Тепловые процессы при электродуговом контакте

В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой разряд, или электрическая дуга, которая позволяет нагреть различные среды до высоких температур, не достижимых при сжигании топлива. Такие возможности электрической дуги пробудили значительный интерес к изучению ее физических свойств и энергетических возможностей.

Термины «разряд», «дуговой разряд» возникли как описание явления потери «заряда» батареей гальванических элементов или конденсаторов через газы и вакуум.

Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары или вакуум.

По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны. В общем случае их подразделяют на самостоятельные и несамостоятельные.

В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного разряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд или электрическая дуга характеризуются высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10² — 10⁶ А/см²), низким катодным падением потенциала (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значений порядка (3 ч 5) 10³ К и выше.

Чтобы обеспечить прохождение тока по цепи, в которую включена электрическая дуга, электрон должен покинуть электрод — катод, для чего ему необходимо преодолеть силы притяжения к атому, а затем войти в анод.

Чтобы электрон вышел из катода, ему необходимо преодолеть силу статического взаимодействия с электронной оболочкой атома и потенциальный барьер электрода, т. е. совершить работу выхода. Для различных веществ она не одинакова. Так, для магния работа выхода составляет 1,0 эВ; алюминия — 2,8; ниобия — 4,0; вольфрама — 4,5; железа — 4,77 эВ и т. д.

Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это может быть достигнуто следующими способами: наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия); повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).

Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счет бомбардирования поверхности электрода ионами.

С увеличением температуры ток эмиссии быстро возрастает. Так, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока термоэлектронной эмиссии при 1500 К составляет менее 10^-7 А/см², а при 3500 К она возрастает более чем на девять порядков до ~ 220 А/см².

На холодных электродах при напряженности электрического поля у электродов 10⁶ — 10⁷ В/см возникает автоэлектронная эмиссия (вырывание электронов электрическим полем).

Контакт электрической дуги с электродами происходит в электродных пятнах (катодном и анодном), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.

Из прикатодных участков плазмы ионы движутся к катоду и разогревают его за счет передачи ему энергии нейтрализации и собственной кинетической энергии. Таким образом, у поверхности катода образуется положительный электрический заряд, а у поверхности анода — отрицательный. При прохождении заряженных частиц — электронов и ионов — через эти пространственные заряды образуются анодное и катодное падения потенциалов.

Энергию, поступающую в электрод, можно представить состоящей из компонентов:

• 1) внутреннего источника (I²R — джоулева теплота, выделяющаяся на границе электрода с плазмой);
• 2) внешнего источника, связанного с приходом электрических зарядов на электрод. Энергия внешнего источника теплоты обусловлена мощностью, выделяющейся в приэлектродных областях;
• 3) излучения плазмы дуги;
• 4) конвективного нагрева окружающим газом. Выделение теплоты за счет конвективного теплопереноса наблюдается в том случае, когда высокотемпературный газ обтекает электрод;
• 5) теплоты от экзотермических реакций материала электродов с окружающими газами. Теплота, обусловленная прохождением на электродах экзотермических реакций, зависит от химической активности системы плазма — материал электрода.

Пути отвода энергии.

• 1. За счет теплопроводности в тело электрода.
• 2. В результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании электрода.
• 3. В результате уноса энергии электронами, которые эмиттируют разогретые поверхности электродов. Вышедшие из электрода частицы обладают определенной энергией, которую они уносят с собой.
• 4. За счет отвода теплоты от электродов излучением вследствие того, что электродные пятна имеют высокую температуру.