\ Для вчителя фізики

При використанні матеріалів цього сайту - та розміщення банера -ОБОВ'ЯЗКОВО!

Розробка уроку з презентацією з фізики на тему: "Електричний струм у газах"

Розробку уроку з фізики підготувала: Семенченко Галина Василівна, м. Барнаул КГОУНПО ПУ -13, викладач фізики, астрономії та електротехніки, email: [email protected]

Епіграф:

"Позавчора ми нічого не знали про електрику, вчора ми нічого не знали про величезні резерви енергії, що містяться в атомному ядрі, про що ми не знаємо сьогодні?"

/Луї де Бройль/

Електричний струм у газі є спрямованим рухом позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до анода.

При зіткненні позитивного та негативного іонів негативний іон може віддати свій надлишковий електрон позитивному іону і обидва іони перетворяться на нейтральні атоми.

Процес взаємної нейтралізації іонів називається рекомбінацією іонів.

При рекомбінації позитивного іона та електрона або двох іонів звільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченої на іонізацію.

Частково вона випромінюється як світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується світінням (світіння рекомбінації).

Процес проходження електричного струму у газах називається газовим розрядом.

Розряди бувають двох видів:

Самостійний - розряд, що виникає без чиєїсь - або допомоги в газах.

Несамостійний – розряд, що у газах з допомогою іонізатора.

Іонізатори - це фактори, що викликають іонізацію газу.

До факторів належать:

• нагрівання газу до високої температури;
• рентгенівських променів;
• променів, що виникають при радіоактивному розпаді;
• космічних променів;
• бомбардування молекул газу електронами або іонами, що швидко рухаються.

Несамостійний розряд

Електропровідність газу утворюється зовнішніми іонізаторами;

З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється;

Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу.

Самостійний розряд

Для його здійснення необхідно, щоб у результаті розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом вільних набоїв є ударна іонізація молекул газу.

Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів об катод із поверхні катода вибиваються електрони.

Крім того, катод може випромінювати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається термоелектронною емісією. Його можна як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовин термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самої речовини ще мало. Такі речовини використовуються для виготовлення катодів.

Види самостійних розрядів.

Залежно від властивостей та стану газу, характеру та розташування електродів, а також від прикладеної до електродів напруги виникають різні види самостійного розряду.

Тліючий розряд.

Тліючий розряд спостерігається в газах при низьких тисках близько кількох десятків міліметрів ртутного стовпа і менше.

Основними частинами тліючого розряду є катодне темне простір, різко віддалене від нього негативне, або тління свічення, яке поступово переходить в область фарадеєва темного простору. Ці три області утворюють катодну частину розряду, за якою слідує основна частина розряду, що світиться, що визначає його оптичні властивості і звана позитивним стовпом.

При досить низьких тисках електрони, що вибиваються з катода позитивними іонами, проходять через газ майже без зіткнень з його молекулами, утворюючи електронні або катодні промені.

Вид тліючого розряду

Тліючий розряд отриманий за допомогою генератора

Застосування тліючого розряду

Тліючий розряд використовується в газосвітніх трубках, лампах денного світла, стабілізаторах напруги для отримання електронних та іонних пучків.

Якщо в катоді зробити щілину, то крізь неї в простір за катодом проходять вузькі іонні пучки, які часто називають каналовими променями.

Широко використовується явище катодного розпорошення, тобто. руйнування поверхні катода під впливом позитивних іонів, що ударяються про нього. Ультрамікроскопічні уламки матеріалу катода летять на всі боки прямими лініями і покривають тонким шаром поверхню тіл (особливо діелектриків), поміщених у трубку.

Таким способом виготовляють дзеркала для ряду приладів, тонкий шар металу наносять на селенові фотоелементи.

Тліючий розряд на виробництві

Обробка коронним розрядом поверхонь

Коронний розряд

Коронний розряд виникає при нормальному тиску в газі, що знаходиться в сильно неоднорідному електричному полі (наприклад, біля вістрі або проводи ліній високої напруги).

При коронному розряді іонізація газу та його свічення відбуваються лише поблизу коронуючих електродів. У разі коронування катода (негативна корона) електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода під час бомбардування його позитивними іонами.

Якщо коронують анод (позитивна корона), народження електронів відбувається внаслідок фотоіонізації газу поблизу анода.

Корона - шкідливе явище, що супроводжується витіканням струму та втратою електричної енергії. Для зменшення коронування збільшують радіус кривизни провідників, які поверхню роблять більш гладкою.

Вид коронного розряду

слайд № 13

Частковий випадок коронного розряду – кистьовий

При підвищеній напрузі коронний розряд на вістря набуває вигляду виходять із вістря і переміжних у часі світлих ліній. Ці лінії, що мають ряд зламів та згинів, утворюють подобу пензля, внаслідок чого такий розряд називають кистьовим.

З коронним розрядом доводиться зважати, маючи справу з високою напругою. За наявності виступаючих частин або дуже тонких дротів може розпочатися коронний розряд. Це призводить до витоку електроенергії. Чим вище напруга високовольтної лінії, тим товщі повинні бути дроти.

Вогні святого Ельма

Заряджена грозова хмара індукує поверхні Землі під собою електричні заряди протилежного знака. Особливо великий заряд накопичується на вістрях. Тому перед грозою або під час грози нерідко на вістрях та гострих кутах високо піднятих предметів спалахують схожі на пензлики конуси світла. З давніх-давен це свічення називають вогнями святого Ельма.

Особливо часто свідками цього явища стають альпіністи. Іноді навіть не тільки металеві предмети, а й кінчики волосся на голові прикрашаються маленькими пензликами, що світяться.

Вогні святого Ельма перед грозою в океані

Слайд №17

Іскровий розряд

Іскровий розряд має вигляд яскравих зигзагоподібних ниток-каналів, що розгалужуються, які пронизують розрядний проміжок і зникають, змінюючись новими.

Канали іскрового розряду починають рости іноді від позитивного електрода, іноді від негативного, а іноді і від якоїсь точки між електродами.

Іскровий розряд супроводжується виділенням великої кількості теплоти, яскравим свіченням газу, тріском або громом.

Всі ці явища викликаються електронними та іонними лавинами, які виникають у іскрових каналах і призводять до величезного збільшення тиску, що досягає 107 108 Па, та підвищення температури до 10000 С.

Застосування іскрового розряду

При малій довжині розрядного проміжку іскровий розряд викликає специфічне руйнування анода, зване ерозією. Це було використано в електроіскровому методі різання, свердління та інших видах точної обробки металу.

Іскровий проміжок застосовується як запобіжник від перенапруги в електричних лініях передач (наприклад, телефонних лініях).

Електрична іскра застосовується для вимірювання великих різниць потенціалів за допомогою кульового розрядника, електродами якого служать дві металеві кулі з полірованою поверхнею.

Електроіскровий верстат

Слайд №21

Характерним прикладом іскрового розряду є блискавка.

Головний канал блискавки має діаметр від 10 до 25 см, а довжина блискавки може досягати кількох кілометрів. Максимальна сила струму імпульсу блискавки досягає десятків та сотень тисяч ампер.

Блискавки бувають лінійні та кульові.

Кульова блискавка - це одиночна яскраво світиться відносно стабільна невелика маса, яка спостерігається в атмосфері, що плаває в повітрі і переміщається разом з потоками повітря, що містить у своєму тілі велику енергію, що зникає тихо або з великим шумом типу вибуху і не залишає після свого зникнення ніяких матеріальних слідів, окрім тих руйнувань, які вона встигла наробити.

Кульова блискавка

Слайд №23

Як поводитися під час грози?

1. Не можна ховатися в грозу біля дерев, стовпів та інших високих місцевих предметів, що самотньо стоять, треба відійти на 15 метрів.
2. Небезпечно бути у воді або поблизу неї.
3. Намет ставити біля води не можна, тому що блискавки часто вдаряють у річкові береги.
4. Ніколи не слід недооцінювати небезпеку блискавки.
5. Якщо гроза застала вас у автомобілі, не виходьте з нього. Закрийте всі двері та вікна і перечекайте негоду всередині.
6. Під час грози в заміському будинку відключіть з мережі електроприлади, а телевізор від індивідуальної антени.
7. Блискавка рідко вдаряє в чагарник, практично не потрапляє в клен і березу, найчастіше потрапляє в дуб і тополю.

Дуговий розряд

Дуговий розряд було відкрито В. В. Петровим у 1802 році. Цей розряд є однією з форм газового розряду, що здійснюється при великій щільності струму і порівняно невеликій напрузі між електродами (порядку кількох десятків вольт).

Основною причиною дугового розряду є інтенсивне випромінювання термоелектронів розжареним катодом. Ці електрони прискорюються електричним полем та виробляють ударну іонізацію молекул газу, завдяки чому електричний опір газового проміжку між електродами порівняно мало.

У ряді випадків дуговий розряд спостерігається і за порівняно низької температури катода (ртутна дугова лампа).

Дуговий розряд знайшов застосування в ртутному випрямлячі, що перетворює змінний електричний струм на струм постійного напрямку.

Застосування дугового розряду

В 1876 П. Н. Яблочков вперше використовував електричну дугу як джерело світла.

Дуговий розряд застосовується як джерело світла у прожекторах та проекційних апаратах.

Висока температура дугового розряду дозволяє використовувати його для влаштування дугової печі. Дугові печі, які живляться струмом дуже великої сили, застосовуються в ряді галузей промисловості: для виплавки сталі, чавуну, феросплавів, бронзи, одержання карбіду кальцію, окису азоту і т.д.

У 1882 році Н. Н. Бенардос дуговий розряд вперше використав для різання та зварювання металу.

У 1888 році М. Г. Слов'янов удосконалив цей метод зварювання, замінивши вугільний електрод на металевий.

З фізики, що вивчали дуговий розряд.

Застосування плазми

Низькотемпературна плазма застосовується в газорозрядних джерелах світла - в трубках, що світяться, рекламних написів, в лампах денного світла. Газорозрядну лампу використовують у багатьох приладах, наприклад, у газових лазерах – квантових джерелах світла.

Високотемпературна плазма застосовується у магнітогідродинамічних генераторах.

Нещодавно було створено новий прилад – плазмотрон. У плазмотроні створюються потужні струмені щільної низькотемпературної плазми, що широко застосовуються в різних галузях техніки: для різання та зварювання металів, буріння свердловин у твердих породах і т.д.

Вступ.

Властивості дугового розряду.

1. Освіта дуги.

2. Катодна пляма. Зовнішній вигляд та окремі частини

дугового розряду.

3. Розподіл потенціалу та вольтамперна

характеристика при дуговому розряді

4. Температура та випромінювання окремих частин дугового розряду.

5. Генерація незагасаючих коливань за допомогою електро-

тричної дуги.

6. Позитивний стовп дугового розряду за високого

і надвисокий тиск.

ІІІ. Застосування дугового розряду.

1. Сучасні методи електрообробки.

2. Електродугове зварювання.

3. Плазмова технологія.

4. Плазмове зварювання.
IV. Висновок.

