Независим дъгов разряд (ниско, средно и високо налягане). Анотация: Дъгов разряд в газове

\ За учител по физика

При използване на материали от този сайт - и поставянето на банера е ЗАДЪЛЖИТЕЛНО!!!

Разработка на урок с презентация по физика на тема: "Електрически ток в газове"

Подготви разработката на урок по физика: Семенченко Галина Василиевна, Барнаул КГОУНПО ПУ -13, учител по физика, астрономия и електротехника, имейл: [имейл защитен]

Епиграф:

„Завчера не знаехме нищо за електричеството, вчера не знаехме нищо за огромните запаси от енергия, съдържащи се в атомното ядро, които днес не знаем?“

/Луи дьо Бройл/

Електрическият ток в газ е насочено движение на положителни йони към катода и отрицателни йони и електрони към анода.

Когато положителен и отрицателен йон се сблъскат, отрицателният йон може да дари своя излишен електрон на положителния йон и двата йона ще се превърнат в неутрални атоми.

Процесът на взаимно неутрализиране на йони се нарича йонна рекомбинация.

Когато положителен йон и електрон или два йона се рекомбинират, се освобождава определена енергия, равна на енергията, изразходвана за йонизация.

Частично се излъчва под формата на светлина и следователно рекомбинацията на йони е придружена от луминесценция (луминесценция на рекомбинация).

Процесът на преминаване на електрически ток в газовете се нарича газов разряд.

Оценките са два вида:

Независимо - изпускане, което се случва без ничия помощ в газове.

Несамостоятелен - разряд, който възниква в газове с помощта на йонизатор.

Йонизаторите са фактори, които предизвикват йонизация на газа.

Факторите включват:

нагряване на газа до висока температура;
рентгенови лъчи;
лъчи в резултат на радиоактивно разпадане;
космически лъчи;
бомбардиране на газови молекули от бързо движещи се електрони или йони.

Несаморазреждане

Електрическата проводимост на газа се създава от външни йонизатори;

С прекратяване на действието на външните йонизатори, несамостоятелният разряд спира;

Несамостоятелният газов разряд не е придружен от газово сияние.

саморазреждане

За осъществяването му е необходимо в резултат на самия разряд в газа непрекъснато да се образуват свободни заряди. Основният източник на свободни заряди е ударната йонизация на газовите молекули.

Положителните йони, образувани по време на сблъсъка на електрони с неутрални атоми, когато се движат към катода, придобиват голяма кинетична енергия под действието на полето. Когато такива бързи йони ударят катода, електроните се избиват от повърхността на катода.

Освен това катодът може да излъчва електрони при нагряване до висока температура. Този процес се нарича термоелектронна емисия. Може да се разглежда като изпаряване на електрони от метала. В много твърди вещества термоелектронната емисия възниква при температури, при които изпарението на самото вещество е все още малко. Такива вещества се използват за производството на катоди.

Видове независими разряди.

В зависимост от свойствата и състоянието на газа, естеството и местоположението на електродите, както и напрежението, приложено към електродите, възникват различни видове саморазряд.

Тлеещ секрет.

Тлеещ разряд се наблюдава в газове при ниско налягане от порядъка на няколко десетки милиметра живак и по-малко.

Основните части на светещия разряд са катодното тъмно пространство, отрицателно или светещо сияние, рязко отдалечено от него, което постепенно преминава в областта на тъмното пространство на Фарадей. Тези три области образуват катодната част на разряда, последвана от основната светлинна част на разряда, която определя неговите оптични свойства и се нарича положителен стълб.

При достатъчно ниско налягане електроните, избити от катода от положителни йони, преминават през газа почти без сблъсъци с неговите молекули, образувайки електронни или катодни лъчи.

Тип тлеещ разряд

Тлеещ разряд, генериран от генератор

Приложение на тлеещ разряд

Тлеещият разряд се използва в газосветлинни тръби, флуоресцентни лампи, стабилизатори на напрежение, за получаване на електронни и йонни лъчи.

Ако в катода се направи процеп, тогава тесни йонни лъчи, често наричани канални лъчи, преминават през него в пространството зад катода.

Широко използван е феноменът на катодното разпрашване, т.е. разрушаване на повърхността на катода под действието на положителни йони, които го удрят. Ултрамикроскопични фрагменти от материала на катода летят във всички посоки по прави линии и покриват с тънък слой повърхността на телата (особено диелектриците), поставени в тръба.

По този начин се правят огледала за редица устройства, върху селенови фотоклетки се нанася тънък слой метал.

Тлеещ разряд в производството

Коронна обработка на повърхности

коронен разряд

Коронен разряд възниква при нормално налягане в газ в силно нехомогенно електрическо поле (например близо до шипове или проводници на линии с високо напрежение).

При коронен разряд йонизацията на газа и неговото светене се случват само в близост до корониращите електроди. В случай на катодна корона (отрицателна корона), електроните, които причиняват ударна йонизация на газовите молекули, се избиват от катода, когато той е бомбардиран с положителни йони.

Ако анодът е корона (положителна корона), тогава раждането на електрони възниква поради фотойонизацията на газа в близост до анода.

Короната е вредно явление, съпроводено с изтичане на ток и загуба на електрическа енергия. За да се намали короната, радиусът на кривината на проводниците се увеличава и повърхността им става по-гладка.

Тип коронен разряд

слайд номер 13

Специален случай на коронен разряд - карпален

При повишено напрежение коронният разряд на върха приема формата на светлинни линии, излизащи от върха и редуващи се във времето. Тези линии, които имат редица извивки и завои, образуват вид четка, в резултат на което такъв разряд се нарича изпускане на четка.

Коронният разряд трябва да се има предвид при работа с високо напрежение. Ако има изпъкнали части или много тънки проводници, може да започне коронен разряд. Това води до изтичане на мощност. Колкото по-високо е напрежението на високоволтовата линия, толкова по-дебели трябва да бъдат проводниците.

Огънят на Свети Елмо

Зареден гръмотевичен облак индуцира електрически заряди с обратен знак на земната повърхност под него. Особено голям заряд се натрупва по върховете. Ето защо, преди гръмотевична буря или по време на гръмотевична буря, конуси от светлина като четки често пламват по върховете и острите ъгли на високо повдигнати предмети. От древни времена това сияние се нарича огньовете на Свети Елмо.

Особено често катерачите стават свидетели на това явление. Понякога дори не само метални предмети, но и краищата на косата на главата са украсени с малки светещи пискюли.

Свети Елмо се запалва преди гръмотевична буря в океана

слайд номер 17

искров разряд

Искровият разряд има вид на ярки зигзагообразни разклонени нишки-канали, които проникват в разрядната междина и изчезват, като се заменят с нови.

Каналите за искров разряд започват да растат понякога от положителния електрод, понякога от отрицателния, а понякога от някаква точка между електродите.

Искровият разряд е придружен от отделяне на голямо количество топлина, ярко сияние на газ, пращене или гръм.

Всички тези явления са причинени от електронни и йонни лавини, които възникват в искровите канали и водят до огромно увеличение на налягането, достигащо 107 108 Pa, и повишаване на температурата до 10 000 C.

Прилагане на искров разряд

При малка дължина на разрядната междина искровият разряд причинява специфично разрушаване на анода, наречено ерозия. Това явление се използва при електроискровия метод за рязане, пробиване и други видове прецизна обработка на метали.

Искровата междина се използва като защита от пренапрежение в електрически преносни линии (напр. телефонни линии).

Електрическа искра се използва за измерване на големи потенциални разлики с помощта на сферична искрова междина, чиито електроди са две метални топки с полирана повърхност.

Електрическа искрова машина

слайд номер 21

Типичен пример за искров разряд е мълнията.

Основният канал за мълния е с диаметър от 10 до 25 см, а дължината на мълнията може да достигне няколко километра. Максималният ток на импулс на мълния достига десетки и стотици хиляди ампера.

Светкавицата е линейна и кълбовидна.

Кълбовидната мълния е единична ярко светеща, относително стабилна малка маса, която се наблюдава в атмосферата, носеща се във въздуха и движеща се заедно с въздушните течения, съдържаща голяма енергия в тялото си, изчезваща тихо или със силен шум като експлозия и напускаща няма материал след изчезването й. следи, с изключение на разрушенията, които е успяла да направи.

Кълбовидна мълния

слайд номер 23

Как да се държим по време на гръмотевична буря?

Не можете да се подслоните при гръмотевична буря в близост до самотни стоящи дървета, стълбове и други високи местни предмети, трябва да се отдалечите на 15 метра.
Опасно е да сте във или близо до вода.
Не можете да опънете палатка близо до водата, тъй като светкавиците често удрят речните брегове.
Никога не подценявайте опасността от мълния.
Ако гръмотевична буря ви застигне в кола, не слизайте от нея. Затворете всички врати и прозорци и изчакайте лошото време вътре.
По време на гръмотевична буря в селска къща изключете електрическите уреди от мрежата и телевизора от индивидуална антена.
Мълнията рядко удря храсти, почти никога не удря клен и бреза, най-често удря дъб и топола.

дъгов разряд

Дъговият разряд е открит от В. В. Петров през 1802 г. Този разряд е една от формите на газовия разряд, който възниква при висока плътност на тока и относително ниско напрежение между електродите (от порядъка на няколко десетки волта).

Основната причина за дъговия разряд е интензивното излъчване на термоелектрони от горещ катод. Тези електрони се ускоряват от електрическо поле и предизвикват ударна йонизация на газовите молекули, поради което електрическото съпротивление на газовата междина между електродите е относително малко.

В някои случаи се наблюдава и дъгов разряд при относително ниска температура на катода (живачна дъгова лампа).

Дъговият разряд е намерил приложение в живачен токоизправител, който преобразува променлив електрически ток в постоянен ток.

Приложение на дъгов разряд

През 1876 г. П. Н. Яблочков за първи път използва електрическа дъга като източник на светлина.

Дъговият разряд се използва като източник на светлина в прожектори и прожектори.

Високата температура на дъговия разряд дава възможност да се използва за изграждане на дъгова пещ. Дъговите пещи, захранвани с много голям ток, се използват в редица отрасли: за топене на стомана, чугун, феросплави, бронз, производство на калциев карбид, азотен оксид и др.

През 1882 г. Н. Н. Бенардос за първи път използва дъгов разряд за рязане и заваряване на метал.

През 1888 г. Н. Г. Славянов подобри този метод на заваряване, като замени въглеродния електрод с метален.

З видни физици, които са изучавали дъговия разряд.

Плазмени приложения

Нискотемпературната плазма се използва в газоразрядни източници на светлина - в светещи тръби за рекламни надписи, във луминесцентни лампи. Газоразрядна лампа се използва в много устройства, например в газови лазери - квантови източници на светлина.

Високотемпературната плазма се използва в магнитохидродинамичните генератори.

Наскоро беше създадено ново устройство - плазмената горелка. Плазмотронът създава мощни струи плътна нискотемпературна плазма, които се използват широко в различни области на техниката: за рязане и заваряване на метали, пробиване на кладенци в твърди скали и др.

