмиссии в Дуговой разряд накоплено ещё недостаточно. Теоретический же анализ пока не может удовлетворительно объяснить все явления, наблюдаемые в различных формах Дуговой разряд

Связь между характеристиками Дуговой разряд и процессами эмиссии. Слой, в котором возникает электрическое поле, вызывающее автоэлектронную эмиссию, настолько тонок, что не создаёт большого падения разности потенциалов у катода. Однако для того чтобы это поле было достаточно сильным, плотность объёмного заряда ионов у катода, а следовательно, и плотность ионного тока должны быть велики. Термоэлектронная эмиссия также может происходить при малой кинетической энергии ионов у катода (т. е. при малом катодном падении), но требует в этих условиях высокой плотности тока — катод нагревается тем сильнее, чем больше число бомбардирующих его ионов. Т. о., отличительные черты Дуговой разряд (малое катодное падение и высокая плотность тока) обусловлены характером прикатодных процессов.

Плазма Дуговой разряд Разрядный промежуток Дуговой разряд заполняет плазма, состоящая из электронов, ионов, нейтральных и возбуждённых атомов и молекул рабочего газа и вещества электродов. Средние энергии частиц различного сорта в плазме Дуговой разряд могут быть разными. Поэтому, говоря о температуре Дуговой разряд, различают ионную температуру, электронную температуру и температуру нейтральной компоненты. В случае равенства этих температур плазму называют изотермической.

Несамостоятельный Дуговой разряд Несамостоятельным называется Дуговой разряд с искусственным подогревом катода, поскольку поддержание такого разряда нельзя осуществить за счёт его собственной энергии: при выключении внешнего источника накала он гаснет. Разряд легко зажигается без вспомогательных поджигающих электродов. Повышение напряжения такого Дуговой разряд вначале усиливает его ток до величины, определяемой интенсивностью термоэлектронной эмиссии из катода при данной температуре накала. Затем вплоть до некоторого критического напряжения ток остаётся почти постоянным (так называемый свободный режим). Когда напряжение превышает критическое, характер эмиссии из катода меняется: существенную роль в ней начинают играть фотоэффект и вторичная электронная эмиссия (энергия положительных ионов становится достаточной для выбивания электронов из катода). Это приводит к резкому возрастанию тока разряда — он переходит в несвободный режим.

При определённых условиях Дуговой разряд с искусственным подогревом продолжает устойчиво гореть, когда напряжение между электродами понижают до значений, меньших не только ионизационного потенциала рабочего газа, но и наименьшего его потенциала возбуждения. Эту форму Дуговой разряд называют низковольтной дугой. Её существование обусловлено возникновением вблизи катода максимума потенциала, превышающего потенциал анода и близкого к первому потенциалу возбуждения газа, вследствие чего становится возможной ступенчатая ионизация (см. Ионизация).

Самостоятельный Дуговой разряд Поддержание такого Дуговой разряд осуществляется за счёт энергии самого разряда. На тугоплавких катодах (вольфрам, молибден, графит) самостоятельный Дуговой разряд носит чисто термоэмиссионный характер — бомбардировка положительными ионами нагревает катод до очень высокой температуры. Вещество легкоплавкого катода интенсивно испаряется при Дуговой разряд; испарение охлаждает катод, и его температура не достигает значений, при которых разряд может поддерживаться одной термоэлектронной эмиссией — наряду с ней происходит автоэлектронная эмиссия.

Самостоятельный Дуговой разряд может существовать как при крайне малых давлениях газа (так называемые вакуумные дуги), так и при высоких давлениях. Плазму самостоятельного Дуговой разряд низкого давления отличает неизотермичность: ионная температура лишь ненамного превышает температуру нейтрального газа в пространстве, окружающем область разряда, в то время как электронная температура достигает десятков тысяч градусов, а в узких трубках и при больших токах — сотен тысяч. Объясняется это тем, что более подвижные электроны, получая энергию от электрического поля, не успевают передать её тяжёлым частицам в редких столкновениях.

В Дуговой разряд высокого давления плазма изотермична (точнее — квазиизотермична, т. к., хотя температуры всех компонент равны, температура в разных участках столба Дуговой разряд не одинакова). Эта форма Дуговой разряд характеризуется значительной силой тока (от 10 до 10³ а) и высокой температурой плазмы (порядка 10⁴ К). Наибольшие температуры в таком Дуговой разряд достигаются при охлаждении дуги потоком жидкости или газа — токовый канал «охлаждаемой дуги» становится тоньше и при той же величине тока нагревается сильнее. Именно эту форму Дуговой разряд называют электрической дугой — под действием направленных извне или конвекционных, вызванных самим разрядом, потоков газа токовый канал Дуговой разряд изгибается.

Катодные пятна. Самостоятельный Дуговой разряд на легкоплавких катодах отличает то, что термоавтоэмиссия электронов происходит в нём лишь с небольших участков катода — так называемых катодных пятен. Малые размеры этих пятен (менее 10^-2 см) обусловлены пинч-эффектом — стягиванием токового канала его собственным магнитным полем. Плотность тока в катодном пятне зависит от материала катода и может достигать десятков тысяч а/см². Поэтому в катодных пятнах происходит интенсивная эрозия — из них вылетают струи паров вещества катода со скоростью порядка 10⁶ см/сек. Катодные пятна образуются и при Дуговой разряд на тугоплавких катодах, если давление рабочего газа меньше примерно 10² мм рт. cт. При более высоких давлениях термоавтоэмиссионный Дуговой разряд с хаотически перемещающимися по катоду катодными пятнами переходит в термоэмиссионный Дуговой разряд без катодного пятна.

Применения Дуговой разряд Дуговой разряд широко применяется в дуговых печах для выплавки металлов, в газоразрядных источниках света, при электросварке, служит источником плазмы в плазматронах. Различные формы Дуговой разряд возникают в газонаполненных и вакуумных преобразователях электрического тока (ртутных выпрямителях тока, газовых и вакуумных выключателях электрических и т.п.). Дуговой разряд с искусственным подогревом катода используется в люминесцентных лампах, газотронах, тиратронах, ионных источниках и источниках электронных пучков.

Лит.: Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Кесаев И. Г., Катодные процессы электрической дуги, М., 1968; Финкельнбург В., Meккep Г., Электрические дуги и термическая плазма, пер. с нем., М., 1961; Энгель А., Ионизованные газы, пер. с англ., М., 1959; Капцов Н. А., Электрические явления в газах и вакууме, М.—Л., 1947.
  А. К. Мусин.