Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Дуга переменного и постоянного тока

Современные дуговые электропечные установки работают с источниками как постоянного, так и переменного токов. Род тока во многом определяет особенности дуги, и условия горения электрической дуги переменного тока несколько отличаются от условий горения дуги постоянного тока.

У электрической дуги постоянного тока один электрод постоянно является катодом, второй — анодом. Во время возбуждения дуги при разведении электродов и разогреве их концов термоэлектронная эмиссия происходит с поверхности обоих электродов. Но

Дуга переменного тока и постоянного тока
Рис.1 Дуга переменного и постоянного тока
испускаемые анодом электроны отбрасываются электрическим полем назад к поверхности анода, а электронам, эмиттированным катодом, сообщается движение к аноду. Пройдя путь, равный длине свободного пробега, эти электроны сталкиваются с электронейтральными частицами и вызывают их ионизацию. Ионизированные частицы также ускоряются электрическим полем и при столкновении ионизируют следующую группу частиц и т. д.
Электрическая дуга в воздухе
Рис.2 Электрическая дуга в воздухе
а - фотоснимок; б - схема; 1 - катодное пятно, 2 - столб
дуги, 3 - анодное пятно, 4 - ареол дуги

В результате на некотором расстоянии от поверхности катода, равном длине свободного пробега электрона, лавинообразно развивается процесс ионизации. Непосредственно у катода образуется тонкий (порядка 0,1 мкм) слой — катодная область, на одной границе которого находится источник электронов (поверхность катода), 1 на другой — источник положительных ионов. Так как подвижность ионов значительно меньше подвижности электронов, то последние быстро проходят этот слой, а в слое накапливается избыток положительных ионов, образуя пространственный заряд, обусловливающий скачок потенциала. В этой области создаются градиенты напряжения, достигающие 1 МВ/см.

В центре катодной части расположено ярко светящееся катодное пятно. Это участок поверхности катода, через который ток проникает в катод. В результате бомбардировки поверхности катода ускоренными в электрическом поле положительными ионами этот участок катода сильно разогревается. Приносимая ионами энергия расходуется на тепловые потери, испарение материала катода, эндотермические реакции и поддержание термоэлектронной эмиссии. Нейтрализуясь на поверхности катода и оседая на нем, положительные ионы наращивают его, в результате чего торец катода приобретает форму конуса.

Начинающуюся за катодным пространством область интенсивной ионизации называют столбом электрической дуги. В нем образуется такое число заряженных частиц, которое достаточно для переноса через газовый промежуток зарядов, измеряемых силой тока в тысячи и десятки тысяч ампер. Несмотря на огромное число заряженных частиц, дуги (масштаб катодной и анодной областей нов и нейтрального газа в период увеличен) возбуждения дуги так как при ионизации образуется парное число частиц, имеющих разноименные заряды, а количество первичных электронов с нескомплексированным зарядом в общей массе заряженных частиц невелико. Поэтому изменение потенциала в столбе дуги подчиняется линейному закону.

Число разноименно заряженных частиц вновь становится неодинаковым в непосредственной близости от анода, где мала концентрация положительных ионов. Соответственно в анодной области вновь наблюдается скачок потенциала.

Как и на катоде, на аноде выделяется анодное пятно, появляющееся в результате бомбардировки анода электронами. Энергия электронов расходуется на компенсацию тепловых потерь анодом и частично — на выбивание с поверхности анода положительных ионов. В результате потери анодом положительных ионов на его торце образуется кратер, и анод расходуется быстрее катода.

Падение потенциалов в анодной и катодной областях невелико, и в среднем сумма катодного и анодного падений напряжений равна потенциалу ионизации газа, в котором происходит разряд. Основное падение потенциала, равное разности приложенного напряжения и потенциала ионизации, приходится на столб электрической дуги. Это свидетельствует о том, что трансформация электрической энергии в тепловую происходит также в основном в столбе.

Температура является характеристикой внутренней энергии тела или частицы, и чем больше ее энергия, тем выше температура. В разрядном промежутке находятся свободные электроны, ионы и нейтральные частицы. В период возбуждения дуги эти частицы находятся в разном режиме движения и обладают разным запасом энергии, т. е. имеют различную температуру. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате увеличения в электрическом поле кинетической энергии заряженных частиц. Наиболее быстро увеличивается скорость и кинетическая энергия электронов, обладающих самой малой удельной (по отношению к величине заряда) массой. Поэтому в период возбуждения дуги температура электронов растет очень быстро.

Получив под действием поля ускорение, электроны сталкиваются с нейтральными частицами и часть энергии передают им. В результате температура электронов понижается, но при этом усиливается движение нейтральных частиц, учащаются их взаимные столкновения и повышается температура газа. Благодаря столкновениям происходит постоянный обмен энергий между частицами, и температура всех составляющих газа выравнивается.

Источник [4] → список литературы.

Читать далее: Дуга постоянного и переменного токов

Читайте также:

Вернуться в начало раздела: Электропечи
Вернуться на главную: Черная металлургия