Дуговий розряд у вигляді так званої електричної (або вольтової) дуги був вперше виявлений в 1802 російським вченим професором фізики Військово-медико-хірургічної академії в Петербурзі, а згодом академіком Петербурзької Академії наук Василем Володимировичем Петровим. Петров наступними словами описує у одній із виданих ним книжок свої перші спостереження над електричної дугою:

«Якщо на скляну плитку або на лавку зі скляними ніжками будуть покладені два або три деревні вугілля... і якщо металевими ізольованими напрямниками...повідомленими з обома полюсами величезної батареї, наближати вони один до одного на відстань від однієї до трьох ліній, то є між ними дуже яскраве білого кольору світло або полум'я, від якого вони вугілля швидше або повільніше спалахують і від якого темний спокій досить ясно освітлений може бути...».

Шлях до електричної дуги почався в давнину. Ще греку Фалесу Мілетському, який жив у шостому столітті до нашої ери, була відома властивість бурштину притягувати при натиранні легкі предмети-пір'ячки, солому, волосся і навіть створювати іскорки. Аж до сімнадцятого століття це був єдиний спосіб електризації тіл, який не мав жодного практичного застосування. Вчені шукали пояснення цього явища.

Англійський фізик Вільям Гільберт (1544-1603) встановив, що й інші тіла (наприклад, гірський кришталь, скло), подібно до бурштину, мають властивість притягувати легкі предмети після натирання. Він назвав ці властивості електричними, вперше ввівши цей термін у вжиток (грецькою бурштин-електрон).

Бургомістр із Магдебурга Отто фон Геріке (1602-1686) сконструював одну з перших електричних машин. Це була електростатична машина, що являла собою сірчану кулю, укріплену на осі. Одним із полюсів служив... сам винахідник. При обертанні рукоятки з долонь досить бургомістра з легким потріскуванням вилітали синюваті іскри. Пізніше машину Геріке удосконалили інші винахідники. Сірчана куля була замінена скляною, а замість долонь дослідника як один з полюсів застосовано шкіряні подушечки.

Велике значення мало винахід у вісімнадцятому столітті лейденської банки-конденсатора, що дозволило накопичувати електрику. Це була скляна посудина з водою, обгорнута фольгою. У воду занурювали металевий стрижень, пропущений через корок.

Американський вчений Бенджамін Франклін (1706-1790) довів, що вода у збиранні електричних зарядів ніякої ролі не відіграє, цією властивістю має скло-діелектрик.

Електростатичні машини набули досить широкого поширення, але лише як кумедні штучки. Були, щоправда, спроби лікування хворих за допомогою електрики, проте яким був фізіотерапевтичний ефект такого лікування, сказати важко.

Французький фізик Шарль Кулон (1736-1806)- засновник електростатики-в 1785 р. встановив, що сила взаємодії електричних зарядів пропорційна їх величинам і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

У сорокових роках вісімнадцятого століття Бенджамін Франклін висунув теорію про те, що існує електрика тільки одного роду-особлива електрична матерія, що складається з найдрібніших частинок, здатних проникати всередину речовини. Якщо в тілі є надлишок електричної матерії, воно заряджено позитивно, при її нестачі-тіло заряджено негативно. Франклін запровадив у практику знаки «плюс» і «мінус», і навіть терміни: конденсатор, провідник, заряд.

З оригінальними теоріями про природу електрики виступили М. В. Ломоносов (1711–1765), Леонард Ейлер (1707–1783), Франц Епінус (1724–1802) та інші вчені. До кінця вісімнадцятого століття властивості та поведінка нерухомих зарядів були досить вивчені та певною мірою пояснені. Однак нічого не було відомо про електричний струм-рухомі заряди, тому що не існувало пристрою, яке могло б змусити рухатися велика кількість зарядів. Струми, одержувані від електростатичної машини, були надто малі, їх не можна було виміряти.

1. Якщо в тліючому розряді збільшувати силу струму, зменшуючи зовнішній опір, то при великій силі струму напруга на затискачах трубки починає падати, розряд швидко розвивається і перетворюється на дуговий. Найчастіше перехід відбувається стрибком і майже часто веде до короткого замиканню. При підборі опору зовнішнього контуру вдається стабілізувати перехідну форму розряду і спостерігати при певних тисках безперервний перехід розряду, що тліє, в дугу. Паралельно з падінням напруги між електродами трубки йде зростання температури катода та поступове зменшення катодного падіння.

Застосування звичайного способу запалювання дуги шляхом розсування електродів викликано тим, що дуга горить при порівняно низьких напругах в десятки вольт, тоді як для запалення розряду, що тліє, потрібно при атмосферному тиску напруга порядку десятків кіловольт. Процес запалювання при розсуві електродів пояснюється місцевим нагріванням електродів внаслідок утворення поміж ними поганого контакту в момент розриву ланцюга.

Питання розвитку дуги при розриві ланцюга технічно важливий як з погляду отримання «корисних» дуг, але й з погляду боротьби з «шкідливими» дугами, наприклад з утворенням дуги при розмиканні рубильника. Нехай L-само-індукція контуру, W-його опір, ع-е.д.с. джерела струму,U(I)-функція вольтамперної характеристики дуги. Тоді ми повинні мати: ع= L dI/dt+WI+U(I) (1) або

LdI/dt=(ع-WI)-U(I)=∆ (2).

Різниця (ع - WI) не що інше, як ордината прямої опору АВ (рис.1), а U(I)- ордината властивості дуги при цьому I. Щоб dI/dt було негативно, тобто. зменшувався з часом і між електродами рубильника не утворилося стійкої дуги, треба, щоб

Рис.1. Відносне положення прямого опору і кривої вольтамперної характеристики дуги, що встановилася, для випадків: а) коли дуга пе може виникнути при розриві ланцюга; б) коли дуга виникає при розриві в інтервалі сили струму, що відповідає точкам Р та Q.

мало місце ∆ع-WI.

Для цього характеристика всіма своїми точками повинна лежати вище за прямий опір (рис. 1, а). Це просте заключення пе враховує ємності в ланцюгу і відноситься лише до постійного струму.

Точка перетину прямої опору з кривою вольт-амперної характеристики дуги, що встановилася, відповідає нижчій межі сили постійного струму, при якому може виникнути дуга при розриві ланцюга (рис. 1, б). У разі розмикання рубильником дуги змінного струму, що погасає при кожному переході напруги через нуль, істотно, щоб умови, наявні в розрядному проміжку при розмиканні, не допускали нового запалення дуги при подальшому зростанні напруги джерела струму. Для цього потрібно, щоб при зростанні напруги розрядний проміжок був досить деіонізований. У вимикачах сильних змінних струмів штучно домагаються посиленої деіонізації шляхом введення спеціальних електродів, що відсмоктують заряджені частинки газу завдяки двополярній дифузії, а також шляхом застосування механічного дуття або шляхом впливу на розряд магнітним полем. При високих напругах застосовують масляні вимикачі.

2. Катодна пляма, нерухома на вугільному катоді, на поверхні рідкої ртуті знаходиться в безперервному швидкому русі. Положення катодної плями на поверхні рідкої ртуті може бути закріплене за допомогою металевого штифта, зануреного в ртуть і трохи висовується з неї.

У разі невеликої відстані між анодом і катодом теплове випромінювання анода сильно впливає на властивості катодної плями. При досить великій відстані анода від вугільного катода розміри катодної плями прагнуть деякого постійного граничного значення, і площа, займана катодною плямою на вугільному електроді в повітрі, пропорційна силі струму і відповідає при атмосферному тиску 470 а/смІДля. у вакуумі знайдено 4000 а/смІ.

При зменшенні тиску площа, займана катодною плямою на вугільному катоді, при постійній силі струму збільшується.

Різкість видимої межі катодної плями пояснюється тим, що порівняно повільному зменшенню температури з віддаленням від центру плями відповідає швидке падіння як світлового випромінювання, так і термоелектронної емісії, а це рівносильно різкій «оптичній» та «електричній» меж плями.

Вугільний катод при горінні дуги у повітрі загострюється, тоді як на вугільному аноді, якщо розряд не перекриває всю передню площу анода, утворюється кругле заглиблення-позитивний кратер дуги.

Утворено катодної плями пояснюється так. Розподіл просторових зарядів у тонкому шарі у катода такий, що тут розряд вимагає для своєї підтримки тим меншої різниці потенціалів, чим менше поперечний переріз каналу розряду. Тому розряд на катоді має стягуватися.

Безпосередньо до катодної плями прилягає частина розряду, яка називається негативним пли катодним пензлем або негативним полум'ям. Довжина катодної кисті в дузі при низькому тиску визначається тією відстанню, на яку залітають швидкі первинні електрони, що отримали свої швидкості в області катодного падіння потенціалу.

Між негативним пензлем і позитивним стовпом розташована область, аналогічна фарадєєву темному простору розряду, що тліє. У дузі Петрова в повітрі, крім негативної кисті, є позитивне полум'я і ряд ореолів. Спектральний аналіз вказує на наявність у цих полум'ях та ореолах низки хімічних сполук (ціана та оксидів азоту).

Уривчастою формою (навіть при користуванні джерелами постійного струму). Він виникає у газі зазвичай при тисках атмосферного порядку. У природних умовах іскровий розряд спостерігається у вигляді блискавок. По зовнішньому іскровий розряд являє собою пучок яскравих зигзагоподібних тонких смужок, що розгалужуються, миттєво пронизують розрядний проміжок, швидко гаснуть і постійно...

Явлення проходження електричного струму через газидістали назву електричних (газових) розрядів. Існують різні форми електричного розряду, що відрізняються один від одного величиною розрядного струму, напругою, температурою та тиском газу. Заряди можуть бути стійкі та нестійкі (наприклад, іскрові). Суворої кількісної межі між розрядами немає, один вид розряду може переходити до іншого. Основні види розрядів: темний, тліючий, дуговий, іскровий, коронний. Дуговий розряд - це вища форма розряду, яка відрізняється від інших форм розряду своїми фізичними властивостями. Так, тліючий розряд має такі параметри:

• тиск – кілька тор (мм рт. ст.);
• щільність струму на катоді - (10 -3 -10 -2) А/мм 2;
• напруга - (200-300);
• катодне падіння напруги ~ 100 В.

Фізичні властивості дугового розряду:

• тиск до 1 атм. і вище;
• щільність струму на катоді – до 10 8 А/мм 2;
• мала довжина дуги - до 20-30 мм;
• низька напруга дуги - (12?50);
• висока температура стовпа дуги - (від 5 до 30) 10 3 К;
• сліпуча яскравість (через рекомбінацію заряджених частинок з виділенням світлової енергії);
• висока концентрація заряджених частинок у катодній області розряду.

Назва «дуга» він отримав за форму шнура (стовпа) розряду, що яскраво світиться, який у перших дослідах зі слаботочними розрядами вигинався вгору серповидною дужкою під дією висхідних конвективних потоків нагрітого розрядом повітря. Хоча в більшості випадків, наприклад, між вертикальними електродами в обмеженому замкнутому просторі, аналогічний розряд не має дугоподібної форми, початкова його назва збереглася.

