ПЛАЗМЕННАЯ ДУГА И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

КОНСТРУКЦИИ ДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ

Центральным звеном плазменных установок различного назначения является плазменная горелка или плазмотрон, обеспечивающий возбуждение и стабилизацию горения плазменной струи или сжатой дуги. Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техническими решениями. Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (Рис.7).

Рис.7. Факторы влияющие на конструкцию плазмотронов

В общем виде, основными элементами дуговых плазмотронов являются: электрододержатель с электродом, камера для плазмообразования, плазмообразующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю, изолятор, разделяющий электродный узел от плазмообразующего сопла, вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего и защитного газов, а также охлаждающей жидкости. При разработке плазмотронов должны учитываться не только факторы, приведенные на схеме (Рис. 1), но и целый ряд других, таких как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных элементов, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.

Общими требованиями при конструировании плазмотронов являются:

 достаточная мощность и широкий диапазон регулирования сварочных параметров;

 создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение их постоянства в процессе работы;

 обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой дуги (плазменной струи);

 надежность и значительный ресурс работы отдельных элементов плазмотрона;

 простота конструкции, обслуживания и эксплуатации;

 минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность доступа к труднодоступным местам изделия в различных пространственных положениях;

 универсальность, легкость перенастройки;

 экономичность изготовления, минимальная материалоемкость, экономия дорогостоящих материалов;

 возможность восстановления плазмотронов при отработке ими ресурса или аварийном выходе из строя в условиях предприятий потребителей и ряд других.

Классификация плазмотронов

Различные варианты схем плазмотронов удобнее всего представить в виде классификации (Рис. 8).

Рис. 8. Классификация плазмотронов

В первую очередь все плазмотроны разделяются на две группы по виду дуги: прямого действия и косвенного действия.

По системе охлаждения электрода и плазмообразующего сопла плазмотроны делятся на два основных типа: с воздушным и с водяным охлаждением. Могут быть плазмотроны со смешанной системой охлаждения теплонагруженных узлов. Теплоемкость воды намного выше теплоемкости воздуха и других газов, поэтому, наиболее эффективной и распространенной является водяная система охлаждения плазмотронов, которая обеспечивает высокую мощность и высокую степень сжатия дуги.

Плазмотроны можно классифицировать по способу стабилизации сжатой дуги. Система стабилизации сжатой дуги обеспечивает сжатие столба дуги и строгую фиксацию его по оси сопла плазмотрона и является одним из важнейших элементов плазмотрона. Существует три вида стабилизации сжатой дуги: газовая водяная и магнитная. Наиболее простой и распространенной является газовая стабилизация, при которой наружный, холодный слой рабочего (плазмообразующего) газа омывая столб дуги, охлаждают и сжимают его. При этом, в зависимости от способа подачи газа, газовая стабилизация может быть аксиальной или вихревой. Наибольшее обжатие дуги достигается при вихревой стабилизации, поэтому этот способ чаще используется в плазмотронах для резки и напыления. При аксиальной стабилизации обеспечивается ламинарный характер истечения струи из плазмообразующего сопла, что является важным для ряда процессов. В ряде случаев применяют двойную стабилизацию дуги. При водяной стабилизации можно достигнуть наиболее высокой степени сжатия и температуры столба дуги (50 – 70 тыс. К). Однако присутствие паров воды вблизи катодной области приводит к интенсивному сгоранию электродов из любых материалов, поэтому в плазмотронах с водяной стабилизацией используются расходуемые (чаще графитовые) электроды, автоматически перемещающиеся по мере сгорания. Магнитная стабилизация, при которой создаваемое продольное магнитное поле сжимает столб дуги, менее эффективна чем водяная и газовая. Кроме того наличие соленоида усложняет конструкцию плазмотрона и увеличивает его габариты. Преимущество магнитной стабилизации состоит в возможности регулирования степени сжатия дуги не зависимо от расхода рабочего газа. На практике наложение продольного магнитного поля применяется для вращения анодного пятна по внутренним стенкам сопла , при работе в режиме косвенной дуги, с целью повышения стойкости последнего.