Въведение.

Свойства на дъговия разряд.

1. Образуване на дъга.

2. Катодно петно. Външен вид и отделни части

дъгов разряд.

3. Разпределение на потенциала и ток-напрежение

характеристика на дъговия разряд.

4. Температура и излъчване на отделни части на дъговия разряд.

5. Генериране на незатихващи трептения чрез електрически

тройна дъга.

6. Колона с положителен дъгов разряд при високо ниво

и свръхвисоко налягане.

III. Приложение на дъгов разряд.

1. Съвременни методи за електрообработка.

2. Електродъгово заваряване.

3. Плазмени технологии.

4. Плазмено заваряване.
IV. Заключение.

Дъговият разряд под формата на така наречената електрическа (или волтова) дъга е открит за първи път през 1802 г. от руски учен, професор по физика във Военномедико-хирургическата академия в Санкт Петербург, а по-късно и академик на Св. Петербургска академия на науките, Василий Владимирович Петров. Петров описва в една от издадените си книги първите си наблюдения върху електрическа дъга със следните думи:

„Ако два или три въглена са поставени върху стъклена плочка или върху пейка със стъклени крака ... и ако метални изолирани водачи ... са свързани с двата полюса на огромна батерия, доближете ги един до друг на разстояние един до три линии, тогава между тях има много ярка бяла светлина или пламък, от който тези въглени се запалват по-бързо или по-бавно и от който тъмният мир може да бъде съвсем ясно осветен ... ".

Пътят към електрическата дъга започва в древни времена. Още гръцкият Талес от Милет, живял през VI в. пр. н. е., е познавал свойството на кехлибара да привлича леки предмети – пера, слама, коса и дори да създава искри при триене. До XVII век това е единственият метод за наелектризиране на тела, който няма практическо приложение. Учените са търсили обяснение на този феномен.

Английският физик Уилям Гилбърт (1544-1603) установи, че други тела (например планински кристал, стъкло), като кехлибар, имат свойството да привличат леки предмети след триене. Той нарече тези свойства електрически, като за първи път въведе този термин в употреба (на гръцки кехлибар-електрон).

Магдебургският бургомистър Ото фон Герике (1602-1686) проектира една от първите електрически машини. Това беше електростатична машина, която представляваше сярна топка, монтирана на ос. Един от полюсите беше ... самият изобретател. При завъртане на манивелата от дланите на доволния бургомистър с леко пращене изхвърчаха синкави искри. По-късно машината на Герике е подобрена от други изобретатели. Сярната топка беше заменена със стъклена, а вместо дланите на изследователя като един от полюсите бяха използвани кожени подложки.

От голямо значение беше изобретяването през осемнадесети век на лейденския кондензатор, който направи възможно акумулирането на електричество. Това беше стъклен съд, пълен с вода, увит във фолио. Метален прът, прекаран през тапа, се потапя във вода.

Американският учен Бенджамин Франклин (1706-1790) доказва, че водата не играе никаква роля в събирането на електрически заряди, стъклодиелектрикът има това свойство.

Електростатичните машини са доста широко разпространени, но само като забавни gizmos. Наистина имаше опити за лечение на пациенти с електричество, но е трудно да се каже какъв е бил физиотерапевтичният ефект от това лечение.

Френският физик Шарл Кулон (1736-1806), основателят на електростатиката, установява през 1785 г., че силата на взаимодействие на електрическите заряди е пропорционална на техните величини и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

През четиридесетте години на осемнадесети век Бенджамин Франклин излага теорията, че има само един вид електричество - специална електрическа материя, състояща се от малки частици, които могат да проникнат в веществото. Ако в тялото има излишък от електрическа материя, тя е положително заредена, ако е недостатъчна, тялото е заредено отрицателно. Франклин въвежда в практиката знаците плюс и минус, както и термините: кондензатор, проводник, заряд.

М. В. Ломоносов (1711-1765), Леонхард Ойлер (1707-1783), Франц Епин (1724-1802) и други учени излязоха с оригинални теории за природата на електричеството. До края на осемнадесети век свойствата и поведението на фиксираните заряди са достатъчно проучени и обяснени до известна степен. Въпреки това нищо не се знае за зарядите, движещи се от електрически ток, тъй като не е имало устройство, което да накара голям брой заряди да се движат. Токът, изтеглен от електростатичната машина, беше твърде малък, за да бъде измерен.

1. Ако увеличите силата на тока в тлеещ разряд, намалявайки външното съпротивление, тогава при висока сила на тока напрежението в скобите на тръбата започва да пада, разрядът бързо се развива и се превръща в дъга. В повечето случаи преходът се извършва рязко и почти често се стига до късо съединение. При избора на съпротивлението на външната верига е възможно да се стабилизира преходната форма на разряда и да се наблюдава при определени налягания непрекъснат преход на тлеещ разряд в дъга. Успоредно с падането на напрежението между електродите на тръбата се наблюдава повишаване на катодната температура и постепенно намаляване на катодния спад.

Въпросът за развитието на дъга при прекъсване на веригата е технически важен не само от гледна точка на получаване на "полезни" дъги, но и от гледна точка на борбата с "вредните" дъги, например с образуването на дъга при отваряне на нож. Нека L е самоиндукцията на веригата, W е нейното съпротивление и ع е едс. източник на ток, U(I) е функция на характеристиката ток-напрежение на дъгата. Тогава трябва да имаме: ع= L dI/dt+WI+U(I) (1) или

LdI/dt=(ع-WI)-U(I)=∆ (2).

Разликата (ع - WI) не е нищо повече от ординатата на прякото съпротивление AB (фиг. 1), а U (I) е ординатата на дъговата характеристика за даден I. За да бъде dI / dt отрицателно, т.е. За да може токът I задължително да намалява с времето и да не се образува стабилна дъга между електродите на превключвателя, е необходимо

Фиг. 1. Относителното положение на директното съпротивление и кривата на вольтамперната характеристика на постоянна дъга за случаите: а) когато дъгата не може да възникне при прекъсване на веригата; б) когато дъгата се появи при прекъсване на интервала на силата на тока, съответстващ на точките P и Q.

∆ع-WI се проведе.

За да направите това, характеристиката с всичките си точки трябва да лежи над линията на съпротивление (фиг. 1, а). Това просто заключение не отчита капацитета във веригата и се отнася само за постоянен ток.

Точката на пресичане на директното съпротивление с кривата на характеристиката ток-напрежение на постоянна дъга съответства на най-ниската граница на силата на постоянен ток, при която може да възникне дъга, когато веригата е счупена (фиг. 1, б) . В случай на отваряне на дъга с променлив ток с ножов прекъсвач, който се гаси при всеки преход на напрежението през нула, от съществено значение е условията, съществуващи в разрядната междина по време на отварянето, да не позволяват ново запалване на дъгата с последващо увеличение в напрежението на източника на ток. Това изисква, когато напрежението се увеличава, разрядната междина да бъде достатъчно дейонизирана. В превключватели с големи променливи токове изкуствено се постига повишена дейонизация чрез въвеждане на специални електроди, които изсмукват заредени газови частици поради биполярна дифузия, както и чрез използване на механично издухване или чрез излагане на разряда на магнитно поле. При високо напрежение се използват маслени превключватели.

2. Катодното петно, фиксирано върху въглеродния катод, върху повърхността на течния живак е в непрекъснато бързо движение. Положението на катодното петно върху повърхността на течния живак може да се фиксира с метален щифт, потопен в живака и леко стърчащ от него.

В случай на малко разстояние между анода и катода, топлинното излъчване на анода силно влияе върху свойствата на катодното петно. При достатъчно голямо разстояние между анода и въглеродния катод, размерите на катодното петно клонят към определена постоянна гранична стойност, а площта, заета от катодното петно върху въглеродния електрод във въздуха, е пропорционална на силата на тока и съответства на атмосферно налягане от 470 A/cm² За живачна дъга 4000 A/cm² във вакуум.

С намаляване на налягането площта, заета от катодното петно върху въглеродния катод, се увеличава при постоянна сила на тока.

Остротата на видимата граница на катодното петно се обяснява с факта, че сравнително бавно намаляване на температурата с разстояние от центъра на петното съответства на бърз спад както на светлинното излъчване, така и на термоелектронното излъчване, и това е еквивалентно на рязко "оптични" и "електрически" граници на петна.

Когато дъгата гори във въздуха, въглеродният катод се изостря, докато върху въглеродния анод, ако разрядът не покрива цялата предна част на анода, се образува кръгла вдлъбнатина - положителен дъгов кратер.

Образуването на катодното петно се обяснява по следния начин. Разпределението на пространствените заряди в тънък слой на катода е такова, че тук разрядът изисква за поддържането си толкова по-малка потенциална разлика, колкото по-малко е напречното сечение на разрядния канал. Следователно разрядът при катода трябва да се свие.

В непосредствена близост до катодното петно е част от разряда, наречена отрицателна катодна четка или отрицателен пламък. Дължината на катодната четка в дъгата при ниско налягане се определя от разстоянието, на което летят бързите първични електрони, получили скоростта си в областта на катодния спад на потенциала.

Между отрицателната четка и положителната колона има област, подобна на Фарадеевото тъмно пространство на светещ разряд. В дъгата на Петров във въздуха, в допълнение към негативната четка, има положителен пламък и редица ореоли. Спектрален анализ показва наличието в тези пламъци и ореоли на редица химични съединения (цианид и азотни оксиди).

Прекъснат (дори при използване на източници на постоянен ток). Това се случва в газ обикновено при налягане от порядъка на атмосферното. При естествени условия се наблюдава искров разряд под формата на мълния. Отвън искровият разряд е лъч от ярки зигзагообразни разклоняващи се тънки ивици, незабавно проникващи в изпускателната междина, бързо избледняващи и постоянно ...

Явления на преминаване на електрически ток през газовенаречени електрически (газови) разряди. Съществуват различни форми на електрически разряд, които се различават една от друга по големината на разрядния ток, напрежението, температурата и налягането на газа. Зарядите могат да бъдат стабилни и нестабилни (например искра). Няма строга количествена граница между изхвърлянията, един вид изхвърляне може да премине в друг. Основните видове разряди: тъмни, тлеещи, дъгови, искрови, коронни. Дъговият разряд е най-високата форма на разряд, която се различава от другите форми на разряд по своите физични свойства. По този начин тлеещият разряд има следните параметри:

налягане - няколко тора (mm Hg);
плътност на тока на катода - (10 -3 -10 -2) A / mm 2;
напрежение - (200-300) V;
катодно напрежение ~ 100 V.

Физични свойства на дъговия разряд:

налягане до 1 атм. и по-високи;
плътност на тока на катода - до 10 8 A / mm 2;
малка дължина на дъгата - до 20-30 mm;
ниско напрежение на дъгата - (12¸50) V;
висока температура на стълба на дъгата - (от 5 до 30) 10 3 K;
ослепителна яркост (поради рекомбинацията на заредени частици с освобождаването на светлинна енергия);
висока концентрация на заредени частици в катодната област на разряда.