Дугові розряди широко використовуються у техніці. Вони є джерелами світла для прожекторів та кінопроекційної апаратури у спеціальних лампах надвисокого тиску CBD (до 100 ат). Дуга використовується в газотронах, тиратронах, ртутних випрямлячах для випрямлення струму та управління його силою тощо. Дуже широке застосування електрична дуга отримала в металургії та зварювальній техніці для нагрівання та плавлення металів.

Термін «дуга» застосовується лише до стійких чи квазістійких видів розрядів. Дугою прийнято вважати кінцеву форму розряду, що розвинувся за будь-яких обставин, якщо через газ проходить досить великий струм. Такий розряд можна отримати різними шляхами: з будь-якого стійкого малопотужного розряду; з нестійкого іскрового розряду або розсовуючи два токонесучі, попередньо стикаються електроди.

Пріоритет у відкритті дугового розряду належить академіку Василю Володимировичу Петрову – 1802 р. Він сказав можливість використання дугового розряду для плавлення металів. Дугою назвав це явище англієць Гемфі Деві, який незалежно від Петрова В. В. досліджував це явище 1808-1810 р.

Історія розвитку техніки у другій половині XIX століття примітна розробкою шляхів практичного використання електрики, в т. ч. з метою нагрівання та плавлення металу. У травні 1981 року весь світ за рішенням ЮНЕСКО відзначав найважливішу пам'ятну дату – 100-річчя від дня створення промислового способу електричного дугового зварювання металів російським винахідником Миколою Миколайовичем Бенардосом.

ГОСТ 19521 налічує 35 технологічних різновидів дугового розряду. Як технологічні ознаки дуги стандартом визначено: вид електрода, характер впливу на основний метал, рід застосовуваного струму, наявність зовнішнього впливу на формування шва, кількості електродів із загальним струмопідведенням зварювального струму, наявність і напрям коливань електрода щодо осі шва, кількість дуг з роздільним живленням струмом та інших. Зупинимося найбільш істотних їх.

Зварюванняможе здійснюватися як плавиться, так і електродом, що не плавиться. В якості електрода, що не плавиться, найчастіше використовують графіт або метали з високою температурою плавлення - молібден, тантал, вольфрам та ін. Харчування дуги може бути змінним або постійним струмом, а також комбінованим способом. При змінному струмі частота може бути не лише 50 Гц, а й підвищена. Зварювання може бути дугою прямої та непрямої дії (рис. 13). При зварюванні дугою прямої дії деталі, що зварюються, включені в зварювальний ланцюг, їх нагрівання здійснюється за рахунок енергії заряджених частинок, що досягають активної плями. При зварюванні дугою непрямої дії деталі, що зварюються, не включені в зварювальний ланцюг, їх нагрівання здійснюється за рахунок теплопередачі (в основному променистої) від стовпа дуги.

Ступінь іонізації газу в дузі знаходиться в межах кількох відсотків. Це вважається високим ступенем іонізації, тому що при ступені іонізації більше 0,01% газ знаходиться в плазмовому стані при температурі більше 3000 К. Це низькотемпературна плазма.

При ручному дуговому зварюванні щільність струму становить (10-15) А/мм 2 , при зварюванні електродом, що плавиться, в захисних газах до 400 А/мм 2 . Ці величини значно менші від названої вище величини щільності струму на катоді до 10 8 А/мм 2 , тому що на практиці щільність струму визначають його ставленням до поперечної площі електрода, а при вивченні фізичних властивостей розряду - ставленням величини струму до площі катодних осередків торця електрод. Площа цих осередків значно менша за площу електрода і визначається за результатами швидкісної кінозйомки процесу.

У фізиці прийнято називати електродом будь-який предмет, до якого приєднано провідника від джерела струму. У зварюванні прийнято називати електродом – дротяний електрод, а плоский електрод – виробом. При зварюванні на постійному струмі розрізняють пряму та зворотну полярність. При прямій полярності катодом є електрод, при зворотній полярності виріб. Зварювання на прямій полярності використовують меншою мірою, наприклад, при зварюванні електродом, що не плавиться, в інертних газах сталей. Найчастіше зварювання на постійному струмі виконують на зворотній полярності.

Склад газової фази може бути різним – повітря, захисні гази, пари металів та компонентів флюсу чи електродного покриття. Тиск газу – від вакууму (не нижче 50 тор) до кількох атмосфер.

Електричні розряди бувають самостійні та несамостійні. При самостійних розрядах необхідні існування розряду заряджені частинки утворюються з допомогою процесів, які у самому розряді. Дуга є самостійним розрядом. Електричні частинки – електрони та іони утворюються за рахунок процесів емісії та іонізації. На освіту інших видів частинок енергії дуги недостатньо.

Види газового розряду та їх застосування. Поняття про плазму.

Відділення:

Бухгалтерського обліку та права

Спеціальність:

Правознавство

Група:

Склала:

Євтихевич А. А.

Викладач:

Орловська Г. В.

2011 рік
Зміст:

Сторінка 1:Газовий розряд

Застосування газового розряду

Сторінка 2:Іскровий розряд

Коронний розряд

Сторінка 3:Застосування коронного розряду

Сторінка 4:Дуговий розряд

Сторінка 5:Застосування дугового розряду

Тліючий розряд

Сторінка 6-7:Плазма

Сторінка 8:Література

Газовий розряд- Сукупність процесів, що виникають при протіканні електричного струму через речовину, що знаходиться в газоподібному стані. Зазвичай перебіг струму стає можливим лише після достатньої іонізації газу та утворення плазми. Іонізація відбувається рахунок зіткнень електронів, прискорившихся в електромагнітному полі, з атомами газу. При цьому виникає лавинне збільшення числа заряджених частинок, оскільки в процесі іонізації утворюються нові електрони, які теж після прискорення починають брати участь у зіткненнях з атомами, викликаючи їх іонізацію. Для виникнення і підтримки газового розряду потрібне існування електричного поля, так як плазма може існувати тільки якщо електрони набувають у зовнішньому полі енергію, достатню для іонізації атомів, і кількість утворених іонів перевищує кількість іонів, що рекомбінували.

Якщо існування газового розряду необхідна додаткова іонізація рахунок зовнішніх джерел (наприклад, з допомогою іонізуючих випромінювань), то газовий розряд називається несамостійним(Такі розряди використовуються в лічильниках Гейгера).

Для газового розряду застосовують як постійні в часі, так і змінні електричні поля.

Залежно від умов, за яких відбувається утворення носіїв заряду (тиск газу, напруга, прикладена до електродів, форма та температура електродів), розрізняють декілька типів самостійних розрядів: тліючий, іскровий, коронний, дуговий.

Застосування газового розряду

• Дуговий розряд для зварювання та освітлення.
• Надвисокочастотний розряд.
• Тліючий розряд як джерело світла в люмінесцентних лампах та плазмових екранах.
• Іскровий розряд для запалювання робочої суміші у двигунах внутрішнього згоряння.
• Коронний розряд для очищення газів від пилу та інших забруднень для діагностики стану конструкцій.
• Плазмотрони для різання та зварювання.
• Розряди для накачування лазерів, наприклад, гелій-неонового лазера, азотного лазера, ексімерних лазерів і т.д.

• у лічильнику Гейгера,
• в іонізаційних вакуумметрах,
• у тиратронах,
• у крайтронах,
• в трубці гейслерової.