По виду электрода катода плазмотроны постоянного тока можно разделить на две группы: плазмотроны со стержневым и плазмотроны с распределенным катодом. В плазмотронах со стержневым катодом, катодное пятно фиксируется на торце электрода, а в плазмотронах с распределенным катодом – интенсивно перемещается с помощью газовихревого или магнитного вращения по развитой поверхности электрода. Стержневые катоды могут быть трех видов: расходуемый, газозащитный и пленкозащитный. Расходуемый, чаще всего графитовый, электрод несмотря на высокую температуру плавления имеет повышенный расход из-за возгонки вблизи температуры плавления. Газозащитный вольфрамовый электрод – самый распространенный из всех видов электродов. Вольфрам имеет высокую прочность и достаточно высокие электро- и теплопроводность. При работе в инертной среде (аргон гелий) при нагрузке j = 15 – 20 А/мм² вольфрам практически не расходуется. Пленкозащитные катоды обладают высокой стойкостью в активных средах (воздух, углекислый газ, технический азот). Они представляют собой стержень из циркония или гафния запрессованный в медной обойме. Высокая термостойкость таких катодов обусловлена образованием стойкой тугоплавкой пленки из оксидов и нитридов, защищающей чистый металл от испарения. Активная вставка расходуется в основном при включении дуги, вследствие разрушения пленки от термоудара. При использовании циркониевого электрода допускается большая чем для вольфрама плотность тока, достигающая 80 – 100 А/мм². При работе плазмотрона с окислительной плазмообразующей средой на больших токах (1000 А и более) используются разнообразные виды распределенных катодов, наиболее распространенными из которых являются полый, дисковый и кольцевой. Недостатками распределенных катодов являются сложность их конструкции, трудность равномерного перемещения катодного пятна по всей поверхности электрода, низкая стабильность горения дуги, возрастание напряжения прикатодной области дуги и связанное с этим увеличение потерь мощности в электроде.

Классификация плазмотронов по плазмообразующей среде. Состав плазмообразующей среды диктуется технологическим процессом и в свою очередь является определяющим фактором при выборе схемы плазмотрона. По химическому воздействию на обрабатываемое изделие и электроды плазмотрона все плазмообразующие среды можно разделить на три большие группы: инертная, восстановительная и окислительная.

По роду тока плазмотроны отличаются большим многообразием. Подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе прямой полярности. Это объясняется тем, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла, чем на катоде. Тепловая мощность, выделяемая в электроде плазмотрона, в отличие от плавящегося электрода сварочной дуги является не только бесполезной, но и вредной. Предельно допустимая токовая нагрузка на лантанированный вольфрамовый электрод, на переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности, при использовании постоянного тока, в десять раз ниже, чем на прямой полярности. Поэтому плазмотроны постоянного тока прямой полярности имеют наиболее высокий коэффициент использования полезной мощности. При работе плазмотрона на переменном токе прохождение тока через нуль может вызвать погасание дуги, поэтому напряжение холостого хода источника питания переменным током не менее чем вдвое превышает рабочее напряжение дуги. Плазмотроны переменного тока рекомендуется применять для сварки алюминиевых сплавов, так как в периоды обратной полярности за счет действия эффекта катодного распыления разрушается тугоплавкая окисная пленка, препятствующая процессу сплавления металла. Существует несколько схем плазмотронов переменного тока. На схемах 20 и 21 плазмотроны питаются от однофазного трансформатора. В схеме 21 осуществлена вентильная коммутация тока таким образом, что электрод функционирует только как катод (в полупериод прямой полярности), а сопло – как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме обеспечивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с ростом тока ухудшаются условия работы сопла, а при работе на токах ниже 150 А нарушается стабильность горения дуги. Стабильность горения дуги обеспечивается при трехфазной схеме питания плазмотрона, однако, электроды и сопло находятся в сравнительно тяжелых условиях работы, и значительно усложняется конструкция плазмотрона. В ряде случаев питание плазмотронов выполняют комбинированным, для повышения стабильности горения дуги переменного тока. Наряду с дуговыми плазмотронами, работающими на токе промышленной частоты, разработаны высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны (схемы 25, 26).

Конструкции узлов плазмотронов

Основными узлами плазмотронов являются электродный, сопловой, изолятор, системы водо- и газоснабжения.