Той получи името "дъга" за формата на ярко светещ шнур (стълб) на разряда, който в първите експерименти с разряди с малък ток се огъна нагоре с арка във формата на полумесец под действието на възходящи конвективни потоци от нагрят въздух от освобождаването от отговорност. Въпреки че в повечето случаи, например между вертикални електроди в ограничено затворено пространство, подобен разряд няма дъгообразна форма, първоначалното му име е запазено.

Дъговите разряди се използват широко в инженерството. Те са източници на светлина за прожектори и оборудване за прожектиране на филми, в специални CBD лампи със свръхвисоко налягане (до 100 atm). Дъгата се използва в гастрони, тиратрони, живачни токоизправители за изправяне на тока и контрол на неговата сила и др. Електрическата дъга се използва широко в металургията и заваръчната техника за нагряване и топене на метали.

Терминът "дъга" се прилага само за стабилни или квазистабилни видове разряди. Дъгата се счита за крайна форма на разряд, който се е развил при всякакви обстоятелства, ако през газа преминава достатъчно голям ток. Такъв разряд може да се получи по различни начини: от всеки стабилен разряд с ниска мощност; от нестабилен искров разряд или чрез натискане на два тоководещи, предконтактни електрода.

Приоритетът в откриването на дъговия разряд принадлежи на академик Василий Владимирович Петров - 1802 г. Той говори за възможността за използване на дъгов разряд за топене на метали. Това явление е наречено дъга от англичанина Гамфи Дейви, който независимо от Петров В. В. изследва това явление през 1808-1810 г.

Историята на развитието на технологиите през втората половина на 19 век е забележителна с разработването на начини за практическо използване на електричеството, включително за нагряване и топене на метал. През май 1981 г. целият свят, по решение на ЮНЕСКО, отбеляза най-важната паметна дата - 100-годишнината от създаването на промишлен метод за електродъгово заваряване на метали от руския изобретател Николай Николаевич Бенардос.

GOST 19521 включва 35 технологични разновидности на дъговия разряд. Като технологични характеристики на дъгата стандартът определя: вида на електрода, характера на въздействието върху основния метал, вида на използвания ток, наличието на външно влияние върху образуването на заваръчния шев, броя на електродите с общото захранване на заваръчния ток, наличието и посоката на колебание на електрода спрямо оста на заваръчния шев, броят на дъгите с отделен захранващ ток и др. Нека се спрем на най-значимите от тях.

Заваряванеможе да се извърши както с консумативен, така и с неконсумативен електрод. Като неконсумативен електрод най-често се използват графит или метали с висока точка на топене - молибден, тантал, волфрам и др. Дъгата може да се захранва с променлив или постоянен ток, както и комбиниран метод. При променлив ток честотата може да бъде не само 50 Hz, но и увеличена. Заваряването може да бъде дъга с пряко и непряко действие (фиг. 13). При заваряване с директна дъга, заваряваните части се включват в заваръчната верига, тяхното нагряване се извършва от енергията на заредените частици, достигащи до активното място. При заваряване с индиректна дъга частите, които трябва да бъдат заварени, не са включени в заваръчната верига, тяхното нагряване се извършва поради пренос на топлина (предимно лъчист) от стълба на дъгата.

Степента на йонизация на газа в дъгата е до няколко процента. Това се счита за висока степен на йонизация, тъй като при степен на йонизация над 0,01% газът е в състояние на плазма при температура над 3000 K. Това е нискотемпературна плазма.

При ръчно дъгово заваряване плътността на тока е (10-15) A / mm 2, при заваряване с консумативен електрод в защитни газове до 400 A / mm 2. Тези стойности са много по-малки от горепосочената стойност на плътността на тока върху катода до 10 8 A / mm 2, тъй като на практика плътността на тока се определя от съотношението му към напречната площ на електрода, и при изследване на физичните свойства на разряда - чрез съотношението на тока към площта на катодните клетки на челния електрод. Площта на тези клетки е много по-малка от площта на електрода и се определя от резултатите от високоскоростното заснемане на процеса.

Във физиката е обичайно да се нарича електрод всеки обект, към който е свързан проводник от източник на ток. При заваряването е обичайно да се нарича електрод - тел електрод, а плосък електрод - продукт. При заваряване с постоянен ток се прави разлика между прав и обратен поляритет. С директна полярност, катодът е електрод, с обратна полярност, продуктът. Заваряването с директна полярност се използва в по-малка степен, например при заваряване с неконсумативен електрод в инертни газове на стомани. Най-често заваряването с постоянен ток се извършва на обратна полярност.

Съставът на газовата фаза може да бъде различен - въздух, защитни газове, метални пари и компоненти на флюса или електродното покритие. Налягане на газа - от вакуум (не по-ниско от 50 torr) до няколко атмосфери.

Електрическите разряди са независими и несамостоятелни. При независими разряди заредените частици, необходими за съществуването на разряда, се образуват поради процесите, протичащи в самия разряд. Дъгата е независим разряд. Електрическите частици - електрони и йони се образуват поради процесите на излъчване и йонизация. Енергията на дъгата не е достатъчна за образуването на други видове частици.

Видове газоразрядни газове и тяхното приложение. Концепцията за плазма.

Отдел:

Счетоводство и право

Специалност:

юриспруденция

група:

съставен от:

Евтихевич А. А.

Учител:

Орловская Г.В.

2011 г
Съдържание:

Страница 1:газоразрядни

Приложение на газоразрядни

Страница 2:искров разряд

коронен разряд

Страница 3:Приложение на коронен разряд

страница 4:дъгов разряд

Страница 5:Приложение на дъгов разряд

тлеещ разряд

Страница 6-7:плазма

Страница 8:Литература

Газоотделяне- набор от процеси, които се случват, когато електрически ток протича през вещество в газообразно състояние. Обикновено протичането на ток става възможно само след достатъчна йонизация на газа и образуване на плазма. Йонизацията възниква поради сблъсък на електрони, ускорени в електромагнитно поле, с газови атоми. В този случай се получава лавинообразно увеличаване на броя на заредените частици, тъй като в процеса на йонизация се образуват нови електрони, които след ускорение също започват да участват в сблъсъци с атоми, причинявайки тяхната йонизация. Съществуването и поддържането на газов разряд изисква наличието на електрическо поле, тъй като плазмата може да съществува само ако електроните придобиват енергия във външно поле, достатъчно за йонизиране на атоми, а броят на образуваните йони надвишава броя на рекомбинираните йони.

Ако съществуването на газов разряд изисква допълнителна йонизация поради външни източници (например използване на йонизиращо лъчение), тогава газовият разряд се нарича зависим(такива разряди се използват в броячите на Гайгер).

За осъществяването на газоразряда се използват както постоянни във времето, така и променливи електрически полета.

В зависимост от условията, при които се образуват носители на заряд (налягане на газа, напрежение, приложено към електродите, форма и температура на електродите), се разграничават няколко вида независими разряди: тлеене, искра, корона, дъга.

Приложения на газоразрядни

Дъгов разряд за заваряване и осветление.
Супер високочестотен разряд.
Тлеещ разряд като източник на светлина във флуоресцентни лампи и плазмени екрани.
Искров разряд за запалване на работната смес в двигатели с вътрешно горене.
Коронен разряд за почистване на газове от прах и други замърсители, за диагностика на състоянието на конструкции.
Плазмотрони за рязане и заваряване.
Разряди за помпени лазери, като хелий-неонов лазер, азотен лазер, ексимерни лазери и др.

в брояч на Гайгер,
в йонизационни вакуумметри,
в тиратроните,
в критрони,
в тръба на Гайслер.