Іскровий розряд. Приєднаємо кульові електроди до батареї конденсаторів та почнемо заряджати конденсатори за допомогою електричної машини. У міру заряджання конденсаторів збільшуватиметься різниця потенціалів між електродами, а отже, збільшуватиметься напруженість поля в газі. Поки напруженість поля невелика, у газі не можна помітити жодних змін. Однак при достатній напруженості поля (близько 30000 в/см) між електродами з'являється електрична іскра, що має вигляд звивистого каналу, що яскраво світиться, з'єднує обидва електроди. Газ поблизу іскри нагрівається до високої температури і раптово розширюється, через що виникають звукові хвилі, і ми чуємо характерний тріск. Конденсатори в цій установці додані для того, щоб зробити іскру потужнішою і, отже, ефектнішою.
Описана форма газового розряду зветься іскрового розряду, або іскрового пробою газу. При настанні іскрового розряду газ раптово, стрибком втрачає свої ізолюючі властивості і стає хорошим провідником. Напруженість поля, коли він настає іскровою пробою газу, має різне значення в різних газів і від їх стану (тиску, температури). При заданому напрузі між електродами напруженість поля тим менше, що далі електроди друг від друга. Тому, чим більша відстань між електродами, тим більша напруга між ними необхідна настання іскрового пробою газу. Ця напруга називається напругою пробою. Виникнення пробою пояснюється так. У газі завжди є кілька іонів і електронів, що виникають від випадкових причин. Зазвичай, однак, їх кількість настільки мала, що газ практично не проводить електрики. При порівняно невеликих значеннях напруженості поля, з якими зустрічаємося щодо несамостійної провідності газів, зіткнення іонів, які у електричному полі, з нейтральними молекулами газу відбуваються як і, як зіткнення пружних куль. При кожному зіткненні частинка, що рухається, передає частину своєї кінетичної енергії, що покоїться, і обидві частинки після удару розлітаються, але ніяких внутрішніх змін у них не відбувається. Однак при достатній напруженості поля кінетична енергія, накопичена іоном у проміжку між двома зіткненнями, може стати достатньою, щоб іонізувати нейтральну молекулу при зіткненні. В результаті утворюється новий негативний електрон та позитивно заряджений залишок – іон. Такий процес іонізації називають ударною іонізацією, а роботу, яку потрібно витратити, щоб зробити відривання електрона від атома, - роботою іонізації. Розмір роботи іонізації залежить від будови атома і тому різна для різних газів. Електрони та іони, що утворилися під впливом ударної іонізації, збільшують число зарядів у газі, причому у свою чергу вони починають рух під дією електричного поля і можуть зробити ударну іонізацію нових атомів. Таким чином, цей процес «підсилює сам себе», і іонізація в газі швидко сягає дуже великої величини. Всі явища цілком аналогічні сніговій лавині в горах, для зародження якої буває досить нікчемного грудка снігу. Тому й описаний процес було названо іонною лавиною. Утворення іонної лавини є процес іскрового пробою, бо мінімальна напруга, у якому виникає іонна лавина, є напруга пробою. Ми бачимо, що при іскровому пробої причина іонізації газу полягає в руйнуванні атомів і молекул при зіткненнях з іонами. Одним із природних представників іскрового розряду є блискавка – гарна та небезпечна.
Коронний розряд. Виникнення іонної лавини не завжди призводить до іскри, а може спричинити і розряд іншого типу – коронний розряд. Натягнемо на двох високих ізолюючих підставках металевий дріт AB діаметром кілька десятих міліметра і з'єднаємо його з негативним полюсом генератора, що дає напругу кілька тисяч вольт, наприклад, хорошій електричній машині. Другий полюс генератора відведемо до Землі. Ми отримаємо своєрідний конденсатор, обкладками якого є наш дріт та стіни кімнати, які, звичайно, повідомляються із Землею. Поле в цьому конденсаторі дуже неоднорідне, і його напруженість дуже велика поблизу тонкого дроту. Підвищуючи напругу поступово і спостерігаючи за дротом у темряві, можна помітити, що при відомій напрузі біля дроту з'являється слабке світіння («корона»), що охоплює з усіх боків дріт; воно супроводжується шиплячим звуком і легким потріскуванням. Якщо між дротом і джерелом включений чутливий гальванометр, то з появою світіння гальванометр показує помітний струм, що йде від генератора по дротах до дроту і від нього повітря кімнати до стін, з'єднаним з іншим полюсом генератора. Струм у повітрі між дротом AB та стінами переноситься іонами, що утворилися в повітрі завдяки ударній іонізації. Таким чином, свічення повітря та поява струму вказують на сильну іонізацію повітря за дією електричного поля. Коронний розряд може виникнути не тільки у дроту, а й у вістря і взагалі у всіх електродів, біля яких утворюється дуже неоднорідне поле.
Застосування коронного розряду
1) Електричне очищення газів (електрофільтри). Посудина, наповнена димом, раптово робиться абсолютно прозорою, якщо внести до неї гострі металеві електроди, з'єднані з електричною машиною. Усередині скляної трубки містяться два електроди: металевий циліндр і тонка металева дріт, що висить по його осі. Електроди приєднані до електричної машини. Якщо продувати через трубку струмінь диму (або пилу) і привести в дію машину, то, як тільки напруга стане достатньою для утворення корони, струмінь повітря, що виходить, стане абсолютно чистим і прозорим, і всі тверді і рідкі частинки, що містяться в газі, будуть осаджуватися на електроди.
Пояснення досвіду ось у чому. Як тільки у дроту запалюється корона, повітря всередині трубки сильно іонізується. Газові іони, стикаючись із частинками пилу, «прилипають» до останніх і заряджають їх. Так як усередині трубки діє сильне електричне поле, то заряджені частинки рухаються під дією поля до електродів, де осідають. Описане явище знаходить собі нині технічне застосування очищення промислових газів у великих обсягах від твердих і рідких домішок.
2) Лічильники елементарних частинок. Коронний розряд є основою дії надзвичайно важливих фізичних приладів: про лічильників елементарних частинок (електронів, і навіть інших елементарних частинок, які утворюються при радіоактивних перетвореннях). Один із типів лічильника (лічильник Гейгера – Мюллера) показаний на рис 1.
Він складається з невеликого металевого циліндра A, з віконцем, і тонкого металевого дроту натягнутої осі циліндра і ізольованої від нього. Лічильник включають в ланцюг, що містить джерело напруги кілька тисяч вольт. Напруга вибирають такою, щоб воно було лише трохи менше «критичного», тобто необхідного для запалення коронного розряду всередині лічильника. При попаданні в лічильник електрона, що швидко рухається, останній іонізує молекули газу всередині лічильника, від чого напруга, необхідна для запалення корони, дещо знижується. У лічильнику виникає розряд, а ланцюга з'являється слабкий короткочасний струм.
Тік, що виникає в лічильнику, настільки слабкий, що звичайним гальванометром його виявити важко. Однак його можна зробити цілком помітним, якщо в ланцюг ввести дуже великий опір R і паралельно йому приєднати чутливий електрометр E. При виникненні ланцюга струму I на кінцях опору створюється напруга U, рівну за законом Ома U = IxR. Якщо вибрати величину опору R дуже великий (багато мільйонів ом), проте значно меншою, ніж опір самого електрометра, то навіть дуже слабкий струм викликає помітну напругу. Тому при кожному попаданні швидкого електрона всередину лічильника листочок електрометра даватиме покидьок.
Подібні лічильники дозволяють реєструвати не тільки швидкі електрони, а й взагалі будь-які заряджені частинки, що швидко рухаються, здатні виробляти іонізацію газу шляхом зіткнень. Сучасні лічильники легко виявляють попадання в них навіть однієї частинки і дозволяють, тому з повною достовірністю і дуже наочністю переконатися, що в природі дійсно існують елементарні частинки.
Дуговий розряд. У 1802 р. В. В. Петров встановив, що якщо приєднати до полюсів великої електролітичної батареї два шматочки деревного вугілля і, привівши вугілля в дотик, злегка їх розділити, то між кінцями вугілля утворюється яскраве полум'я, а самі кінці вугілля розжарюються до білого. Випускаючи сліпуче світло (електрична дуга). Це явище через сім років незалежно спостерігав англійський хімік Деві, який запропонував на честь Вольта назвати цю дугу «вольтовою».
Зазвичай освітлювальна мережа живиться струмом змінного спрямування. Дуга, однак, горить стійкіше, якщо через неї пропускають струм постійного напрямку, так що один з її електродів є постійно позитивним (анод), а інший негативним (катод). Між електродами знаходиться стовп розпеченого газу, який добре проводить електрику. У звичайних дугах цей стовп випускає значно менше світла, ніж розпечене вугілля. Позитивне вугілля, маючи більш високу температуру, згоряє швидше за негативне. Внаслідок сильної сублімації вугілля на ньому утворюється поглиблення – позитивний кратер, що є найгарячішою частиною електродів. Температура кратера повітря при атмосферному тиску сягає 4000 °C.
Дуга може горіти і між металевими електродами (залізо, мідь тощо). При цьому електроди плавляться і швидко випаровуються, на що витрачається багато тепла. Тому температура кратера металевого електрода зазвичай нижча, ніж вугільного (2000-2500 ° C).
Примушуючи горіти дугу між вугільними електродами в стиснутому газі (близько 20 атм), вдалося довести температуру позитивного кратера до 5900 ° C, тобто температури поверхні Сонця. За цієї умови спостерігалося плавлення вугілля.
Ще більш високою температурою має стовп газів і парів, через який йде електричний розряд. Енергійне бомбардування цих газів і пар електронами та іонами, що підганяються електричним полем дуги, доводить температуру газів у стовпі до 6000-7000°. Тому в стовпі дуги майже всі відомі речовини плавляться і звертаються в пару, і уможливлюються багато хімічних реакцій, які не йдуть при нижчих температурах. Неважко, наприклад, розплавити в полум'ї дуги тугоплавкі порцелянові палички.
Для підтримки дугового розряду потрібна невелика напруга: дуга добре горить при напрузі її електродах 40-45 в. Струм у дузі досить значний. Так, наприклад, навіть у невеликій дузі йде струм близько 5 А, а у великих дугах, що вживаються в промисловості, струм досягає сотень ампер. Це показує, що опір дуги невеликий; отже, і газовий стовп, що світиться, добре проводить електричний струм.
Така сильна іонізація газу можлива тільки тому, що катод дуги випускає дуже багато електронів, які своїми ударами іонізують газ у розрядному просторі. Сильна електронна емісія з катода забезпечується тим, що катод дуги сам розжарений дуже високої температури (від 2200° до 3500°C залежно від матеріалу). Коли для запалення дуги ми на початку наводимо вугілля в дотик, то в місці контакту, що має дуже великий опір, виділяється майже все джоулеве тепло проходить через вугілля струму. Тому кінці вугілля сильно розігріваються, і цього достатньо для того, щоб при їх розсуванні між ними спалахнула дуга. Надалі катод дуги підтримується в розжареному стані самим струмом, що проходить через дугу. Головну роль у цьому грає бомбардування катода позитивними іонами, що падають на нього.
Застосування дугового розряду
Внаслідок високої температури електроди дуги випромінюють сліпуче світло, і тому електрична дуга є одним із найкращих джерел світла. Вона споживає всього близько 0,3 Вт на кожну свічку і є значно економічнішою. Чим кращі лампи розжарювання. Електрична дуга вперше була використана для освітлення П. Н. Яблочковим у 1875 р. та отримала назву «російського світла», або «північного світла».
Електрична дуга також застосовується для зварювання металевих деталей (дугове електрозварювання). В даний час електричну дугу дуже широко застосовують у промислових електропечах. У світовій промисловості близько 90% інструментальної сталі та майже всі спеціальні сталі виплавляються в електричних печах.
Великий інтерес представляє ртутна дуга, що горить у кварцовій трубці, так звана кварцова лампа. У цій лампі дуговий розряд відбувається не в повітрі, а в атмосфері ртутної пари, для чого в лампу вводять невелику кількість ртуті, а повітря викачують. Світло ртутної дуги надзвичайно багате невидимими ультрафіолетовими променями, що мають сильну хімічну та фізіологічну дію. Ртутні лампи широко застосовують при лікуванні різноманітних хвороб («штучне гірське сонце»), а також при наукових дослідженнях як джерело ультрафіолетових променів.
Тліючий розряд. Крім іскри, корони та дуги, існує ще одна форма самостійного розряду в газах – так званий розряд, що тліє. Для отримання цього типу розряду зручно використовувати скляну трубку довжиною близько півметра, що містить два металеві електроди. Приєднаємо електроди до джерела постійного струму з напругою в кілька тисяч вольт (годиться електрична машина) і поступово відкачуватимемо з трубки повітря. При атмосферному тиску газ усередині трубки залишається темним, оскільки прикладена напруга кілька тисяч вольт недостатньо для того, щоб пробити довгий газовий проміжок. Однак коли тиск газу досить знизиться, в трубці спалахує розряд, що світиться. Він має вигляд тонкого шнура (у повітрі – малинового кольору, в інших газах – інших кольорів), що з'єднує обидва електроди. У цьому стані газовий стовп добре проводить електрику.
При подальшій відкачений шнур, що світиться, розмивається і розширюється, і свічення заповнює майже всю трубку. Розрізняють такі дві частини розряду: 1) частина, що не світиться, прилеглу до катода, що отримала назву темного катодного простору; 2) стовп газу, що світиться, заповнює всю решту трубки, аж до самого анода. Ця частина розряду зветься позитивного стовпа.
А працює це якось. При розряді, що тліє, газ добре проводить електрику, а значить, у газі весь час підтримується сильна іонізація. При цьому на відміну від дугового розряду катод постійно залишається холодним. Чому ж у цьому випадку відбувається утворення іонів?
Падіння потенціалу чи напруги кожному сантиметрі довжини газового стовпа в тліючому розряді дуже по-різному у різних частинах розряду. Виходить, що майже все падіння потенціалу посідає темний простір. Різниця потенціалів, що існує між катодом та найближчим до нього кордоном простору, називають катодним падінням потенціалу. Воно вимірюється сотнями, а деяких випадках і тисячами вольт. Весь розряд виявляється за рахунок цього катодного падіння.
Значення катодного падіння полягає в тому, що позитивні іони, пробігаючи цю велику різницю потенціалів, набувають більшої швидкості. Так як катодне падіння зосереджено в тонкому шарі газу, то тут майже не відбувається зіткнень іонів з газовими атомами, і через це, проходячи через область катодного падіння, іони набувають дуже великої кінетичної енергії. Внаслідок цього при зіткненні з катодом вони вибивають з нього кілька електронів, які починають рухатися до анода. Проходячи через темний простір, електрони у свою чергу прискорюються катодним падінням потенціалу і при зіткненні з газовими атомами більш віддаленої частини розряду роблять іонізацію ударом. Позитивні іони, що виникають при цьому, знову прискорюються катодним падінням і вибивають з катода нові електрони і т. д. Таким чином все повторюється до тих пір, поки на електродах є напруга.
Отже ми бачимо, що причинами іонізації газу тліючому розряді є ударна іонізація і вибивання електронів з катода позитивними іонами.
Такий розряд використовують переважно для освітлення. Застосовується в люмінесцентних лампах.