Катоды. Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем меньше работа выхода, тем лучше решаются задачи стабилизации дуги и охлаждения катода. Для работы в инертных газах наилучшим материалом катодов является вольфрам, легированный окислами лантана и иттрия (марки ВЛ и СВИ). Конструктивно катоды из вольфрама выполняются двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленном в электродном узле плазмотрона (Рис.9) и в виде медной державки с заделанным в неё стержнем вольфрама, установленной в электродном узле. Последняя конструкция менее удобна, но обеспечивает более высокие плотности тока (Рис. 9). Катодная вставка может закрепляться в цельном корпусе и сменных медных наконечниках, соединяемых с корпусом электрододержателя конусной посадкой или резьбой. Конструкции 3,4,5, характерны для катодов с активной вставкой (цирконий, гафний), предназначенных для работы в кислородсодержащих средах. Вставка соединяется с наконечником различными способами: пайкой, диффузионной сваркой, запрессовкой, совместной холодной штамповкой активной вставки с медной державкой и др.

Рис. 9. Катоды

Аноды. При работе плазмотрона на постоянном токе обратной полярности тепловая нагрузка на анод резко возрастает. Опыт показывает, что для обеспечения адекватной стойкости сечение вольфрамового электрода на обратной полярности должно быть в 9 раз больше, чем при прямой полярности. Необходимо рассредоточить заряд по поверхности анода для снижения плотности теплового потока в анод. Эксперименты, проводимые с вольфрамовыми электродами различной конструкции (Рис. 10) показали, что при рабочем токе 150 А и токе возбуждения 50 А они разрушались за время меньше 23 мин., а при токе 200 А за 2-3 мин. Это объясняется недостаточной теплопроводностью вольфрама. Эксперименты проведенные с медными анодами (теплопроводность меди в 3 раза выше, чем вольфрама) различные конструкции (Рис. 11 а, б, в, г) показали, что конструкции а) и б) при рабочем токе 200 А и токе возбуждения 50 А быстро разрушались. При использовании электрода в) активное пятно располагалось на кромке электрода, что приводило к аварийной работе плазмотрона (двойной дуге). Электрод конструкции 5г при токе 200 А имел ресурс 300 мин. при 60 возбуждениях дуги. Считается, что рост ресурсов анодов связан с увеличением размеров электродов и улучшением их охлаждения. Предлагается анодный узел, состоящий из водоохлаждаемой медной державки и активной вольфрамовой вставки (Рис. 12). Высокая стойкость анода обеспечивается качественным соединением меди с вольфрамом и эффективным водяным охлаждением. Наилучшие результаты достигались при осадке расплавленной меди на вольфрамовую вставку. Стойкость таких анодов достигает 100-300 часов при рабочем токе до 300 А при 100 – 500 включениях.

Рис. 10. Вольфрамовые аноды

Рис. 11. Медные аноды

Рис. 12. Медный анод с вольфрамовой вставкой

Плазмообразующие сопла воспринимают большие тепловые нагрузки и поэтому требуют тщательного конструктивного оформления. Опыт эксплуатации показал, что наилучшим материалом для изготовления сопел является медь высокой чистоты (марки М0, М1), обладающая высокой теплопроводностью и сравнительно невысокой стоимостью. Армирование стенок сопла теплостойкими материалами приводит к уменьшению срока его службы из-за уменьшения теплопроводности. Сопла малоамперных и ручных плазменных горелок могут быть выполнены с естественным или газовым охлаждением (Рис. 13.1,2). В большинстве случаев применяется водяное охлаждение сопел, при этом участок сопла контактирующий с плазменным столбом, выполняют сменным (Рис. 13.3,4,5).

Рис. 13. Плазмообразующие сопла

Узел завихрения рабочего газа определяет качество стабилизации столба сжатой дуги. Конструктивные варианты узлов завихрения можно разделить на группы, представленные на Рис. 14. Функции завихрителя может выполнять корпус плазмотрона (Рис. 14.1,2), керамическая шайба, помещенная у входа в сопло (Рис. 14.3), само сопло (Рис. 14.4). При этом можно значительно сократить длину канала сопла, заменив большую часть его кольцами стабилизирующего газа, вращающегося вокруг столба дуги (очень сложное и трудоемкое в изготовлении). Завихрителем может быть и сам электрод плазмотрона, на наружной поверхности которого выполняется винтовая нарезка (Рис. 14.5).