искров разряд. Нека прикрепим сферичните електроди към кондензаторната банка и да започнем да зареждаме кондензаторите с помощта на електрическа машина. Тъй като кондензаторите се зареждат, потенциалната разлика между електродите ще се увеличи и следователно силата на полето в газа ще се увеличи. Докато силата на полето е ниска, не могат да се видят промени в газа. Въпреки това, при достатъчна сила на полето (около 30 000 V / cm), между електродите се появява електрическа искра, която има формата на ярко светещ извит канал, свързващ двата електрода. Газът в близост до искрата се нагрява до висока температура и внезапно се разширява, което предизвиква звукови вълни и чуваме характерно пращене. Кондензаторите в тази настройка са добавени, за да направят искрата по-мощна и следователно по-ефективна.
Описаната форма на газов разряд се нарича искров разряд или искров разряд на газ. Когато възникне искров разряд, газът внезапно, рязко губи изолационните си свойства и става добър проводник. Силата на полето, при която възниква искров разпад на газ, има различна стойност за различните газове и зависи от тяхното състояние (налягане, температура). При дадено напрежение между електродите напрегнатостта на полето е толкова по-малка, колкото по-отдалечени са електродите един от друг. Следователно, колкото по-голямо е разстоянието между електродите, толкова по-голямо напрежение между тях е необходимо за възникване на искров пробив на газа. Това напрежение се нарича напрежение на пробив. Появата на повреда се обяснява по следния начин. Винаги има определено количество йони и електрони в газа, произтичащи от случайни причини. Обикновено обаче техният брой е толкова малък, че газът практически не провежда електричество. При относително ниска напрегнатост на полето, която срещаме при изследването на несамостоятелната проводимост на газовете, сблъсъците на йони, движещи се в електрическо поле, с неутрални газови молекули се случват по същия начин като сблъсъците на еластични топки. При всеки сблъсък движещата се частица предава част от своята кинетична енергия на почиващата частица и двете частици се разлитат след удара, но не настъпват вътрешни промени в тях. Въпреки това, при достатъчна сила на полето, кинетичната енергия, натрупана от йона между два сблъсъка, може да стане достатъчна, за да йонизира неутрална молекула при сблъсък. В резултат на това се образуват нов отрицателен електрон и положително зареден остатък, йон. Такъв процес на йонизация се нарича ударна йонизация, а работата, която трябва да бъде изразходвана, за да се произведе отделяне на електрона от атом, се нарича йонизационна работа. Стойността на йонизационната работа зависи от структурата на атома и следователно е различна за различните газове. Електроните и йоните, образувани под въздействието на ударна йонизация, увеличават броя на зарядите в газа и от своя страна се привеждат в движение под действието на електрическо поле и могат да предизвикат ударна йонизация на нови атоми. Така този процес се "подсилва", а йонизацията в газа бързо достига много голяма стойност. Всички явления са доста аналогични на лавина в планината, за възникването на която е достатъчна незначителна буца сняг. Поради това описаният процес беше наречен йонна лавина. Образуването на йонна лавина е процесът на искров разпад, а минималното напрежение, при което възниква йонна лавина, е пробивното напрежение. Виждаме, че в случай на искров пробив причината за йонизацията на газа е разрушаването на атоми и молекули при сблъсъци с йони. Един от естествените представители на искровия разряд е мълнията - красива и небезопасна.
коронен разряд. Възникването на йонна лавина не винаги води до искра, но може да предизвика и различен тип разряд - коронен разряд. Нека опънем върху две високи изолационни опори метална жица AB с диаметър няколко десети от милиметъра и да я свържем към отрицателния полюс на генератор, даващ напрежение от няколко хиляди волта, например към добра електрическа машина. Ще пренесем втория полюс на генератора към Земята. Ще получим един вид кондензатор, чиито пластини са нашата жица и стените на стаята, които, разбира се, комуникират със Земята. Полето в този кондензатор е много неравномерно и неговият интензитет е много висок в близост до тънък проводник. Чрез постепенно увеличаване на напрежението и наблюдение на проводника на тъмно може да се забележи, че при известно напрежение в близост до проводника се появява слабо сияние („корона“), покриващо проводника от всички страни; придружава се от съскащ звук и леко пращене. Ако чувствителен галванометър е свързан между проводника и източника, тогава с появата на блясък галванометърът показва забележим ток, преминаващ от генератора по проводниците към проводника и от него през въздуха на помещението към стените, свързани към другия полюс на генератора. Токът във въздуха между проводника AB и стените се носи от йони, образувани във въздуха поради ударна йонизация. По този начин светенето на въздуха и появата на ток показват силна йонизация на въздуха под действието на електрическо поле. Коронен разряд може да възникне не само на жицата, но и на върха и изобщо на всички електроди, близо до които се образува много силно нехомогенно поле.
Приложение на коронен разряд
1) Електрическо почистване на газ (електрически филтри). Съд, пълен с дим, изведнъж става напълно прозрачен, когато в него се вкарат остри метални електроди, свързани с електрическа машина. Вътре в стъклената тръба има два електрода: метален цилиндър и тънка метална жица, окачена по оста му. Електродите са свързани към електрическа машина. Ако поток от дим (или прах) се издуха през тръбата и машината се задвижи, веднага щом напрежението стане достатъчно за образуване на корона, изходящият поток от въздух ще стане напълно чист и прозрачен, и целият твърд и течните частици, съдържащи се в газа, ще се отложат върху електродите.
Обяснението за опита е следното. Веднага щом короната се запали близо до жицата, въздухът вътре в тръбата е силно йонизиран. Газовите йони, сблъсквайки се с прахови частици, се "залепват" за последните и ги зареждат. Тъй като вътре в тръбата действа силно електрическо поле, заредените частици се придвижват под действието на полето към електродите, където се установяват. Описаното явление в момента намира техническо приложение за пречистване на промишлени газове в големи обеми от твърди и течни примеси.
2) Броячи на елементарни частици. Коронният разряд е в основата на работата на изключително важни физически устройства: така наречените броячи на елементарни частици (електрони, както и други елементарни частици, които се образуват при радиоактивни трансформации). Един тип брояч (брояч на Гайгер-Мюлер) е показан на фигура 1.
Състои се от малък метален цилиндър А, снабден с прозорец, и тънък метален проводник, опънат около оста на цилиндъра и изолиран от него. Броячът е свързан към верига, съдържаща източник на напрежение V от няколко хиляди волта. Напрежението се избира така, че да е само малко по-малко от "критичното", т.е. необходимо за запалване на коронния разряд вътре в измервателния уред. Когато бързо движещ се електрон навлезе в брояча, последният йонизира газовите молекули вътре в брояча, което води до известно намаляване на напрежението, необходимо за запалване на короната. В брояча възниква разряд и във веригата се появява слаб краткотраен ток.
Токът, възникващ в измервателния уред, е толкова слаб, че е трудно да се открие с обикновен галванометър. Въпреки това, може да се направи доста забележимо, ако във веригата се въведе много голямо съпротивление R и успоредно с него се свърже чувствителен електрометър E. Когато във веригата се появи ток I, в краищата на веригата се създава напрежение U съпротивление, равно на закона на Ом U = IxR. Ако изберем стойност на съпротивлението R много голяма (много милиони ома), но много по-малка от съпротивлението на самия електрометър, тогава дори много малък ток ще предизвика забележимо напрежение. Следователно, при всяко попадане на бърз електрон вътре в брояча, листовката на електрометъра ще даде отхвърляне.
Такива броячи позволяват да се регистрират не само бързи електрони, но като цяло всякакви заредени, бързо движещи се частици, способни да произвеждат йонизация на газа чрез сблъсъци. Съвременните броячи могат лесно да открият дори една частица, която влиза в тях, и следователно дават възможност да се уверите с пълна сигурност и много голяма яснота, че елементарните частици наистина съществуват в природата.
дъгов разряд. През 1802 г. В. В. Петров установява, че ако две парчета въглен се прикрепят към полюсите на голяма електролитна батерия и, довеждайки въглищата в контакт, леко ги разделят, тогава между краищата на въглищата и краищата на въглищата се образува ярък пламък. самите въглени се нажежават до бяло. Чрез излъчване на ослепителна светлина (електрическа дъга). Това явление е наблюдавано независимо седем години по-късно от английския химик Дейви, който предлага да нарече тази дъга „волтаична“ на името на Волта.
Обикновено осветителната мрежа се захранва от променлив ток. Дъгата обаче гори по-стабилно, ако през нея се пусне постоянен ток, така че единият й електрод винаги е положителен (анод), а другият отрицателен (катод). Между електродите има колона горещ газ, добър проводник на електричество. При обикновените дъги този стълб излъчва много по-малко светлина от горещите въглища. Положителните въглища, които имат по-висока температура, горят по-бързо от отрицателните въглища. Поради силната сублимация на въглища върху него се образува вдлъбнатина - положителен кратер, който е най-горещата част на електродите. Температурата на кратера във въздуха при атмосферно налягане достига 4000 °C.
Дъгата може да гори и между метални електроди (желязо, мед и др.). В този случай електродите се топят и бързо се изпаряват, което консумира много топлина. Следователно температурата на кратера на метален електрод обикновено е по-ниска от тази на въглероден електрод (2000-2500 °C).
Чрез предизвикване на изгаряне на дъга между въглеродните електроди в сгъстен газ (около 20 atm), беше възможно да се доведе температурата на положителния кратер до 5900 °C, т.е. до температурата на повърхността на Слънцето. При това състояние се наблюдава топене на въглища.
Още по-висока температура има колона от газове и пари, през които възниква електрически разряд. Енергичното бомбардиране на тези газове и пари от електрони и йони, задвижвани от електрическото поле на дъгата, довежда температурата на газовете в колоната до 6000-7000°. Поради това в колоната на дъгата почти всички известни вещества се стопяват и превръщат в пари и стават възможни много химични реакции, които не протичат при по-ниски температури. Не е трудно например да се стопят огнеупорни порцеланови пръчки в пламък на дъга.
За поддържане на дъгов разряд е необходимо малко напрежение: дъгата гори добре, когато напрежението на нейните електроди е 40-45 V. Токът в дъгата е доста значителен. Така например, дори в малка дъга, тече ток от около 5 A, а в големите дъги, използвани в промишлеността, токът достига стотици ампери. Това показва, че съпротивлението на дъгата е малко; следователно, светещата газова колона също провежда добре електричество.
Такава силна йонизация на газа е възможна само поради факта, че катодът на дъгата излъчва много електрони, които с ударите си йонизират газа в разрядното пространство. Силното излъчване на електрони от катода се осигурява от факта, че самият катод на дъгата се нагрява до много висока температура (от 2200° до 3500°C в зависимост от материала). Когато за първи път поставим въглищата в контакт, за да запалим дъгата, тогава в точката на контакт, която има много голямо съпротивление, се освобождава почти цялата джаулова топлина на тока, преминаващ през въглищата. Следователно краищата на въглените са много горещи и това е достатъчно, за да избухне дъга между тях, когато се раздалечат. В бъдеще катодът на дъгата се поддържа в нагрято състояние от самия ток, преминаващ през дъгата. Основна роля за това играе бомбардирането на катода от попаднали върху него положителни йони.
Приложение на дъгов разряд
Поради високата температура дъговите електроди излъчват ослепителна светлина и затова електрическата дъга е един от най-добрите източници на светлина. Консумира само около 0,3 вата на свещ и е значително по-икономичен. От най-добрите лампи с нажежаема жичка. Електрическата дъга е използвана за първи път за осветление от П. Н. Яблочков през 1875 г. и е наречена „Руска светлина“ или „Северна светлина“.
Електрическата дъга се използва и за заваряване на метални части (електродъгово заваряване). Понастоящем електрическата дъга се използва много широко в промишлените електрически пещи. В световната индустрия около 90% от инструменталната стомана и почти всички специални стомани се топят в електрически пещи.
Голям интерес представлява живачна дъга, горяща в кварцова тръба, така наречената кварцова лампа. В тази лампа дъговият разряд не се случва във въздуха, а в атмосфера на живачни пари, за които в лампата се въвежда малко количество живак и въздухът се изпомпва. Светлината на живачната дъга е изключително богата на невидими ултравиолетови лъчи, които имат силно химично и физиологично въздействие. Живачните лампи намират широко приложение при лечението на различни заболявания ("изкуствено планинско слънце"), както и в научните изследвания като силен източник на ултравиолетови лъчи.
тлеещ разряд. В допълнение към искрата, короната и дъгата, има и друга форма на саморазреждане в газовете - така нареченият тлеещ разряд. За да се получи този тип разряд, е удобно да се използва стъклена тръба с дължина около половин метър, съдържаща два метални електрода. Ще свържем електродите към източник на постоянен ток с напрежение от няколко хиляди волта (подходяща е електрическа машина) и постепенно ще изпомпваме въздух от тръбата. При атмосферно налягане газът вътре в тръбата остава тъмен, тъй като приложеното напрежение от няколко хиляди волта не е достатъчно, за да пробие дълга газова междина. Въпреки това, когато налягането на газа спадне достатъчно, светлинен разряд мига в тръбата. Той има формата на тънък шнур (пурпурен във въздуха, други цветове в други газове), свързващ двата електрода. В това състояние газовата колона провежда добре електричество.
При по-нататъшно изпразване, светещият кабел се размива и разширява, а сиянието изпълва почти цялата тръба. Разграничете следните две части на разряда: 1) несветеща част, съседна на катода, наречена тъмно катодно пространство; 2) светещ стълб от газ, който изпълва останалата част от тръбата, до самия анод. Тази част от разряда се нарича положителна колона.
И ето как работи. При тлеещ разряд газът провежда добре електричеството, което означава, че през цялото време в газа се поддържа силна йонизация. В този случай, за разлика от дъговия разряд, катодът остава студен през цялото време. Защо в този случай се образуват йони?
Спадът на потенциала или напрежението на сантиметър от дължината на газовия стълб в тлеещ разряд е много различен в различните части на разряда. Оказва се, че почти целият потенциален спад пада върху тъмното пространство. Потенциалната разлика, която съществува между катода и най-близката до него граница на пространството, се нарича катоден потенциален спад. Измерва се в стотици, а в някои случаи и хиляди волта. Изглежда, че целият разряд съществува поради това падане на катода.
Значението на падането на катода е, че положителните йони, преминавайки през тази голяма потенциална разлика, придобиват по-голяма скорост. Тъй като катодното падане е концентрирано в тънък слой газ, почти няма сблъсъци на йони с газови атоми и следователно, преминавайки през областта на катодното падане, йоните придобиват много голяма кинетична енергия. В резултат на това, когато се сблъскат с катода, те избиват известно количество електрони от него, които започват да се движат към анода. Преминавайки през тъмното пространство, електроните от своя страна се ускоряват от катодния спад на потенциала и при сблъсък с газови атоми в по-отдалечената част на разряда предизвикват ударна йонизация. Положителните йони, които възникват в този случай, отново се ускоряват от падането на катода и избиват нови електрони от катода и т.н. Така всичко се повтаря, докато има напрежение върху електродите.
Това означава, че виждаме, че причините за йонизацията на газа в тлеещ разряд са ударна йонизация и избиване на електрони от катода от положителни йони.
Този разряд се използва главно за осветление. Прилага се във флуоресцентна лампа.