Словом "плазма" (від грецьк. "плазма" - "оформлене") в середині XIX ст. стали називати безбарвну частину крові (без червоних і білих тілець) і рідина, що наповнює живі клітини. У 1929 р. американські фізики Ірвінг Ленгмюр (1881-1957) та Леві Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ у газорозрядній трубці. Англійський фізик Вільям Крукс (1832-1919), який вивчав електричний розряд у трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явлення у відкачаних трубках відкривають для фізичної науки новий світ, у якому матерія може існувати в четвертому стані». Залежно від температури, будь-яка речовина змінює свій стан. Так, вода при негативних (за Цельсієм) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100 "С - в рідкому, вище 100 ° С-в газоподібному. Якщо температура продовжує зростати, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуються і газ перетворюється на плазму При температурі понад 1 000 000 °С плазма абсолютно іонізована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів. - це повністю іонізована плазма.Зовнішня частина земної атмосфери (іоносфера) теж плазма.Ще вище розташовуються радіаційні пояси, що містять плазму. І лише мізерну частину Всесвіту становить речовина в твердому стані - планети, астероїди та пилові туманності.Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично заряджених та нейтральних частинок, у якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, т. с. виконано умову квазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, що летять у вакуумі, не плазма: він несе негативний заряд). Плазма - частково або повністю іонізований газ, в якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові. У лабораторних умовах плазма утворюється в електричному розряді в газі, процесах горіння та вибуху. Коли промінь лазера сфокусували лінзою, у повітрі області фокусу спалахнула іскра, і там утворилася плазма. Це викликало величезний інтерес у фізиків. Перші затравальні електрони з'являються в результаті виривання їх з атомів середовища після одночасного поглинання декількох фотонів світлової хвилі. Енергія кожного фотона рубінового лазера дорівнює 1, 78 еВ. Далі вільний електрон, поглинаючи фотони, досягає енергії 10 еВ, достатньої для іонізації та народження нового електрона у процесі зіткнення з атомами середовища. Розряд може горіти протягом тривалого часу і світиться сліпучо-білим світлом, на нього неможливо дивитися без темних окулярів. Надзвичайно висока температура - унікальна властивість оптичного заряду - представляє великі можливості для використання його як джерело світла. Можливість створення плазмового шнура світловим випромінюванням лазера відкриває можливості передачі енергії на відстань. Носіями заряду в плазмі є електрони та іони, що утворилися внаслідок іонізації газу. Відношення числа іонізованих атомів до їх повного числа в одиниці об'єму плазми називають ступенем іонізації плазми (а). Залежно від величини а говорять про слабо іонізовану (а - частку відсотка), частково іонізовану (а - кілька відсотків) до повністю іонізованої (а близька до 100%) плазми. Середні кінетичні енергії різних типів частинок, що становлять плазму, можуть бути різними. Тому в загальному випадку плазму характеризують не одним значенням температури, а декількома – розрізняють електронну температуру Ті, іонну температуру Ті та температуру нейтральних атомів Та. Плазму з іонною температурою Тi< 105 К называют низкотемпературной, а с Тi >106 К – високотемпературної. Високотемпературна плазма є основним об'єктом дослідження з УТС (керованого термоядерного синтезу). Низькотемпературна плазма знаходить застосування в газорозрядних джерелах світла, газових лазерах, МГД - генераторах та ін. Найбільш широко плазма застосовується у світлотехніці - в газорозрядних лампах, що висвітлюють вулиці, та лампах денного світла, що використовуються в приміщеннях. А крім того, в різних газорозрядних приладах: випрямлячах електричного струму, стабілізаторах напруги, плазмових підсилювачах і генераторах надвисоких частот (НВЧ), лічильниках космічних частинок. Усі звані газові лазери (гелій-неоновий, криптоновий, на діоксиді вуглецю тощо.) насправді плазмові: газові суміші у яких іонізовані електричним розрядом. Властивості, характерні для плазми, мають електрони провідності в металі (іони, жорстко закріплені в кристалічній решітці, нейтралізують їх заряди), сукупність вільних електронів і рухливих «дірок» (вакансій) у напівпровідниках. Тому такі системи називають плазмою твердих тіл. Газову плазму прийнято розділяти на низькотемпературну - до 100 тис. градусів і високотемпературну - до 100 млн градусів. Існують генератори низькотемпературної плазми – плазмотрони, у яких використовується електрична дуга. За допомогою плазмотрона можна нагріти майже будь-який газ до 7000-10000 градусів за соті та тисячні частки секунди. Зі створенням плазмотрона виникла нова галузь науки - плазмова хімія: багато хімічних реакцій прискорюються або йдуть тільки в плазмовому струмені. Плазмотрони застосовуються і в гірничо-рудній промисловості, і для різання металів. Створено також плазмові двигуни, магнітогідродинамічні електростанції. Розробляються різні схеми плазмового прискорення заряджених частинок. Центральним завданням фізики плазми є проблема керованого термоядерного синтезу. Термоядерними називають реакції синтезу більш важких ядер з ядер легких елементів (насамперед ізотопів водню - дейтерію D і тритію Т), що протікають за дуже високих температур (» 108 К і вище) У природних умовах термоядерні реакції відбуваються на Сонці: ядра водню з'єднуються один з другом, утворюючи ядра гелію, у своїй виділяється значну кількість енергії. Штучна реакція термоядерного синтезу було здійснено у водневій бомбі.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Національний дослідницький Томський політехнічний університет

Кафедра техніки та електрофізики високої напруги

Курсовий проект

Предмет «Прикладна фізика та хімія плазми»

Дуговий розряд

Виконав студент групи 4ТМ41

Аширбаєв М.Є.

Перевірив професор, д.ф.-м.н. ТЕВН

Пушкарьов А.І.

Томськ, 2015

дуговий розряд катодний вольтамперний

1. Загальні відомості

2. Властивості дугового розряду

2.1 Утворення дуги

2.2 Катодна пляма. Зовнішній вигляд та окремі частини дугового розряду

2.3 Розподіл потенціалу та вольтамперна характеристика при дуговому розряді

2.4 Температура та випромінювання окремих частин дугового розряду

2.5 Генерація невгамовних коливань за допомогою електричної дуги

3. Застосування дугового розряду

3.1 Сучасні методи електрообробки

3.2 Електродугове зварювання

3.3 Плазмова технологія

3.4 Плазмове зварювання

Висновок

Список використаних джерел

1. Загальні відомості

Дуговий розряд у вигляді так званої електричної дуги був вперше виявлений в 1802 російським вченим професором фізики Військово-медико-хірургічної академії в Петербурзі, а згодом академіком Петербурзької Академії наук Василем Володимировичем Петровим. Петров наступними словами описує у одній із виданих ним книжок свої перші спостереження над електричної дугою:

«Якщо на скляну плитку або на лавку зі скляними ніжками будуть покладені два або три деревні вугілля... і якщо металевими ізольованими напрямниками...повідомленими з обома полюсами величезної батареї, наближати вони один до одного на відстань від однієї до трьох ліній, то є між ними дуже яскраве білого кольору світло або полум'я, від якого вони вугілля швидше або повільніше спалахують і від якого темний спокій досить ясно освітлений може бути...».

Шлях до електричної дуги почався в давнину. Ще греку Фалесу Мілетському, який жив у шостому столітті до нашої ери, було відомо властивість бурштину притягувати при натиранні легкі предмети-пір'ячки, солому, волосся і навіть створювати іскорки. Аж до сімнадцятого століття це був єдиний спосіб електризації тіл, який не мав жодного практичного застосування. Вчені шукали пояснення цього явища.

Англійський фізик Вільям Гільберт (1544-1603) встановив, що й інші тіла (наприклад, гірський кришталь, скло), подібно до бурштину, мають властивість притягувати легкі предмети після натирання. Він назвав ці властивості електричними, вперше ввівши цей термін у вжиток (грецькою бурштин-електрон).

Бургомістр з Магдебурга Отто фон Геріке (1602-1686) сконструював одну з перших електричних машин. Це була електростатична машина, що являла собою сірчану кулю, укріплену на осі. Одним із полюсів служив... сам винахідник. При обертанні рукоятки з долонь досить бургомістра з легким потріскуванням вилітали синюваті іскри. Пізніше машину Геріке удосконалили інші винахідники. Сірчана куля була замінена скляною, а замість долонь дослідника як один з полюсів застосовані шкіряні подушечки.

Велике значення мало винахід у вісімнадцятому столітті лейденської банки-конденсатора, що дозволив накопичувати електрику. Це була скляна посудина з водою, обгорнута фольгою. У воду занурювали металевий стрижень, пропущений через корок.

Американський вчений Бенджамін Франклін (1706-1790) довів, що вода у збиранні електричних зарядів ніякої ролі не грає, цією властивістю володіє скло-діелектрик.

Електростатичні машини набули досить широкого поширення, але лише як кумедні штучки. Були, щоправда, спроби лікування хворих за допомогою електрики, проте яким був фізіотерапевтичний ефект такого лікування, сказати важко.

Французький фізик Шарль Кулон (1736-1806) - засновник електростатики - в 1785 р. встановив, що сила взаємодії електричних зарядів пропорційна їх величинам і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

У сорокових роках вісімнадцятого століття Бенджамін Франклін висунув теорію про те, що існує електрика тільки одного роду - особлива електрична матерія, що складається з найдрібніших частинок, здатних проникати всередину речовини. Якщо в тілі є надлишок електричної матерії, воно заряджено позитивно, при її нестачі - тіло заряджено негативно. Франклін запровадив у практику знаки «плюс» і «мінус», і навіть терміни: конденсатор, провідник, заряд.

З оригінальними теоріями про природу електрики виступили М. В. Ломоносов (1711-1765), Леонард Ейлер (1707-1783), Франц Епінус (1724-1802) та інші вчені. До кінця вісімнадцятого століття властивості та поведінка нерухомих зарядів були досить вивчені та певною мірою пояснені. Однак нічого не було відомо про електричний струм - заряди, що рухаються, так як не існувало пристрою, яке могло б змусити рухатися велика кількість зарядів. Струми, отримані від електростатичної машини, були надто малі, їх не можна було виміряти.

2. Властивості дугового розряду

2.1 Утворення дуги

Якщо в розряді, що тліє, збільшувати силу струму, зменшуючи зовнішній опір, то при великій силі струму напруга на затискачах трубки починає падати, розряд швидко розвивається і перетворюється на дуговий. Найчастіше перехід відбувається стрибком і майже часто веде до короткого замиканню. При підборі опору зовнішнього контуру вдається стабілізувати перехідну форму розряду і спостерігати при певних тисках безперервний перехід розряду, що тліє, в дугу. Паралельно з падінням напруги між електродами трубки йде зростання температури катода та поступове зменшення катодного падіння.