Рис. 14. Завихрители

Изоляторы. Плазмообразующее сопло и электродный узел должны быть изолированы друг от друга. Одним из условий стабильного горения дуги является точная центровка электрода и плазмообразующего сопла. Функции связи электродного узла и плазмообразующего сопла плазмотрона, их точной взаимоцентровки и электрической изоляции выполняет изолятор. К материалу изолятора предъявляются разнообразные, а иногда противоречивые требования:

 достаточная механическая прочность,

 высокая электрическая прочность, т.к. возбуждение дежурной дуги осуществляется с помощью высоковольтного высокочастотного разряда,

 термостойкостью, т.к. части изолятора подвергаются тепловому и световому воздействию сжатой дуги,

 обрабатываемостью механическими способами (режущими инструментам, штамповкой и др.),

 герметичностью, поскольку через изолятор могут проходить коммуникации газоснабжения и водяной системы охлаждения.

Материалы, применяемые для изготовления изоляторов плазмотронов, условно можно разделить на две группы: обрабатываемые из заготовок на универсальном оборудовании (прутки, листы), и получаемые с помощью специальной технологической оснастки (пресс-формы, заливочные формы и др.). К первой группе относятся фторопласт Ф-4, иногда эбонит, капролон. Ко второй – эпоксидная смола холодного отвердения ЭД 5 с кремнийорганическим наполнителем, стеклонаполненные пресс-материалы типов АГ-4В, ДСВ, КМК 218, КПС и др., а также высокоглиноземистые керамические типа кристаллокорунд и 22ХС. Из материалов первой группы изоляторы изготавливаются на универсальном оборудовании (токарные, фрезерные, сверлильные станки) и могут быть достаточно сложными. К недостаткам их следует отнести низкую технологичность процесса изготовления и низкую термостойкость материалов. Из материалов второй группы детали можно изготовлять достаточно простым способом с минимальной трудоемкостью и потерями материала. Недостатком является трудность обеспечения точности размеров и формы изолятора. Это объясняется наличием литейных конусов и уклонов, а также изменением коэффициента усадки у одного и того же материала. В связи с этим в пресс-формах изготовляют простые детали, не требующие высокой точности.

Применение перспективных керамических материалов сдерживается двумя причинами. Первая – большой разброс коэффициента усадки шликерной массы при спекании, что не позволяет получать детали выше пятого класса точности. Вторая причина – для их изготовления требуется специальное технологическое оборудования (шаровые мельницы, машины шликерного литья, водородные печи для спекания), что снижает рентабельность при мелкосерийном производстве.

Системы газоснабжения и охлаждения плазмотронов. Эти системы во многом определяют технологические возможности и габариты плазмотронов. Каналы для подачи плазмообразующего, защитного и стабилизирующего газов могут выполняться в теле основных элементов плазмотрона, образовываться при сопряжении этих элементов при наличии различных проточек на их поверхности, а также создаваться за счет сопряжения дополнительных промежуточных деталей. Системы охлаждения электрода и плазмообразующего сопла плазмотронов делятся на два основных типа: системы с воздушным и с водяным охлаждением. Могут быть плазмотроны со смешанной системой охлаждения теплонагруженных узлов. Чаще используются плазмотроны с водяной автономной системой охлаждения электрода и плазмообразующего сопла. Такие плазмотроны имеют достаточно высокую мощность, однако устройство их отличается сложным устройством, большим количеством комлектующих деталей, имеющих сложную форму. Плазмотроны имеют значительные габариты и массу. Плазмотроны с совмещенной системой охлаждения электродного и соплового узлов имеют меньшие габариты и массу, но снижается долговечность охлаждаемых узлов, за счет электрохимической эрозии.

ПЛАЗМЕННАЯ ДУГА И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для определения энергетических характеристик плазменной дуги рассмотрим процесс ее образования и компоненты, из которых она состоит. Возьмем для простоты замкнутый объем, заполненный газом, в котором расположим электроды – анод и катод.