Думата "плазма" (от гръцки. "плазма" - "украсена") в средата на XIX век. започнали да наричат безцветната част на кръвта (без червени и бели тела) и течността, която изпълва живите клетки. През 1929 г. американските физици Ървинг Лангмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) наричат йонизирания газ в газоразрядна тръба плазма. Английският физик Уилям Крукс (1832-1919), който изучава електрическия разряд в тръби с разреден въздух, пише: "Явленията в вакуумираните тръби откриват нов свят за физическата наука, в който материята може да съществува в четвърто състояние." Всяко вещество променя състоянието си в зависимост от температурата. И така, водата при отрицателни (по Целзий) температури е в твърдо състояние, в диапазона от 0 до 100 "C - в течно състояние, над 100 ° C - в газообразно състояние. Ако температурата продължи да се повишава, атомите и молекулите започват да губят своите електрони - те се йонизират и газът се превръща в плазма. При температури над 1 000 000 °C плазмата е абсолютно йонизирана - състои се само от електрони и положителни йони. Плазмата е най-често срещаното състояние на материята в природата, тя отчита около 99% от масата на Вселената.Слънце, повечето звезди, мъглявини - това е напълно йонизирана плазма. Външната част на земната атмосфера (йоносфера) също е плазма. Радиационните пояси, съдържащи плазма, са разположени още по-високо. Полярни сияния, светкавици , включително топките, са всички различни видове плазма, които могат да се наблюдават в естествени условия на Земята. И само незначителна част от Вселената се състои от материя в твърдо състояние - планети, астероиди и прахови мъглявини. Плазмата във физиката се разбира като газ, състоящ се от на електрически заредени и неутрални частици, в които общият електрически заряд е нула, t. условието за квазинеутралност е изпълнено (следователно, например, лъч от електрони, летящ във вакуум, не е плазма: той носи отрицателен заряд). ПЛАЗМАТА е частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са почти еднакви. В лабораторни условия плазмата се образува при електрически разряд в газ, в процесите на горене и експлозия. Когато лазерният лъч беше фокусиран от леща, във въздуха в областта на фокуса избухна искра и там се образува плазма. Това предизвика голям интерес сред физиците. Първите зародишни електрони се появяват в резултат на изхвърлянето им от атомите на средата след едновременното поглъщане на няколко фотона от светлинна вълна. Енергията на всеки фотон на рубинен лазер е 1,78 eV. Освен това свободният електрон, поглъщайки фотони, достига енергия от 10 eV, достатъчна за йонизация и раждане на нов електрон в процеса на сблъсък с атомите на средата. Изхвърлянето може да гори дълго време и свети с ослепителна бяла светлина, невъзможно е да го гледате без тъмни очила. Необичайно високата температура, уникално свойство на оптичния заряд, предоставя големи възможности за използването му като източник на светлина. Възможността за създаване на плазмена нишка с лазерна светлина отваря възможности за предаване на енергия на разстояние. Носители на заряд в плазмата са електрони и йони, образувани в резултат на йонизацията на газа. Съотношението на броя на йонизираните атоми към общия им брой в единица обем плазма се нарича степен на йонизация на плазмата (а). В зависимост от стойността на a се говори за слабо йонизирана (a - части от процента), частично йонизирана (a - няколко процента) до напълно йонизирана (a е близо до 100%) плазма. Средните кинетични енергии на различните видове частици, които изграждат плазмата, могат да бъдат различни. Следователно в общия случай плазмата се характеризира не с една температурна стойност, а с няколко - разграничават електронната температура Te, йонната температура Ti и температурата на неутралните Ta атоми. Плазма с йонна температура Ti< 105 К называют низкотемпературной, а с Тi >106 K - висока температура. Високотемпературната плазма е основният обект на изследване на CTF (контролиран термоядрен синтез). Нискотемпературната плазма се използва в газоразрядни източници на светлина, газови лазери, MHD генератори и др. Плазмата се използва най-широко в осветителната техника - в газоразрядни лампи за улично осветление и луминесцентни лампи, използвани на закрито. И освен това в различни газоразрядни устройства: токоизправители на електрически ток, стабилизатори на напрежение, плазмени усилватели и микровълнови генератори, броячи на космически частици. Всички така наречени газови лазери (хелий-неонови, криптонови, въглеродни двуокисни и др.) всъщност са плазмени: газовите смеси в тях се йонизират чрез електрически разряд. Свойствата, характерни за плазмата, се притежават от електрони на проводимост в метал (йони, неподвижно фиксирани в кристалната решетка, неутрализират своите заряди), набор от свободни електрони и подвижни "дупки" (вакансии) в полупроводниците. Следователно такива системи се наричат плазма от твърди тела.Газовата плазма обикновено се разделя на нискотемпературна - до 100 хиляди градуса и високотемпературна - до 100 милиона градуса. Има генератори на нискотемпературна плазма - плазмени горелки, които използват електрическа дъга. С помощта на плазмена горелка можете да загреете почти всеки газ до 7000-10000 градуса за стотни и хилядни от секундата. Със създаването на плазмената горелка възниква нова област на науката - плазмената химия: много химични реакции се ускоряват или протичат само в плазмена струя. Плазматроните се използват както в минната промишленост, така и за рязане на метали. Създадени са също плазмени двигатели и магнитохидродинамични електроцентрали. Разработват се различни схеми за плазмено ускоряване на заредени частици. Централната задача на физиката на плазмата е проблемът за контролирания термоядрен синтез. Термоядрените реакции се наричат реакции на синтез на по-тежки ядра от ядрата на леки елементи (предимно водородни изотопи - деутерий D и тритий T), протичащи при много високи температури (> 108 K и по-високи). При естествени условия термоядрените реакции протичат на Слънцето: водородните ядра се комбинират помежду си помежду си, образувайки хелиеви ядра, докато се освобождава значително количество енергия. Реакция на изкуствен синтез е извършена във водородна бомба.

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

Национален изследователски Томски политехнически университет

Катедра Техника на високото напрежение и електрофизика

курсов проект

Предмет "Приложна физика и плазмена химия"

дъгов разряд

Попълнено от ученик от група 4ТМ41

Аширбаев М.Е.

Проверено от професор, д.ф.-м.с. ТЕВН

Пушкарев А.И.

Томск, 2015 г

електродъгов разряд катоден ток-напрежение

1. Обща информация

2. Свойства на дъговия разряд

2.1 Образуване на дъга

2.2 Катодно петно. Външен вид и отделни части на дъговия разряд

2.3 Разпределение на потенциала и ток-напрежение по време на дъгов разряд

2.4 Температура и излъчване на отделни части на дъговия разряд

2.5 Генериране на непрекъснати трептения с помощта на електрическа дъга

3. Прилагане на електродъгов разряд

3.1 Съвременни методи за електрическа обработка

3.2 Дъгово заваряване

3.3 Плазмени технологии

3.4 Плазмено заваряване

Заключение

Списък на използваните източници

1. Обща информация

Дъговият разряд под формата на така наречената електрическа дъга е открит за първи път през 1802 г. от руски учен, професор по физика във Военномедико-хирургическата академия в Санкт Петербург, а по-късно и академик на Санкт Петербургската академия на науките , Василий Владимирович Петров. Петров описва в една от издадените си книги първите си наблюдения върху електрическа дъга със следните думи:

Пътят към електрическата дъга започва в древни времена. Още гръцкият Талес от Милет, живял през VI в. пр. н. е., е познавал свойството на кехлибара да привлича леки предмети при триене - пера, слама, коса и дори да създава искри. До XVII век това е единственият метод за наелектризиране на тела, който няма практическо приложение. Учените са търсили обяснение на този феномен.

Английският физик Уилям Гилбърт (1544--1603) установи, че други тела (например планински кристал, стъкло), като кехлибар, имат свойството да привличат леки предмети след триене. Той нарече тези свойства електрически, като за първи път въведе този термин в употреба (на гръцки кехлибарът е електрон).

От голямо значение беше изобретяването през осемнадесети век на лейденския буркан - кондензатор, който направи възможно акумулирането на електричество. Това беше стъклен съд, пълен с вода, увит във фолио. Метален прът, прекаран през тапа, се потапя във вода.

Френският физик Шарл Кулон (1736--1806) - основателят на електростатиката - през 1785 г. установи, че силата на взаимодействие на електрическите заряди е пропорционална на техните величини и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

М. В. Ломоносов (1711-1765), Леонард Ойлер (1707-1783), Франц Епин (1724-1802) и други учени излязоха с оригинални теории за природата на електричеството. До края на осемнадесети век свойствата и поведението на фиксираните заряди са достатъчно проучени и обяснени до известна степен. Въпреки това, нищо не се знае за електрическия ток - движещи се заряди, тъй като не е имало устройство, което да накара голям брой заряди да се движат. Токът, изтеглен от електростатичната машина, беше твърде малък, за да бъде измерен.

2. Свойства на дъговия разряд

2.1 Образуване на дъга

Ако силата на тока се увеличи в тлеещ разряд, намалявайки външното съпротивление, тогава при висока сила на тока напрежението в скобите на тръбата започва да пада, разрядът бързо се развива и се превръща в дъгов разряд. В повечето случаи преходът се извършва рязко и почти често се стига до късо съединение. При избора на съпротивлението на външната верига е възможно да се стабилизира преходната форма на разряда и да се наблюдава при определени налягания непрекъснат преход на тлеещ разряд в дъга. Успоредно с падането на напрежението между електродите на тръбата се наблюдава повишаване на катодната температура и постепенно намаляване на катодния спад.