Застосування звичайного способу запалювання дуги шляхом розсування електродів викликано тим, що дуга горить при порівняно низьких напругах в десятки вольт, тоді як для запалення розряду, що тліє, потрібно при атмосферному тиску напруга порядку десятків кіловольт. Процес запалювання при розсуві електродів пояснюється місцевим нагріванням електродів внаслідок утворення поміж ними поганого контакту в момент розриву ланцюга. Питання розвитку дуги при розриві ланцюга технічно важливий як з погляду отримання «корисних» дуг, але й з погляду боротьби з «шкідливими» дугами, наприклад з утворенням дуги при розмиканні рубильника. Нехай L-само-індукція контуру, W-його опір, Ъ--е.д.с. джерела струму U(I) - функція вольтамперної характеристики дуги. Тоді ми повинні мати:

Ъ= L dI/dt+WI+U(I) (1)

LdI/dt=(Ъ-WI)-U(I)=? (2)

Різниця (Ъ - WI) не що інше, як ордината прямої опору АВ (рис.1), а U(I)-- ордината показники дуги при цьому I. Щоб dI/dt було негативно, тобто. Щоб струм I неодмінно зменшувався з часом і між електродами рубильника не утворилося стійкої дуги, треба, щоб

Рис. 1. Відносне положення прямої опору і кривої вольтамперної характеристики дуги, що встановилася, для випадків: а) коли дуга не може виникнути при розриві ланцюга; б) коли дуга виникає при розриві в інтервалі сили струму, що відповідає точкам Р та Q.

мало місце?<0, т. е. надо, чтобы во всех точках характеристики соблюдалось неравенство U(I)>Ъ-WI. Для цього характеристика всіма своїми точками повинна лежати вище за прямий опір (рис. 1, а). Цей простий висновок не враховує ємності в ланцюгу і стосується лише постійного струму.

Точка перетину прямої опору з кривою вольт-амперної характеристики дуги, що встановилася, відповідає нижчій межі сили постійного струму, при якому може виникнути дуга при розриві ланцюга (рис. 1, б). У разі розмикання рубильником дуги змінного струму, що згасає при кожному переході напруги через нуль, істотно, щоб умови, наявні в розрядному проміжку при розмиканні, не допускали нового запалення дуги при подальшому зростанні напруги джерела струму. Для цього потрібно, щоб при зростанні напруги розрядний проміжок був досить деіонізований. У вимикачах сильних змінних струмів штучно домагаються посиленої деіонізації шляхом введення спеціальних електродів, що відсмоктують заряджені частинки газу завдяки двому полярній дифузії, а також шляхом застосування механічного дуття або шляхом впливу на розряд магнітним полем. При високих напругах застосовують масляні вимикачі.

2.2 Катодна пляма. Зовнішній вигляд та окремі частини дугового розряду

Катодна пляма, нерухома на вугільному катоді, на поверхні рідкої ртуті знаходиться в безперервному швидкому русі. Положення катодної плями на поверхні рідкої ртуті може бути закріплене за допомогою металевого штифта, зануреного в ртуть і трохи висовується з неї.

У разі невеликої відстані між анодом та катодом теплове випромінювання анода сильно впливає на властивості катодної плями. При досить великій відстані анода від вугільного катода розміри катодної плями прагнуть деякого постійного граничного значення, і площа, займана катодною плямою на вугільному електроді в повітрі, пропорційна силі струму і відповідає при атмосферному тиску 470 а/смІ000 а/смІ.

При зменшенні тиску площа, яку займає катодна пляма на вугільному катоді, при постійній силі струму збільшується.

Різкість видимої межі катодної плями пояснюється тим, що порівняно повільному зменшенню температури з віддаленням від центру плями відповідає швидке падіння як світлового випромінювання, так і термоелектронної емісії, а це рівносильно різкій «оптичній» та «електричній» межі плями.

Вугільний катод при горінні дуги в повітрі загострюється, тоді як на вугільному аноді, якщо розряд не перекриває всю передню площу анода, утворюється кругле заглиблення. позитивний кратер дуги.

Утворено катодної плями пояснюється так. Розподіл просторових зарядів у тонкому шарі у катода такий, що тут розряд вимагає для своєї підтримки тим меншої різниці потенціалів, чим менше поперечний переріз каналу розряду. Тому розряд на катоді має стягуватися.

Безпосередньо до катодної плями прилягає частина розряду, яка називається негативним пли катодним пензлем або негативним полум'ям. Довжина катодної кисті в дузі при низькому тиску визначається тією відстанню, на яку залітають швидкі первинні електрони, що отримали свої швидкості в області падіння катодного потенціалу.

Між негативним пензлем і позитивним стовпом розташована область, аналогічна Фарадєєву темному простору розряду, що тліє. У дузі Петрова в повітрі, крім негативної кисті, є позитивне полум'я і ряд ореолів. Спектральний аналіз вказує на наявність у цих полум'ях та ореолах низки хімічних сполук (ціана та оксидів азоту).

При горизонтальному розташуванні електродів та великому тиску газу позитивний стовп дугового розряду згинається догори під дією конвекційних струмів нагрітого розрядом газу. Звідси походить назва дуговий розряд.

2.3 Розподіл потенціалу та вольтамперна характеристика при дуговому розряді

У дузі Петрова висока температура і високий тиск не дозволяють використовувати для вимірювання розподілу потенціалу метод зондів.

Падіння потенціалу між електродами дуги складається з катодного падіння та Uк, анодного падіння Uа та падіння у позитивному стовпі. Суму катодного та анодного падінь потенціалу можна визначити, зближуючи анод та катод до зникнення позитивного стовпа та вимірюючи напругу між електродами. У разі дуги при низькому тиску можна визначити значення потенціалу у двох точках стовпа дуги, користуючись методом зондових характеристик, обчислити звідси поздовжній градієнт потенціалу і далі підрахувати як анодне, так і падіння катодне потенціалу.

Встановлено, що у дуговому розряді при атмосферному тиску сума катодного та анодного падінь приблизно тієї ж величини, що і іонізаційний потенціал газу або пари, в якому відбувається розряд.

У техніці застосування дуги Петрова з вугільними електродами зазвичай користуються емпіричною формулою Айртона:

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

Тут U – напруга між електродами, I – сила струму в дузі, l – довжина дуги, а, b, с та d – чотири постійних. Формула характеристики (3) встановлена ​​для дуги між вугільними електродами повітря. Під l мається на увазі відстань між катодом та площиною, проведеною через краї позитивного кратера.

Перепишемо формулу (4) у вигляді

U=a+c/I+l(b+d/I). (4)

(4) члени, що містять множник l, відповідають падінню потенціалу в позитивному стовпі; перші два члени є сумою катодного і анодного падіння Uк+Uа. Постійні (3) залежать від тиску повітря і від умов охолодження електродів, а отже, від розмірів і форми вугілля.

У разі дугового розряду в відкачаному посудині, заповненому парами металу (наприклад, ртуті), тиск пари залежить від температури найбільш холодних частин судини і тому хід характеристики залежить від умов охолодження всієї трубки.

Динамічна характеристика дугового розряду відрізняється від статичної. Тип динамічної характеристики залежить від швидкості зміни режиму дуги. Практично найцікавіша характеристика дуги при живленні змінним струмом. Одночасне осцилографування струму та напруги дає картину, зображену на рис.2. Накреслена за цими кривими характеристика дуги за період має вигляд, представлений на рис.2. Пунктир показаний хід напруги за відсутності розряду.

Рис. 2. Осцилограма струму та напруги дугового розряду на змінному струмі низької частоти. Крапки А, В, З і т.д. відповідають точкам, позначеним тими самими літерами

Катод, що не встиг ще охолоне після розряду, що мав місце в попередньому напівперіоді струму, з самого початку напівперіоду, коли зовнішня е.д.с. проходить через нуль, емітує електрони. Від точки Про до точки А характеристика відповідає несамостійному розряду, джерелом якого є електрони, що емітуються катодом. У точці А відбувається запалення дуги. Після точки А розрядний струм швидко зростає. За наявності опору у зовнішньому ланцюзі напруга між електродами дуги падає, хоча е.р.с. джерела струму (пунктир на рис.3), пробігаючи синусоїду, ще збільшується. Зі зменшенням напруги та струму, що дається зовнішнім джерелом, розрядний струм починає зменшуватися.

Зі зменшенням струму в дузі напруга між її електродами може знову зрости в залежності від зовнішнього опору, але частина ВС характеристики на рис.3 може бути горизонтальною або мати протилежний нахил. У точці С має місце згасання дуги.

Після точки С струм несамостійного розряду зменшується до нуля разом із зменшенням напруги між електродами.

Після переходу напруги через нуль роль катода починає грати колишній анод і картина повторюється при знаках зворотного струму і напруги.

На вигляд динамічної характеристики впливають всі умови, що визначають режим дуги: відстань між електродами, величина зовнішнього опору, самоіндукція і ємність зовнішнього ланцюга, частота змінного струму, що живить дугу, і т.д.

Якщо на електроди дуги, що живиться постійним струмом, накласти змінну напругу амплітуди, меншої, ніж напруга постійного струму, що живить дугу, то характеристика має вигляд замкнутої петлі, що охоплює статичну характеристику НДз двох боків. При збільшенні частоти змінного струму вісь цієї петлі повертається, сама петля сплющується і, нарешті, прагне набути відрізка прямої ОА, що проходить через початок координат (рис.3).

Рис. 3. Зміна динамічної характеристики за підвищеної частоти змінного струму, накладеного на постійний

При дуже малій частоті петля динамічної характеристики перетворюється на відрізок статичної характеристики ВС, так як всі внутрішні параметри розряду, зокрема концентрація іонів і електронів, встигають у кожній точці характеристики приймати значення, що відповідають стаціонарному розряду за даними U та I. Навпаки, при дуже швидкому зміні та параметри розряду зовсім не встигають змінюватися, тому I виявляється пропорційним і, що відповідає прямий ОА, що проходить через початок координат. Таким чином, зі збільшенням частоти змінного струму петля характеристики (рис. 3) стає у всіх своїх точках зростаючою.

У зв'язку з можливістю повної іонізації газу в дуговому розряді стоїть питання про обрив дуги при малому тиску газу та дуже сильних струмах. У явищі обриву дуги істотну роль відіграє значне зменшення густини газу внаслідок електрофорезу та відсмоктування іонів до стінок, особливо в таких місцях, де розрядний проміжок сильно звужений. Фактично це призводить до необхідності уникати надмірних звужень при побудові ртутних випрямлячів на величезні сили струму.

Електрики, які вперше мали справу з електричною дугою, намагалися застосувати закон Ома також і в цьому випадку. Для отримання результатів розрахунку за законом Ома, згодних з дійсністю, їм довелося запровадити уявлення про зворотну електрорушійну силу дуги. За аналогією з явищами в гальванічних елементах, передбачувана поява цієї е.р.с. назвали поляризацією дуги Питання про зворотний е.р.с. дуги присвячені роботи російських вчених Д. А. Лачинова та В. Ф. Міткевича. Подальший розвиток уявлень про електричні розряди в газах показав, що така постановка питання є суто формальною і може бути успішно замінена уявленням про падаючу характеристику дуги. Справедливість цієї погляду підтверджується невдачею всіх спроб безпосередньо виявити експериментально зворотну е.р.с. електричної дуги.