.Рассмотрим процесс возникновения электрической дуги в газоразрядной камере. При замыкании ключа Кл к электродам прикладывается напряжение от источника ЭДС.

Смоделируем две ситуации: 1 - напряжение между электродами (анодом и катодом) меньше напряжения пробоя межэлектродного пространства L_АК; 2 - напряжение между электродами больше напряжения пробоя межэлектродного пространства L_АК (рис. 1).

В первом случае электрического пробоя газа не произойдет.

Зажечь плазменную дугу возможно при воздействии на газ излучением (например, γ - излучением), энергия ε которого больше энергии ионизации ε_i атомов или молекул газа, т.е. ε = hν > ε_i. В этом случае будет происходить ионизация атомов или молекул с образованием положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Необходимо заметить, что возможно образование отрицательно заряженных ионов при захвате атомом или молекулой электрона.

Образовавшиеся положительно заряженные ионы под действием электрического поля начинают двигаться к катоду, а электроны - к аноду. Скорость движения ионов намного меньше скорости электронов, что связано с большей массой ионов и большим сечением взаимодействия, то есть ионы имеют меньшую длину свободного пробега (чаще сталкиваются с атомами, молекулами или друг с другом). Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать процессы, связанные с движением электронов.

Под действием силы электрического поля на длине свободного пробега электрон приобретает энергию

W_е = еЕl, (1)

где е – заряд электрона, Е = U_АК/L_АК – напряженность электрического поля, l - длина свободного пробега электрона, которая равна расстоянию между двумя последующими соударениями частицы, в нашем случае электрона.

Если энергия электрона W_е окажется больше энергии ионизации ε_i атома или молекулы, то при столкновении электрона с атомом или молекулой произойдет их ионизация, в результате которой будет уже два электрона – столкнувшийся с атомом и оторвавшийся от него. Далее процесс будет нарастать лавинообразно до электрического пробоя газа, при котором газ в электропроводящее состояние. В результате в газе загорится разряд. Существует несколько видов разрядов.

Рассмотрим основные виды самостоятельного разряда в газах.

При достаточных скоростях электронов, когда они при столкновениях вызывают ионизацию, сила тока в газе сильно возрастает, так как возрастает число заряженных частиц, перенос кото­рых образует ток.

Пусть из катода в единицу вре­мени вылетает n₀ электронов.

При отсутствии ионизации в объеме газа анода достигало бы n₀ электронов, и, следовательно, сила тока насы­щения /_н равнялась бы

(2)

где e — заряд электрона.

При наличии ионизации анода достигает n_d электронов, и сила тока

(3)

Сравнивая последние выражения, получаем

(4)

где a — коэффициент ионизации.

Если, например, положить d = 5 см и допустить, что электрон, испущенный катодом, образует на пути в 1 см в среднем два новых электрона, то a=2 см^-1, то сила тока возросла в десятки тысяч раз. Этот расчет показы­вает, что при наличии ионизации электронным ударом проводимость оказывается в основном обусловленной не теми электронами, кото­рые поступают в область разряда извне, а теми, которые возникают в ней самой. Для поддержания тока достаточно, чтобы в разряд извне поступало сравнительно небольшое число электронов или дру­гих заряженных частиц. Источником этих первичных электронов обычно является отрицательный электрод (катод), с которого элек­троны вырываются либо под влиянием ударяющихся о него положи­тельных ионов, поступающих из области разряда, либо в результате сильного разогрева всего электрода или, наконец, под влиянием излу­чения (фотоэффект). Во всех этих случаях электрод испускает элек­троны под влиянием процессов, происходящих в самом разряде, и, та­ким образом, разряд поддерживается самостоятельно, — мы имеем случай самостоятельной проводимости газа.

Рассмотрим несколько типичных случаев самостоятельной проводимости газов.

1. Тлеющий разряд. Разряд этого типа наблюдается в газах при низких давлениях (порядка 1 мм Hg); его легко наблюдать в длинной стеклянной трубке с расположенными у ее концов элек­тродами (см. рис.), если к электродам приложить разность потенци­алов порядка нескольких сот вольт. Под влиянием проходящего через трубку тока газ светится, при этом различают следующие ха­рактерные области свечения: 1) область слабого свечения вблизи самого катода — так называемое первое темное пространство; 2) область интенсивного положи­тельного свечения, положительное свечение может охватывать зна­чительную часть трубки; 3) область слабого свечения вблизи анода.