Използването на обичайния метод за запалване на дъга чрез раздалечаване на електродите се дължи на факта, че дъгата гори при относително ниски напрежения от десетки волта, докато за запалване на тлеещ разряд е необходимо напрежение от порядъка на десетки киловолта при атмосферно налягане. Процесът на запалване при раздалечаване на електродите се обяснява с локално нагряване на електродите поради образуването на лош контакт между тях в момента на прекъсване на веригата. Въпросът за развитието на дъга при прекъсване на веригата е технически важен не само от гледна точка на получаване на "полезни" дъги, но и от гледна точка на борбата с "вредните" дъги, например с образуването на дъга при отваряне на нож. Нека L е самоиндукцията на веригата, W е нейното съпротивление, b е емф. източник на ток U(I) е функция на характеристиката ток-напрежение на дъгата. Тогава трябва да имаме:

b= L dI/dt+WI+U(I) (1)

LdI/dt=(b-WI)-U(I)=? (2)

Разликата (b - WI) не е нищо повече от ординатата на прякото съпротивление AB (фиг. 1), а U (I) е ординатата на дъговата характеристика за даден I. За да бъде dI / dt отрицателно, т.е. За да може токът I със сигурност да намалее с времето и да не се образува стабилна дъга между електродите на превключвателя, е необходимо

Ориз. 1. Относителното положение на съпротивителната линия и кривата на вольтамперната характеристика на постоянна дъга за случаите: а) когато дъгата не може да възникне при прекъсване на веригата; б) когато дъгата се появи при прекъсване на интервала на силата на тока, съответстващ на точките P и Q.

се състоя?<0, т. е. надо, чтобы во всех точках характеристики соблюдалось неравенство U(I)>b-wi. За да направите това, характеристиката с всичките си точки трябва да лежи над линията на съпротивление (фиг. 1, а). Това просто заключение не отчита капацитета във веригата и се отнася само за постоянен ток.

Точката на пресичане на директното съпротивление с кривата на характеристиката ток-напрежение на постоянна дъга съответства на най-ниската граница на силата на постоянен ток, при която може да възникне дъга, когато веригата е счупена (фиг. 1, б) . В случай на отваряне на дъга с променлив ток с ножов прекъсвач, който изгасва при всеки преход на напрежението през нула, от съществено значение е условията, съществуващи в разрядната междина по време на отварянето, да не позволяват ново запалване на дъгата с последващо увеличение в напрежението на източника на ток. Това изисква разрядната междина да бъде достатъчно дейонизирана с увеличаване на напрежението. В превключватели с големи променливи токове изкуствено се постига повишена дейонизация чрез въвеждане на специални електроди, които изсмукват заредени газови частици поради биполярна дифузия, както и чрез използване на механично издухване или чрез излагане на разряда на магнитно поле. При високо напрежение се използват маслени превключватели.

2.2 катодно петно. Външен вид и отделни части на дъговия разряд

Катодното петно, фиксирано върху въглеродния катод, върху повърхността на течния живак е в непрекъснато бързо движение. Положението на катодното петно върху повърхността на течния живак може да се фиксира с метален щифт, потопен в живака и леко стърчащ от него.

В случай на малко разстояние между анода и катода, топлинното излъчване на анода силно влияе върху свойствата на катодното петно. При достатъчно голямо разстояние между анода и въглеродния катод размерите на катодното петно клонят към определена постоянна гранична стойност, а площта, заета от катодното петно върху въглеродния електрод във въздуха, е пропорционална на силата на тока и съответства на атмосферно налягане от 470 A/cm2 За живачна дъга във вакуум 4000 A/cm2.

При хоризонтално разположение на електродите и високо налягане на газа положителният стълб на дъговия разряд се огъва нагоре под действието на конвекционните токове на газа, нагрят от разряда. Оттук и самото име на дъговия разряд.

2.3 Разпределение на потенциала и ток-напрежение по време на дъгов разряд

В дъгата на Петров високата температура и високото налягане правят невъзможно използването на метода на сондата за измерване на потенциалното разпределение.

Спадът на потенциала между дъговите електроди е сумата от катодния спад и Uk, анодния спад Ua и спада в положителния стълб. Сумата от падовете на катодния и анодния потенциал може да се определи чрез приближаване на анода и катода, докато положителният стълб изчезне и измерване на напрежението между електродите. В случай на дъга при ниско налягане, може да се определят стойностите на потенциала в две точки на стълба на дъгата, като се използва методът на характеристиката на сондата, да се изчисли надлъжният градиент на потенциала от това и след това да се изчислят както анодните, така и катодните падания на потенциала.

Установено е, че при дъгов разряд при атмосферно налягане сумата от катодните и анодните падове е приблизително същата стойност като йонизационния потенциал на газа или парата, в които възниква разрядът.

В техниката на използване на дъгата на Петров с въглеродни електроди обикновено се използва емпиричната формула на Аертон:

U=a+bl+(c+dl)/I (3)

Тук U е напрежението между електродите, I е токът в дъгата, l е дължината на дъгата, a, b, c и d са четири константи. Характеристичната формула (3) е зададена за дъга между въглеродни електроди във въздуха. Под l се разбира разстоянието между катода и равнината, прекарана през ръбовете на положителния кратер.

Нека пренапишем формула (4) във формата

U=a+c/I+l(b+d/I). (четири)

В (4) членовете, съдържащи фактора l, съответстват на спада на потенциала в положителната колона; първите два члена са сумата от катодния и анодния спад Uk+Ua. Константите в (3) зависят от налягането на въздуха и от условията на охлаждане на електродите и, следователно, от размера и формата на въглищата.

В случай на дъгов разряд в вакуумиран съд, пълен с метални пари (например живачни), налягането на парите зависи от температурата на най-студените части на съда и следователно ходът на характеристиката силно зависи от охлаждането условия на цялата тръба.

Динамичната характеристика на дъговия разряд е много различна от статичната. Видът на динамичната характеристика зависи от скоростта на промяна на режима на дъгата. Практически най-интересната характеристика на дъгата при захранване с променлив ток. Едновременната осцилография на тока и напрежението дава картината, показана на фиг.2. Характеристиката на дъгата, начертана от тези криви за целия период, има формата, показана на фиг. 2. Пунктираната линия показва поведението на напрежението при липса на разряд.

Ориз. 2. Осцилограма на тока и напрежението на дъговия разряд при нискочестотен променлив ток. Точки A, B, C и т.н. съответстват на точките, обозначени със същите букви

Катодът, който все още не е имал време да се охлади след изхвърлянето, което се е случило в предишния полупериод на тока, от самото начало на полупериода, когато външната емф. преминава през нула, излъчва електрони. От точка О до точка А характеристиката съответства на несамостоятелен разряд, чийто източник са електроните, излъчени от катода. В точка А дъгата се запалва. След точка А разрядният ток бързо нараства. При наличие на съпротивление във външната верига напрежението между дъговите електроди пада, въпреки че е.д.с. източник на ток (пунктирана линия на фиг. 3), преминаващ през синусоидата, се увеличава още повече. С намаляване на напрежението и тока, подавани от външен източник, разрядният ток започва да намалява.

С намаляване на тока в дъгата напрежението между нейните електроди може отново да се увеличи в зависимост от външното съпротивление, но част от характеристиката на BC на фиг. 3 може да бъде хоризонтална или да има обратен наклон. В точка С дъгата изгасва.

След точка C, несамостоятелният разряден ток намалява до нула заедно с намаляване на напрежението между електродите.

След като напрежението премине през нула, бившият анод започва да играе ролята на катод и картината се повтаря с противоположни знаци на ток и напрежение.

Видът на динамичната характеристика се влияе от всички условия, които определят режима на дъгата: разстоянието между електродите, стойността на външното съпротивление, самоиндукцията и капацитета на външната верига, честотата на променливия ток, захранващ дъгата, и т.н. .

Ако променливо напрежение с амплитуда, по-малка от напрежението на постоянния ток, захранващ дъгата, се приложи към електродите на дъгата, захранвана с постоянен ток, тогава характеристиката има формата на затворен контур, покриващ статичната характеристика слънцеот две страни. С увеличаване на честотата на променливия ток, оста на този контур се върти, самият контур се сплесква и накрая има тенденция да приеме формата на прав сегмент ОАминаваща през началото (фиг. 3).

Ориз. 3. Промяна в динамичния отговор при повишена честота на променлив ток, насложен върху постоянен

При много ниска честота веригата на динамичната характеристика се превръща в сегмент от статичната характеристика на VS, тъй като всички вътрешни параметри на разряда, по-специално концентрацията на йони и електрони, имат време във всяка точка на характеристиката да вземе стойности, съответстващи на стационарен разряд за дадени U и I. Обратно, при много бърза промяна и параметрите на разряда нямат време да се променят изобщо, следователно I се оказва пропорционален на и, което съответства на права OA, минаваща през началото на координатите. По този начин, с увеличаване на честотата на променливия ток, характеристичната верига (фиг. 3) се увеличава във всичките си точки.

Във връзка с възможността за пълна йонизация на газ в дъгов разряд възниква въпросът за прекъсване на дъгата при ниско налягане на газа и много високи токове. Важна роля във феномена на прекъсване на дъгата играе значително намаляване на плътността на газа поради електрофореза и засмукване на йони към стените, особено на места, където разрядната междина е много тясна. На практика това води до необходимостта да се избягват прекомерни стеснения при изграждането на живачни токоизправители за много големи токове.

Електротехниците, които първи се занимаваха с електрическа дъга, се опитаха да приложат закона на Ом и в този случай. За да получат резултатите от изчислението според закона на Ом, съответстващи на реалността, те трябваше да въведат концепцията за обратната електродвижеща сила на дъгата. По аналогия с явленията в галваничните клетки, очакваната поява на тази ем.с. наречена дъгова поляризация. Въпросът за обратната емф. На дъгата са посветени трудовете на руските учени Д. А. Лачинов и В. Ф. Миткевич. По-нататъшното развитие на идеите за електрическите разряди в газовете показа, че такава формулировка на въпроса е чисто формална и може успешно да бъде заменена от идеята за характеристика на падаща дъга. Валидността на тази гледна точка се потвърждава от неуспеха на всички опити за пряко експериментално откриване на обратната ЕМП. електрическа дъга.

2.4 Температура и излъчване на отделни части на дъговия разряд

В случай на дъга във въздуха между въглеродните електроди преобладава излъчването от нажежени електроди, главно от положителния кратер. Анодното излъчване, подобно на излъчването на твърдо тяло, има непрекъснат спектър. Интензивността му се определя от температурата на анода. Последното е характерна стойност за дъга в атмосферен въздух с анод, изработен от даден материал, тъй като температурата на анода не зависи от силата на тока и се определя единствено от температурата на топене или сублимация на анодния материал. Температурата на топене или сублимация зависи от налягането, под което се намира топящото се или сублимиращо тяло. Следователно температурата на анода, а оттам и интензивността на излъчване на положителния кратер, зависят от налягането, при което гори дъгата. В това отношение са известни класически експерименти с въглеродна дъга под налягане, което доведе до много високи температури.

Изменението на температурата на положителен кратер с налягане е дадено от кривата на фиг. 4. На този чертеж е нанесена права линия, върху която са положени точки за налягания от 1 atm. и по-висока потвърждава предположението, че температурата на положителния кратер се определя от температурата на топене или сублимация на анодния материал, тъй като в този случай трябва да има линейна зависимост между ln Ри 1/Т. Отклонението от линейната зависимост при по-ниско налягане се обяснява с факта, че при налягане под 1 атм. количеството топлина, отделена на анода, не е достатъчно, за да загрее анода до неговата температура на топене или сублимация.