2.4 Температура та випромінювання окремих частин дугового розряду

У разі дуги у повітрі між вугільними електродами переважає випромінювання розжарених електродів, головним чином, позитивного кратера. Випромінювання анода, як випромінювання твердого тіла, має суцільний спектр. Інтенсивність визначається температурою анода. Остання є характерною величиною для дуги в атмосферному повітрі при аноді з будь-якого даного матеріалу, так як температура анода від сили струму не залежить і визначається виключно температурою плавлення або сублімації матеріалу анода. Температура плавлення або сублімації залежить від тиску, під яким знаходиться тіло, що плавиться або виганяється. Тому температура анода, отже, і інтенсивність випромінювання позитивного кратера залежить від тиску, у якому горить дуга. У цьому відношенні відомі класичні досліди з вугільною дугою під тиском, що призвели до дуже високих температур.

Про зміну температури позитивного кратера з тиском дає поняття крива рис. 4. Пряма лінія, яку на цьому кресленні укладаються точки для тисків від 1 атм. і вище, служить підтвердженням припущення, що температура позитивного кратера визначається температурою плавлення або сублімації речовини анода, так як в цьому випадку повинна існувати лінійна залежність між ln рта 1/T. Відступ від лінійної залежності при нижчому тиску пояснюється тим, що при тиску нижче 1 атм. кількість тепла, що виділяється на аноді, недостатньо для нагрівання анода до температури плавлення або сублімації.

Рис. 4. Зміна температури вугільного анода електричної дуги у повітрі при зміні тиску. Шкала по осі логарифмічна ординат

Температура катодної плями дуги Петрова завжди на кілька сотень градусів нижче температури позитивного кратера. Високі температури шнура дуги неможливо визначити за допомогою термоелемента чи болометра. Нині визначення температури в дузі застосовують спектральні методи. При великих силах струму температура газу в дузі Петрова може бути вищою за температуру анода і досягає 6000 ° К. Такі високі температури газу характерні для всіх випадків дугового розряду при атмосферному тиску. У разі дуже великих тисків (десятки і сотні атмосфер) температура в центральних частинах від позитивного стовпа, що шнурувався, дуги доходить до 10 000° К. У дуговому розряді при низьких тисках температура газу в позитивному стовпі того ж порядку, як і в позитивному стовпі тліючого розряду.

Температура позитивного кратера дуги вище, ніж температура катода, тому що на аноді весь струм переноситься електронами, що бомбардують і нагрівають анод. Електрони віддають аноду не тільки всю придбану в області анодного падіння кінетичну енергію, але ще й роботу виходу (приховану теплоту випаровування електронів). Навпаки, на катод потрапляє і його бомбардує і нагріває малу кількість позитивних іонів у порівнянні з числом електронів, що потрапляють на анод за тієї ж сили струму. Решта струму на катоді здійснюється електронами, при виході яких у разі

термоелектронної дуги працювати виходу витрачається теплова енергія катода.

2.5 Генерація невгамовних коливань за допомогою електричної дуги

Завдяки тому, що дуга має характеристику, що падає, вона може бути використана в якості генератора незагасаючих коливань. Схема такого генератора дугового представлена ​​на рис. 5. Умови генерації коливань у цій схемі можна вивести з розгляду умов стійкості стаціонарного розряду за заданими параметрами зовнішнього ланцюга. Нехай електрорушійна сила джерела постійного струму, що живить розряд (рис.5), дорівнює Ъ, напруга між електродами трубки U, сила стаціонарного струму через розрядну трубку при даному режимі дорівнює I, ємність катод-анод трубки плюс ємність всіх проводів, що підводять С, самоіндукція в ланцюга L, опір, через яке подається струм джерела, R.

Рис. 5. Принципова електрична схема дугового генератора.

При режимі постійного струму будемо мати:

Ъ= Uпро+IR (5)

Припустимо, що цей стаціонарний режим порушено. Розрядний струм у будь-який момент часу дорівнює I+ i, де i- мала величина, а різниця потенціалів між електродами дорівнює U. Введемо позначення U?=dU/dI (dU/d i)i=0 дорівнює тангенсу кута нахилу дотичної до вольтамперної характеристики в робочій точці, що відповідає обраному нами спочатку режиму (струм I). Подивимося, як далі змінюватиметься i. Якщо iзростатиме, то цей режим розряду нестійкий; якщо, навпаки, iбезмежно зменшується, то режим розряду стійкий.

Звернемося до вольтамперної характеристики розрядного проміжку, що розглядається U= f(I+i) - через трубку йде струм I+iта ємність Ззаряджається (або розряджається). Різниця потенціалів на ємності Зврівноважується у разі як напругою на розрядному проміжку, а й е.д.с. самоіндукції ланцюга. Нехай I+i2--загальний струм через опір R. Позначимо струм, що заряджає ємність, через i1; миттєве значення різниці потенціалів на ємності С- через U1. Різниця потенціалів між електродами дуги буде U0+ iU".

Ъ=U1+(i+I2)R, (6)

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

i2= i1+ i. (8)

Додатковий заряд Q на ємності С порівняно зі стаціонарним режимом:

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

Віднімаючи (5) з (6), знаходимо:

U 1 - U 0 =- i 2 R (10)

Вирази (7), (8) та (10) дають:

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

Вирази (7) та (9) дають:

1/C?i 1 dt= U"i+ Ldi/ dt. (12)

Диференціюючи (12) по t і вставляючи результат (11), знаходимо:

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

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

Формула (14) являє собою диференціальне рівняння, якому підпорядковується додатковий струм i.

Як відомо, повний інтеграл рівняння (14) має вигляд:

i=А1е^r1t+А2е^r2t, (15)

де r1 і r2 - корені характеристичного рівняння, що визначаються формулою

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

Якщо підкорена величина (16) більше нуля, то r1 і r2 обидва дійсні, i змінюється апериодически за експоненційним законом і рішення (15) відповідає аперіодичному зміні струму. Для того щоб у схемі, що розглядається нами, виникли коливання струму, необхідно, щоб r 1 і r 2 були комплексними величинами, тобто щоб

1/LC(U"/R+1)>1/4(1/CR+U"/L)І (17)

У цьому випадку (15) можна подати у вигляді

i=A 1 e -дt+jщt+ A 2 e -дt-jщt, (18)

д=1/2(1/CR+U"/L); i= v-1.

При д < 0 колебания, возникшие в рассматриваемой цепи, будут раскачиваться. При д> 0 вони швидко згасають, і розряд постійному струмі буде стійкий.

Таким чином, для того щоб у схемі, що розглядається, в кінцевому підсумку могли встановитися незатухаючі коливання, треба, щоб

(1/ CR+ U"/ L)<0. (19)

Так як Р, L і С істотно позитивні величини, то нерівність (19) може бути дотримано лише за умови:

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

Звідси укладаємо, що коливання в контурі, що розглядається, можуть виникнути тільки при падаючій вольтамперній характеристиці розряду.

Дослідження умов, за яких r1 і r2 дійсні і обидва менші за нуль, призводить до умов стійкості розряду постійного струму: Умови (21) і (22) являють собою загальні умови. Стійкості розряду, що живиться постійною напругою.

(1/ CR+ U"/ L)>0 і (21)

U"/ R+1>0 . (22)

З (21) слід, що з зростаючою вольтамперної характеристиці розряд завжди стійкий. Об'єднуючи цю вимогу з умовою (22), знаходимо, що при падаючій характеристиці розряд може бути стійким тільки при

|U"|

При безпосередньому застосуванні формул цього параграфа до питання про генерацію коливань за допомогою дуги доводиться брати U" із "середньої характеристики", побудованої на підставі висхідної та низхідної гілок динамічної характеристики.

При періодичній зміні сили струму в дузі Петрова змінюються температура та щільність газу та швидкості аеродинамічних потоків. При доборі відповідного режиму ці зміни призводять до виникнення акустичних коливань у навколишньому повітрі. В результаті виходить так звана дуга, що співає, що відтворює чисті музичні тони.

3 . Застосування дугового розряду

3.1 Сучасні методи електрообробки

Серед сучасних технологічних процесів одним із найпоширеніших є електрозварювання. Зварювання дозволяє зварювати, паяти, склеювати, напилювати не тільки метали, а й пластмаси, кераміку і навіть скло. Діапазон застосування цього методу воістину неосяжний - від виробництва потужних підйомних кранів, будівельних металоконструкцій, обладнання для атомних та інших електростанцій, спорудження великотоннажних суден, атомних криголамів до виготовлення найтонших мікросхем та різних побутових виробів. У ряді виробництв використання зварювання призвело до корінної зміни технології. Так, справжньою революцією в суднобудуванні стало освоєння потокової споруди судів із великих зварних секцій. На багатьох верфях країни зараз будують великотоннажні цільнозварні танкери. Електрозварювання дозволило вирішити проблеми створення газопроводів, розрахованих на роботу в північних умовах при тиску 100-120 атмосфер. Співробітники Інституту електрозварювання ім. Е. О. Патона запропонували оригінальний метод виготовлення труб на основі зварювальної технології, призначених для таких газопроводів.

З таких труб зі стінками товщиною до 40 міліметрів і збирають високонадійні газопроводи, що перетинають континенти.

Великий внесок у розвиток електрозварювання зробили радянські вчені та фахівці. Продовжуючи і творчо розвиваючи спадщину своїх великих попередників-В. В. Петрова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Слов'янова, вони створили науку про теоретичні основи зварювальної техніки, розробили низку нових технологічних процесів. Усьому світу відомі імена академіків Є. О. Патона, В. П. Вологдіна, К. К. Хренова, Н. Н. Рикаліна та ін.

В даний час широко застосовується електродугове, електрошлакове та плазмово-дугове зварювання.

3.2 Електродугове зварювання

Електродугове зварювання. Найпростішим способом є ручне дугове зварювання. До одного полюса джерела струму гнучким проводом приєднується тримач, до іншого - виріб, що зварюється. Утримувач вставляється вугільний або металевий електрод. При короткому дотику електрода до виробу запалюється дуга, яка плавить основний метал і стрижень електрода, утворюючи зварювальну ванну, що дає зварювальний шов при затвердінні.

Ручне дугове зварювання вимагає високої кваліфікації робітника і відрізняється не найкращими умовами праці, але з його допомогою можна зварювати деталі в будь-якому просторовому положенні, що особливо важливо при монтажі металоконструкцій. Продуктивність ручного зварювання порівняно невисока і залежить значною мірою від такої простої деталі, як електродотримач. І зараз, як і сто років тому, продовжуються пошуки найкращої його конструкції. Серію простих та надійних електродотримачів виготовили ленінградські новатори М. Е. Васильєв та В.С. Шумський.

При дуговому зварюванні велике значення має захист металу шва від кисню та азоту повітря. Активно взаємодіючи з розплавленим металом, кисень і азот атмосферного повітря утворюють оксиди та нітриди, що знижують міцність та пластичність зварної сполуки.

Існують два способи захисту місця зварювання: введення в матеріал електрода та електродного покриття різних речовин (внутрішній захист) та введення в зону зварювання інертних газів та окису вуглецю, покриття місця зварювання флюсами (зовнішній захист).