Падение потенциала происходит вдоль трубки неравномерно. Наи­большая величина падения приходится на первое темное пространст­во— это так называемое катодное паде­ние потенциала (рис. 2); затем почти вдоль всей трубки идет весьма незначи­тельное падение потенциала (порядка 1—2 в/см), и лишь у анода наблюдается новый скачок — анодное падение потен­циала.

Величина катодного падения потен­циала в основном определяется материалом катода и природой газа.

Схематически процессы, происходящие в трубке, мо­гут быть представлены сле­дующим образом. При при­кладывании к электродам достаточной разности потен­циалов в трубке возникает поле, ускоряющее всегда присутствующие в газе, хотя бы в очень малом количестве, ионы и свободные электроны. Электроны на своем пути ионизируют атомы газа и создают новые ионы, что ведет в соответствии с теорией к резкому возрастанию тока. В дальнейшем существен­ную роль играет катодное падение потенциала. Оно сосредоточено на пространстве порядка длины свободного пути электронов. Электро­ны здесь приобретают скорость, достаточную, чтобы удары стали носить неупругий характер. В этой же области положительные ионы ускоряются в направлении к катоду и, ударяясь о него, выбивают с его поверхности новые электроны, наличие которых еще больше повышает проводимость газа.

В области положительного свечения концентрация электронов и положительных ионов одинакова. Но в силу большей подвижности электронов проводимость газа обусловлена почти исключительно электронами. Степень ионизации в области положительного свечения может быть очень высока; так, например, при разряде в парах ртути при давлении в 0,05 мм Hg число электронов в единице объема может достигнуть 10¹³ см^-3. Так как при этих условиях число ато­мов в единице объема равно приблизительно 2-10¹⁵ см^-3, то, следо­вательно, около 1/200 части всех атомов ртути ионизировано.

2. Электрическая дуга. Особый интерес представляет слу­чай самостоятельной проводимости сквозь газ при давлении, близком к атмосферному, или давлениях, больших атмосферного. Этот тип разряда был впервые наблюден В. В. Петровым, профессором Медико-хирургической академии в Петербурге, в 1803 г. и носит название электриче­ской дуги или дуги Петрова.

Дуга Петрова возникает при контакте и последующем разведении двух элек­тродов, чаще всего угольных. Дуга Пет­рова между угольными электродами горит при разности потенциалов 30—40 в; сила тока может достигать многих десятков ампер. Оба электрода сильно раскаляются (до 3000°, а при повышенных давлениях — даже до 6000°); при атмосферном давле­нии сильнее разогревается положительный электрод, на котором образуется углу­бление, носящее название кратера. Од­нако необходимым для горения дуги является лишь наличие рас­каленного пятна на катоде, который служит источником электронов. Анод может оставаться холодным. Роль раскаленного катода, как источника электронов, поддерживающих разряд, была впервые выяс­нена в 1905 г. В. Ф. Миткевичем.

Дуговбй разряд обладает падающей вольтамперпой характе­ристикой: с увеличением силы тока (за счет уменьшения внешнего сопротивления) уменьшается разность потенциалов между электро­дами (см. рис.).

Дуга Петрова была впервые применена для уличного освещения П. Н. Яблочковым; в настоящее время она употребляется как источ­ник света главным образом для прожекторов и проекционных аппа­ратов (кино). Дуга Петрова между металлическими электродами употребляется для местного разогрева металла (электросварка, вве­денная впервые в практику инженером Н. Г. Славяновым и Н. Н. Бе-нардосом).