Ориз. 4. Промяна на температурата на въглеродния анод на електрическа дъга във въздуха с промяна на налягането. Мащабът по оста y е логаритмичен

Температурата на катодното петно на дъгата на Петров винаги е няколкостотин градуса по-ниска от температурата на положителния кратер. Високите температури на кабела на дъгата не могат да се определят с термобатарея или болометър. В момента се използват спектрални методи за определяне на температурата в дъгата. При високи токове температурата на газа в дъгата на Петров може да бъде по-висока от температурата на анода и да достигне 6000 ° К. Такива високи температури на газа са характерни за всички случаи на разреждане на дъгата при атмосферно налягане. В случай на много високи налягания (десетки и стотици атмосфери), температурата в централните части на кабелната положителна дъгова колона достига 10 000 ° К. При дъгов разряд при ниско налягане температурата на газа в положителната колона е от същият ред като в положителната колона на тлеещ разряд.

Температурата на кратера с положителна дъга е по-висока от температурата на катода, тъй като в анода целият ток се носи от електрони, бомбардиращи и нагряващи анода. Електроните даряват на анода не само цялата кинетична енергия, придобита в областта на падането на анода, но и работата на работа (латентната топлина на изпарение на електроните). Напротив, малък брой положителни йони удрят катода и го бомбардират и нагряват в сравнение с броя на електроните, удрящи анода при същата сила на тока. Останалата част от тока на катода се извършва от електрони, които, когато се освободят, в случая

термоелектронна дъга, топлинната енергия на катода се изразходва за работата на работа.

2.5 Генериране на непрекъснати трептения с помощта на електрическа дъга

Поради факта, че дъгата има падаща характеристика, тя може да се използва като генератор на непрекъснати трептения. Диаграма на такъв генератор на дъга е показана на фиг. 5. Условията за генериране на трептения в тази схема могат да бъдат изведени от разглеждане на условията за устойчивост на стационарен разряд при дадени параметри на външната верига. Нека електродвижещата сила на източника на постоянен ток, захранващ разряда (фиг. 5), е равна на b, напрежението между електродите на тръбата U, силата на стационарния ток през разрядната тръба в този режим е равна на I, капацитетът на катодния анод на тръбата плюс капацитетът на всички захранващи проводници C, самоиндукция във верига L, съпротивлението, през което се подава ток от източника, R.

Ориз. 5. Принципна схема на дъговия генератор.

В стабилен режим на постоянен ток ще имаме:

b= Uо+IR (5)

Да приемем, че този стационарен режим е нарушен. Токът на разреждане във всеки даден момент е аз+ аз, където аз- малка стойност, а потенциалната разлика между електродите е равна на U. Нека въведем обозначението U?=dU/dI (dU/d аз)i=0 е равна на тангенса на наклона на тангентата на ток-напрежението в работната точка, съответстваща на първоначално избрания режим (ток I). Да видим как ще се промени аз. Ако азще се увеличи, тогава този режим на разреждане е нестабилен; ако, напротив, азнамалява безкрайно, тогава режимът на разреждане е стабилен.

Нека се обърнем към ток-напрежението на разглежданата разрядна междина U= f(аз+аз) - през тръбата протича ток аз+ази капацитет ОТзареждане (или разреждане). Потенциална разлика в капацитета ОТсе балансира в този случай не само от напрежението в разрядната междина, но и от ЕДС. верига самоиндукция. Позволявам аз+i2--общ ток през съпротивлението R. Означете тока, през който се зарежда капацитетът C i1; моментна стойност на потенциалната разлика върху капацитета C-- през U1.Потенциалната разлика между дъговите електроди ще бъде U0+ iU".

Комерсант=U1+(i+I2)R, (6)

U1-U0 \u003d U "i + Ldi / dt, (7)

аз2= аз1+ аз. (8)

Допълнителен заряд Q на капацитет C в сравнение със стационарен режим:

Q=?i 1 dt=(U 1 -U 0)C. (9)

Изваждайки (5) от (6), намираме:

U 1 - U 0 =- аз 2 Р (10)

Изрази (7), (8) и (10) дават:

U "i + Ldi / dt \u003d -R (i + i 1 ) . (11)

Изрази (7) и (9) дават:

1/C?аз 1 дт= U"аз+ ldi/ дт. (12)

Диференцирайки (12) по отношение на t и вмъквайки резултата в (11), намираме:

U "i + Ldi / dt = -iR-RCU" di / dt-RLCdІi / dtІ. (13)

dІi/dtІ +(1/CR+U"/L)di/dt + 1/LC(U"/R+1)i=0 (14)

Формула (14) е диференциално уравнение, което се подчинява на допълнителния ток аз.

Както е известно, пълният интеграл на уравнение (14) има формата:

i=A1e^r1t+A2e^r2t, (15)

където r1 и r2 са корените на характеристичното уравнение, определено с формулата

r=-1/2(1/CR+ U"/ Л)+ v 1/4(1/ CR+ U"/ Л)І-1/LC(U"/ Р+1) . (16)

Ако радикалната стойност в (16) е по-голяма от нула, тогава r1 и r2 са реални, i се променя апериодично според експоненциалния закон и решение (15) съответства на апериодична промяна в тока. За да възникнат колебания на тока във веригата, която разглеждаме, е необходимо r 1 и r 2 да бъдат комплексни величини, т.е.

1/LC(U"/R+1)>1/4(1/CR+U"/L)І (17)

В този случай (15) може да се представи като

i=A 1 д -dt+jшt+ А 2 д -dt-jшt, (18)

d=1/2(1/CR+U"/L); i= v-1.

При д < 0 колебания, возникшие в рассматриваемой цепи, будут раскачиваться. При д> 0, те се разпадат бързо и DC разрядът ще бъде стабилен.

По този начин, за да могат най-накрая да се установят незатихващи трептения в разглежданата схема, е необходимо

(1/ CR+ U"/ Л)<0. (19)

Тъй като Р, L и С са по същество положителни стойности, то неравенството (19) може да се спазва само при условие:

dU/di=U"<0. (20)

От това заключаваме, че колебанията в разглежданата верига могат да възникнат само с падаща характеристика на напрежението на разряда.

Изследването на условията, при които r1 и r2 са реални и двете са по-малки от нула, води до условията за стабилност на постояннотоковия разряд: Условия (21) и (22) са общи условия. Стабилността на разряд, захранван от постоянно напрежение.

(1/ CR+ U"/ Л)>0 и (21)

U"/ Р+1>0 . (22)

От (21) следва, че с нарастваща характеристика на тока и напрежението разрядът винаги е стабилен. Комбинирайки това изискване с условие (22), откриваме, че с намаляваща характеристика разрядът може да бъде стабилен само когато

|U"|

Когато се прилагат директно формулите на този параграф към въпроса за генериране на трептения с помощта на дъга, трябва да се вземе U" от "средната характеристика", конструирана въз основа на възходящите и низходящите клонове на динамичната характеристика.

При периодична промяна на силата на тока в дъгата на Петров се променят температурата и плътността на газа и скоростите на аеродинамичните потоци. При избор на подходящ режим тези промени водят до появата на акустични трептения в околния въздух. Резултатът е така наречената пееща дъга, която възпроизвежда чисти музикални тонове.

3 . Приложение на дъгов разряд

3.1 Съвременни методи за електрическа обработка

Сред съвременните технологични процеси един от най-често срещаните е електрическото заваряване. Заваряването ви позволява да заварявате, запоявате, лепите, пръскате не само метали, но и пластмаси, керамика и дори стъкло. Обхватът на приложение на този метод е наистина огромен - от производството на мощни кранове, изграждане на метални конструкции, оборудване за атомни и други електроцентрали, строителството на кораби с голям тонаж, атомни ледоразбивачи, до производството на най-фините микросхеми и различни домакински продукти. В редица отрасли въвеждането на заваряването доведе до фундаментална промяна в технологията. И така, истинска революция в корабостроенето беше развитието на вграденото строителство на кораби от големи заварени секции. Много корабостроителници в страната сега строят изцяло заварени танкери с голям капацитет. Електрическото заваряване позволи да се решат проблемите при създаването на газопроводи, предназначени да работят в северни условия при налягане от 100-120 атмосфери. Служители на Института по електрозаваряване. E. O. Paton предложи оригинален метод за производство на тръби на базата на заваръчна технология, предназначена за такива газопроводи.

От такива тръби с дебелина на стените до 40 милиметра се сглобяват високонадеждни газопроводи, които пресичат континентите.

Съветските учени и специалисти имат голям принос в развитието на електрозаваряването. Продължавайки и творчески развивайки наследството на своите велики предшественици - В. В. Петров, Н. Н. Бенардос, Н. Г. Славянов, те създадоха науката за теоретичните основи на заваръчната технология, разработиха редица нови технологични процеси. Имената на академиците Е. О. Патон, В. П. Вологдин, К. К. Хренов, Н. Н. Рикалин и други са известни на целия свят.

Понастоящем широко се използват електродъгово, електрошлаково и плазмено-дъгово заваряване.

3.2 Дъгово заваряване

Електродъгово заваряване. Най-простият начин е ръчно електродъгово заваряване. Към единия полюс на източника на ток с гъвкав проводник е свързан държач, а към другия заварявания детайл. В държача се поставя въглероден или метален електрод. С кратко докосване на електрода до изделието се запалва дъга, която разтапя основния метал и пръта на електрода, образувайки заваръчна вана, която при втвърдяване дава заваръчен шев.

Ръчното дъгово заваряване изисква висококвалифициран работник и се характеризира с не най-добри условия на работа, но може да се използва за заваряване на части във всяка пространствена позиция, което е особено важно при монтажа на метални конструкции. Производителността на ръчното заваряване е сравнително ниска и зависи до голяма степен от такава проста част като държач на електрод. И сега, както преди сто години, търсенето на най-добрия дизайн продължава. Серия от прости и надеждни държачи за електроди е създадена от ленинградските новатори М. Е. Василиев и В. С. Шумски.

При електродъгово заваряване защитата на заварения метал от кислород и азот във въздуха е от голямо значение. Активно взаимодействайки с разтопения метал, атмосферният кислород и азот образуват оксиди и нитриди, които намаляват якостта и пластичността на заварената връзка.

Има два начина за защита на мястото на заваряване: въвеждане на различни вещества в електродния материал и покритието на електрода (вътрешна защита) и въвеждане на инертни газове и въглероден оксид в зоната на заваряване, покриване на мястото на заваряване с флюси (външна защита).

През 1932 г. в Московския електромеханичен институт на железопътните инженери под ръководството на академик К. К. Хренов за първи път в света е извършено електродъгово заваряване под вода. Въпреки това през 1856 г. Л. И. Шпаковски за първи път провежда експеримент за топене на медни електроди, потопени във вода с дъга. По съвет на Д. А. Лачинов, който получи подводна дъга, Н. Н. Бенардос през 1887 г. прави подводно рязане на метал. Отне 45 години, докато първият опит получи научна обосновка и се превърне в метод.