У 1932 р. у Московському електромеханічному інституті інженерів залізничного транспорту під керівництвом академіка К. К. Хренова вперше у світі було здійснено дугове електрозварювання під водою. Проте ще 1856 р. Л. І. Шпаковський вперше провів досвід із оплавлення дугою мідних електродів, опущених у воду. За порадою Д. А. Лачинова, який отримав підводну дугу, Н. Н. Бенардос в 1887 р. зробив підводне різання металу. Знадобилося 45 років, щоб перший досвід отримав наукове обґрунтування та перетворився на метод.

А 16 жовтня 1969 р. електрична дуга вперше вирвалася у космос. Ось як про цю видатну подію повідомлялося в газеті «Известия»; «Екіпаж космічного корабля «Союз-6» у складі підполковника Г. С. Шоніна і бортінженера В. Н. Кубасова здійснив експерименти з проведення зварювальних робіт, в космосі. Метою цих експериментів стало визначення особливостей зварювання різних металів в умовах космічного простору. Почергово було здійснено кілька видів автоматичного зварювання». І далі: «Проведений експеримент є унікальним і має велике значення для науки та техніки розробки технології зварювально-монтажних робіт у космосі».

3.3 Плазмова технологія

Ця технологія ґрунтується на використанні дуги з високою температурою. Вона включає плазмове зварювання, різання, наплавлення та плазмово-механічну обробку.

Як підвищити продуктивність дуги? Для цього треба отримати дугу з більшою концентрацією енергії, тобто дугу треба сфокусувати. Домогтися цього вдалося в 1957-1958 рр., коли в Інституті металургії ім. А. А. Байкова була створена апаратура для плазмово-дугового різання.

Як збільшити температуру дуги? Напевно, так само, як підвищують тиск водяного або повітряного струменя, пропустивши її через вузький канал.

Проходячи через вузький канал сопла пальника, дуга обтискується струменем газу (нейтрального, кисневмісного) або сумішшю газів і витягується в тонкий струмінь. При цьому різко змінюються її властивості: температура дугового розряду досягає 50 000 градусів, питома потужність сягає 500 і більше кіловат на квадратний сантиметр. Іонізація плазми в газовому стовпі настільки велика, що електропровідність її виявляється майже такою самою, як і у металів.

Стиснену дугу називають плазмовою. З її допомогою здійснюють плазмове зварювання, різання, направлення, напилення тощо. п. Для отримання плазмової дуги створено спеціальні генератори - плазмотрони.

Плазмова дуга, як і звичайна, буває прямої та непрямої дії. Дуга прямої дії замикається на виріб, непрямої дії - другий електрод, яким служить сопло. У другому випадку з сопла виривається не дуга, а плазмовий струмінь, що виникає за рахунок нагрівання дугою та подальшої іонізації плазмоутворюючого газу. Плазмовий струмінь застосовується в основному для плазмового напилення та обробки неелектропровідних матеріалів. Газ, що оточує дугу, також виконує теплозахисну функцію. Найбільше навантаження у плазмотроні несе сопло. Чим вища його теплостійкість, тим більший струм можна отримати в плазмотроні непрямої дії. Зовнішній шар плазмоутворюючого газу має відносно низьку температуру, тому він захищає сопло від руйнування.

Значне підвищення температури плазмоутворюючого газу в плазмотронах прямої дії може призвести до електричного пробою та виникнення подвійної дуги між катодом і соплом і між соплом і виробом. У такому разі сопло зазвичай виходить із ладу.

3.4 Плазмове зварювання

Існують дві конструкції плазмотронів. В одних конструкціях газ подається вздовж дуги, при цьому досягається гарне її обтиснення. В інших конструкціях газ охоплює дугу по спіралі, за рахунок чого вдається одержати стабільну дугу в каналі сопла та забезпечити надійний захист сопла пристінним шаром газу.

У плазмотронах прямої дії дуга збуджується не відразу, оскільки занадто великий повітряний проміжок між катодом та виробом. Спочатку збуджується так звана чергова, або допоміжна, дуга між катодом та соплом. Розвивається вона з іскрового розряду, що виникає під дією напруги високої частоти, що створюється осцилятором. Потік газу видує чергову дугу, вона стосується металу, що обробляється, і тоді запалюється основна дуга. Після цього осцилятор вимикають, і чергова дуга гасне. Якщо цього не станеться, може виникнути подвійна дуга. Зону шва при плазмовому зварюванні, як і за інших її видах, захищають від дії навколишнього повітря. Для цього крім плазмоутворюючого газу в спеціальне сопло подають захисний газ: аргон або дешевший і поширеніший вуглекислий газ. Вуглекислий газ часто використовують як захисту, а й утворення плазми. Іноді плазмове зварювання ведуть під шаром флюсу.

Плазмово-дугове зварювання можна робити як автоматично, так і вручну. В даний час цей метод набув досить широкого поширення. На багатьох заводах впроваджено плазмове зварювання сплавів алюмінію та сталей. Значну економію дало застосування однопрохідного плазмового зварювання алюмінію замість багатопрохідного аргонно-дугового зварювання. Зварювання ведуть на автоматичній установці із застосуванням вуглекислого газу як плазмоутворювальний і захисний.

Висновок

У сучасному житті застосування електричної енергії набуло найширшого поширення. Досягнення електротехніки використовуються у всіх сферах практичної діяльності людини: в промисловості, сільському господарстві, на транспорті, в медицині, у побуті і т. д. Успіхи електротехніки істотно впливають на розвиток радіотехніки, електроніки, телемеханіки, автоматики, обчислювальної техніки, кібернетики. Все це стало можливим у результаті будівництва потужних електростанцій, електричних мереж, створення нових електроенергетичних систем, вдосконалення електротехнічних пристроїв. Сучасна електротехнічна промисловість випускає машини та апарати для виробництва, передачі, перетворення, розподілу та споживання електроенергії, різноманітну електротехнічну апаратуру та технологічне обладнання, електровимірювальні прилади та засоби електрозв'язку, регулюючу, контролюючу та керуючу апаратуру для систем автоматичного управління, медичне та наукове обладнання, електропобутові прилади та машини та багато іншого. В останні роки подальший розвиток отримали різні методи електрообробки: електрозварювання, плазмове різання та наплавлення металів, плазмово-механічне та електроерозійне оброблення. Зі сказаного вище видно, що дослідження розряду в газі має велике значення для загальнонаукового та технічного прогресу. Отже, не слід зупинятися на досягнутому, а потрібно продовжувати дослідження, шукаючи невідоме, цим стимулюючи надалі побудову нових теорій.

Список використаних джерел

1. Важов В.Ф., Лавринович В.А., Лопаткін С.А. Техніка високих напруг/ Курс лекції для бакалаврів напряму 140200 "Електроенергетика" - Томськ: Вид-во ТПУ, 2006. - 119с.

2. Райзер Ю. П. Фізика газового розряду. - 2-ге вид. - М.: Наука, 1992. -536с.

3. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техніка високої напруги: [Навч. Посібник для електроенергії. Спец. втузів]. - 2-ге вид., перераб. та дод. - Мн.: Вище. школа 1982 – 367 с. іл.,

4. Базуткін В.В., Ларіонов В.П., Пінталь Ю.С. Техніка високих напруг: Ізоляція та перенапруги в електричних системах: Підручник для вузів / За заг. ред. Ларіонова В.П. - 3-тє вид., перероб. та дод. -М.: Вища школа, 1986. - 464 с.: іл.

5. Лозанський Е. Д., Фірсов О. Б. Теорія іскри. М., Атоміздат, 1975, 272 с.

6. Лєсков Г.І. Електрична зварювальна дуга. М., "Машинобудування", 1970, -335с.

7. Чорний О.М. Електродугове зварювання: практика та терія / - Вид. 2-ге, дод. та перероб. – Ростов н/Д: Фенікс, 2009. – 319 с.

8. Свєнчанський А. Д., Смілянський М. Я. Електричні промислові печі. - М: 1970.

9. Сапко О.І. Виконавчі механізми регуляторів потужності дугових електропеч. М., Енергія, 1969. – 128 с.

10. Ширшов І. Г., Котиков В. Н.Ш64 Плазмове різання. - Л.: Машинобудування. Ленінгр. відд-ня, ?1987. -192 с.: іл.

11. В. Дембовський. Плазмова металургія Прага, СНТЛ. Пров. з чеської. М., «Металургія», 1981. – 280с. з іл.

12. Гладкий П.В., Палітурників Є.Ф., Рябцев І.А. Плазмова наплавка. – К.: «Екотехнологія», 2007. – 292с.

13. Коротєєв А.С., Миронов В.М., Свірчук Ю.С. - М: Машинобудування, 1993. - 296 с.

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Основні параметри та властивості позитивного стовпа (ПС) тліючого та дугового розрядів. Метастабільні атоми у ПС. Явище катафорезу у суміші газів. Основні механізми накачування збуджених енергетичних рівнів газу. Випромінювання ПС, параметри плазми.

контрольна робота , доданий 25.03.2016


Дослідження та фізична інтерпретація співвідношення, що визначає залежність напруги виникнення розряду від тиску газу та міжелектродної відстані. Виникнення коронного та дугового розрядів у газовому проміжку з плоским оксидним катодом.

реферат, доданий 30.11.2011


Характеристики тліючого розряду, процеси, що забезпечують його існування. Картина світіння. Пояснення явищ тліючого розряду з погляду елементарних процесів. Вольт-амперна характеристика розряду між електродами. Процеси у атомарних газах.

реферат, доданий 03.02.2016


Поняття плазми тліючого розряду. Визначення концентрації та залежності температури електронів від тиску газу та радіусу розрядної трубки. Баланс освіти та рекомбінації зарядів. Сутність зондового методу визначення залежності параметрів плазми.

реферат, доданий 30.11.2011


Вивчення газового розряду, що тліє, як одного з видів стаціонарного самостійного електричного розряду в газах. Створення квантових джерел світла у люмінесцентних лампах. Формування газового розряду, що тліє, при низькому тиску газу, малому струмі.

презентація , доданий 13.04.2015


Ємнісний високочастотний розряд: загальні відомості, типи, способи збудження, побудова найпростішої моделі, форми існування. Коротка теорія методу зондів Ленгмюр. Система рівнянь визначення параметрів розряду. Вимірювання розрядного струму.

дипломна робота , доданий 30.04.2011


Методики експериментального визначення коефіцієнта іонізації газу Напруга виникнення розряду. Вольт-амперні характеристики слаботочного газового розряду в аргоні з молібденовим катодом. Розподіл потенціалу у газорозрядному проміжку.

контрольна робота , доданий 28.11.2011


Умови виникнення електричного розряду у газах. Принцип іонізації газів. Механізм електропровідності газів. Несамостійний газовий розряд. Самостійний газовий розряд. Різні типи самостійного розряду та його технічне застосування.

реферат, доданий 21.05.2008


Електричний розряд у газах. Основні типи газового розряду. Дослідження квазістаціонарних струмів та квазістаціонарних напруг в аргоні. Елементарні процеси у приелектродному шарі. Спектроскопічне дослідження аргону. Принцип роботи монохроматора

реферат, доданий 13.12.2013


Поняття та призначення СО2-лазера, його технічні характеристики та складові частини, принцип роботи та функції. Порядок розрахунку основних показників СО2-лазера. Способи організації несамостійного розряду постійного струму, розрахунок ККД.