В настоящее время для целей освещения и в лабораторной прак­тике используются также электрические дуги, горящие в газах или парах при низком давлении. Источником первичных электронов в них также являются раскаленные катоды, которые разогреваются либо за счет процессов, происходящих в самом разряде, либо за счет внеш­него источника тока („горячие ка­тоды"),

3. Искра. Искровой разряд на­блюдается между холодными элек­тродами при большой разности по­тенциалов. Разряд носит сложный колебательный характер. При уве­личении силы тока, в случае разо­грева электродов, искра переходит в дугу. Начало искрового разряда можно рассматривать как электрический пробой газа, как лавинообразное возрастание числа ионов в газе, в ре­зультате чего он делается проводя­щим. Разность потенциалов, веду­щая к пробою, зависит от мате­риала электродов, природы и дав­ления газа, а также от размеров и формы электродов и рассто­яния между ними. Для остроконечных электродов пробивная разность потенциалов меньше.

В случае больших плоских электродов для данного материала электродов и данного газа пробивной потенциал зависит лишь от про­изведения pd, где р — давление газа, ad — расстояние между элек­тродами. Так, пробивной потенциал при атмосферном давлении и расстоя­нии между электродами в 5 см тот же, что при давлении в 0,5 атм и расстоянии между электродами 10 см.

Расстояние между электродами, при котором при данной разно­сти потенциалов возникает пробой, называется искровым проме­жутком.

4. Коронный разряд. Особый вид самостоятельного разряда представляет собой так называемый коронный разряд, возникающий при сравнительно больших давлениях (атмосферном), когда поле в разрядном промежутке очень неравномерно, за счет малого ради­уса кривизны поверхности одного или обоих электродов. Ионизация и свечение газа происходят в узком слое около электродов; в осталь­ной части газа проводимость обусловлена движением ионов обоих знаков. Коронный разряд является существенной помехой при пере­даче по проводам тока высокого напряжения.

В данном случае нас будет интересовать в основном дуговой разряд – это разряд, горящий при давлении газа порядка атмосферного и выше. Одна атмосфера составляет 1,01×10⁵ Па. Такой же процесс будет реализовываться при подаче на межэлектродное пространство газоразрядной камеры вместо γ - излучения импульсного напряжения от дополнительного источника (генератора) по величине больше пробивного (рис. 1).

Во втором случае, когда напряжение между электродами будет больше напряжения пробоя межэлектродного пространства, вышеописанные процессы будут протекать точно так же. Единственное отличие заключается в том, что при данном условии не потребуется дополнительного источника для начальной ионизации атомов или молекул газа. В качестве «затравочных» электронов будут использоваться электроны, всегда имеющиеся в любом газе, которые возникают под действием различного вида космических излучений. Их обычно немного, порядка 10¹ - 10³ пар (электрон-ион) на 1 см³, но вполне достаточно для начального развития процесса ионизации. Наряду с процессами ионизации в межэлектродном пространстве газоразрядной камеры происходят также менее энергетические процессы, такие как диссоциация и возбуждение. Диссоциация протекает только в молекулярном газе и в случае, если энергия электронов больше энергии диссоциации молекул данного вида. Возбуждение атомов или молекул (перевод связанного электрона атома на более высокий энергетический уровень или возбуждение колебательно-вращательных уровней) может происходить при столкновении с электронами, ионами. Релаксация (переход) атомов или молекул в нормальное состояние может происходить как с образованием кванта излучения (излучательный переход), так и без него (безызлучательный переход при столкновении с другими молекулами). В последнем случае происходит возрастание кинетической энергии атома или молекулы, то есть в общем случае повышается температура газа. На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод: плазменная дуга представляет собой заряженные (электроны и ионы), возбужденные (плазма светится), разогретые частицы (атомы или молекулы).

Свойства плазмы: плазма - ионизированное состояние вещества со степенью ионизации (g = n_i/n₀, где n_i – концентрация заряженных частиц, n₀ – концентрация нейтральных частиц) от 10^-8 до 1. Плазма, электропроводящая среда, в то же время квазинейтральна, т.е. в ней количество заряженных частиц противоположенного знака одинаково.

Равновесная плазма, которую мы будем рассматривать,— это обычно плотная, так называемая «низкотемператур­ная» плазма при давлении порядка атмосферного и темпе­ратуре, одинаковой у электронов и тяжелых частиц, порядка 10000 К. Равновесная низкотемпературная плазма характерна для положительного столба дугового разряда высокого давления. Многим приходилось видеть элект­родную сварку или резку металлических конструкций. Ярко светящийся канал между электродом и обрабатывае­мым металлом — это положительный столб дуги.