А на 16 октомври 1969 г. електрическа дъга избухна в космоса за първи път. Ето как се съобщава за това изключително събитие във в. "Известия"; „Екипажът на космическия кораб „Союз-6“, състоящ се от подполковник Г. С. Шонин и борден инженер В. Н. Кубасов, проведе експерименти по заваряване в космоса. Целта на тези експерименти беше да се определят особеностите на заваряване на различни метали в открития космос. Няколко вида автоматични заварки бяха извършени един по един. И по-нататък: „Проведеният експеримент е уникален и е от голямо значение за науката и техниката в развитието на технологията за заваръчни и монтажни работи в космоса.“

3.3 Плазмени технологии

Тази технология се основава на използването на високотемпературна дъга. Включва плазмено заваряване, рязане, наваряване и плазмена обработка.

Как да подобрим производителността на дъгата? За да направите това, трябва да получите дъга с по-висока концентрация на енергия, т.е. дъгата трябва да бъде фокусирана. Това е постигнато през 1957-1958 г., когато в Института по металознание. А. А. Байков създаде оборудване за плазмено дъгово рязане.

Как да повиша температурата на дъгата? Вероятно по същия начин като увеличаване на налягането на водна или въздушна струя чрез преминаването й през тесен канал.

Преминавайки през тесния канал на дюзата на горелката, дъгата се компресира от газова струя (неутрална, съдържаща кислород) или смес от газове и се изтегля в тънка струя. В същото време свойствата му се променят драстично: температурата на дъговия разряд достига 50 000 градуса, специфичната мощност достига 500 или повече киловата на квадратен сантиметър. Йонизацията на плазмата в газовия стълб е толкова голяма, че нейната електропроводимост се оказва почти същата като тази на металите.

Компресираната дъга се нарича плазмена дъга. С негова помощ се извършва плазмено заваряване, рязане, насочване, пръскане и т. н. За получаване на плазмена дъга са създадени специални генератори - плазмени горелки.

Плазмената дъга, подобно на обикновената, може да бъде с пряко и непряко действие. Дъгата на директно действие се затваря върху продукта, непряко действие - върху втория електрод, който е дюзата. Във втория случай от дюзата не излиза дъга, а плазмена струя, която възниква поради нагряване от дъгата и последваща йонизация на плазмообразуващия газ. Плазмената струя се използва главно за плазмено пръскане и обработка на непроводими материали. Газът, заобикалящ дъгата, също изпълнява топлозащитна функция. Най-големият товар в плазмената горелка се носи от дюзата. Колкото по-висока е устойчивостта му на топлина, толкова по-голям ток може да се получи в индиректна плазмена горелка. Външният слой от плазмен газ има относително ниска температура, така че предпазва дюзата от разрушаване.

Значително повишаване на температурата на плазмообразуващия газ в плазмени горелки с директно действие може да доведе до електрически пробив и възникване на двойна дъга - между катода и дюзата и между дюзата и продукта. В този случай дюзата обикновено се проваля.

3.4 Плазмено заваряване

Има два дизайна на плазмени горелки. При някои конструкции газът се подава по протежение на дъгата и се постига добра компресия. В други конструкции газът обгражда дъгата в спирала, поради което е възможно да се получи стабилна дъга в канала на дюзата и да се осигури надеждна защита на дюзата с пристенен газов слой.

В плазмените горелки с директно действие дъгата не се запалва веднага, тъй като въздушната междина между катода и продукта е твърде голяма. Първо, така наречената работна или спомагателна дъга се възбужда между катода и дюзата. Развива се от искров разряд, който възниква под действието на високочестотно напрежение, създадено от осцилатор. Газовият поток издухва работната дъга, докосва метала, който се обработва, след което се запалва основната дъга. След това осцилаторът се изключва и пилотната дъга изгасва. Ако това не се случи, може да възникне двойна дъга. Заваръчната зона при плазменото заваряване, както и при другите му видове, е защитена от действието на околния въздух. За да направите това, в допълнение към плазмообразуващия газ, в специална дюза се подава защитен газ: аргон или по-евтиният и по-често срещан въглероден диоксид. Въглеродният диоксид често се използва не само за защита, но и за образуване на плазма. Понякога плазменото заваряване се извършва под слой от флюс.

Заваряването с плазмена дъга може да се извършва както автоматично, така и ръчно. В момента този метод е доста широко разпространен. Много фабрики са въвели плазмено заваряване на алуминиеви сплави и стомани. Значителни спестявания дойдоха от използването на еднопроходно плазмено заваряване на алуминий вместо многопроходно аргонно-дъгово заваряване. Заваряването се извършва на автоматична инсталация, използваща въглероден диоксид като плазмообразуващ и защитен газ.

Заключение

В съвременния живот използването на електрическа енергия е най-разпространено. Постиженията на електротехниката се използват във всички сфери на човешката практическа дейност: в промишлеността, селското стопанство, транспорта, медицината, бита и др. Напредъкът на електротехниката оказва значително влияние върху развитието на радиотехниката, електрониката, телемеханиката, автоматиката, компютърни технологии, кибернетика. Всичко това стана възможно в резултат на изграждането на мощни електроцентрали, електрически мрежи, създаването на нови електроенергийни системи и подобряването на електрическите устройства. Съвременната електрическа индустрия произвежда машини и апарати за производство, пренос, преобразуване, разпределение и потребление на електроенергия, разнообразно електрическо оборудване и технологично оборудване, електроизмервателни уреди и телекомуникационно оборудване, регулаторна, контролна и управляваща апаратура за автоматични системи за управление, медицински и научно оборудване, електрически уреди и машини и много други. През последните години бяха доразвити различни методи за електрическа обработка: електрическо заваряване, плазмено рязане и наваряване на метали, плазмено-механична и електроерозионна обработка. От изложеното по-горе се вижда, че изследването на разряда в газ е от голямо значение за общия научен и технически прогрес. Следователно не е необходимо да се спира дотук, а е необходимо да се продължат изследванията, търсейки неизвестното, като по този начин се стимулира изграждането на нови теории в бъдеще.

Списък на използваните източници

1. Важов В.Ф., Лавринович В.А., Лопаткин С.А. Инженеринг на високо напрежение / Лекционен курс за бакалаври от направление 140200 „Електроенергетика” - Томск: Издателска къща TPU, 2006. - 119p.

2. Райзер Ю. П. Физика на газовия разряд. -- 2-ро изд. - М.: Наука, 1992. -536s.

3. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техника на високо напрежение: [Учеб. Полза за електроенергетиката. Специалист. висши учебни заведения]. - 2-ро изд., преработено. и допълнителни - Мн.: Виш. училище 1982 г. - 367 с. аз ще.,

4. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Ю.В. Технология на високо напрежение: Изолация и пренапрежение в електрически системи: Учебник за ВУЗ / Изд. Изд. Ларионова В.П. - 3-то изд., преработено. и допълнителни -М.: Енергоатомиздат, 1986. - 464 с.: ил.

5. Е. Д. Лозански и О. Б. Фирсов, Теория на искрата. М., Атомиздат, 1975, 272 с.

6. Лесков Г.И. Електрическа заваръчна дъга. М., "Инженеринг", 1970, -335s.

7. Черни О.М. Електродъгово заваряване: практика и теория / - Изд. 2-ро, добавете. и преработен. - Ростов n / a: Phoenix, 2009. - 319 с.

8. Свенчански А. Д., Смелянски М. Я. Електрически промишлени пещи. - М.: 1970 г.

9. Сапко А.И. Изпълнителни механизми за регулатори на мощността на електродъгови пещи. М., Енергетика, 1969. - 128 с.

10. Ширшов И. Г., Котиков В. Н. Ш64 Плазмено рязане. - Л .: Машинно инженерство. Ленинград. отдел,? 1987 г. -192 с.: ил.

11. В. Дембовски. Плазмена металургия. Прага, SNTL. пер. от чешки. М., "Металургия", 1981. - 280-те. от болен.

12. Гладкий П.В., Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазмено заваряване. - К .: "Екотехнология", 2007. - 292s.

13. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. - М.: Машиностроение, 1993. - 296 с.

Хоствано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Основни параметри и свойства на положителния стълб (ПС) на тлеещи и дъгови разряди. Метастабилни атоми в PS. Явлението катафореза в смес от газове. Основни механизми за изпомпване на енергийни нива на възбуден газ. PS лъчение, параметри на плазмата.

тест, добавен на 25.03.2016 г

Изследване и физична интерпретация на зависимостта, определяща зависимостта на напрежението на разряда от налягането на газа и междуелектродното разстояние. Възникване на коронен и дъгов разряд в газова междина с плосък оксиден катод.

резюме, добавено на 30.11.2011 г

Характеристики на тлеещ разряд, процеси, които осигуряват неговото съществуване. Светещо рисуване. Обяснение на явленията на тлеещ разряд от гледна точка на елементарни процеси. Волт-амперна характеристика на разряда между електродите. Процеси в атомни газове.

резюме, добавено на 02/03/2016

Концепция за плазма с тлеещ разряд. Определяне на концентрацията и зависимостта на електронната температура от налягането на газа и радиуса на газоразрядната тръба. Баланс на образуване и рекомбинация на заряди. Същността на сондовия метод за определяне на зависимостта на параметрите на плазмата.

резюме, добавено на 30.11.2011 г

Изследване на тлеещ газов разряд като един от видовете стационарен независим електрически разряд в газове. Създаване на квантови източници на светлина във флуоресцентни лампи. Образуване на тлеещ газов разряд при ниско налягане на газа, слаб ток.

презентация, добавена на 13.04.2015 г

Капацитивен високочестотен разряд: обща информация, видове, методи на възбуждане, конструиране на най-простия модел, форми на съществуване. Кратка теория на метода на сондата на Langmuir. Система от уравнения за определяне на параметрите на изхвърлянето. Измерване на разрядния ток.

дисертация, добавена на 30.04.2011 г

Методи за експериментално определяне на коефициента на йонизация на газа. Разрядно напрежение. Волт-амперни характеристики на слаботоков газов разряд в аргон с молибденов катод. Разпределение на потенциала в газоразрядната междина.

тест, добавен на 28.11.2011 г

Условия за възникване на електрически разряд в газовете. Принципът на газовата йонизация. Механизъм на електропроводимостта на газовете. Несамостоятелен газоразряд. Независим газоотвод. Различни видове саморазряд и техните технически приложения.

резюме, добавено на 21.05.2008 г

Електрически разряд в газове. Основните видове газоразрядни. Изследване на квазистационарни токове и квазистационарни напрежения в аргон. Елементарни процеси в приелектродния слой. Спектроскопско изследване на аргон. Принципът на действие на монохроматора.

резюме, добавено на 13.12.2013 г

Концепцията и предназначението на CO2 лазера, неговите технически характеристики и компоненти, принципът на действие и изпълняваните функции. Процедурата за изчисляване на основните показатели на CO2 лазера. Методи за организиране на несамостоятелен разряд на постоянен ток, изчисляване на неговата ефективност.