Амбиполярная диффузия

Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и при условиях. Когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. Силой, приводящей в движение частицы, здесь будет разность давлений.

Процесс совместного движения ионов и электронов через газ называется амбиполярной диффузии (т.е. двуполярная).

Характерной особенностью процесса является то, что по условиям квазинейтральности скорость диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Электроны движутся быстрее ионов. Воздавая этим опережением электрическое поле, которое сильно тормозит движение электронов и ускоряет движение ионов.

В результате их скорости движения в электрическом поле выравниваются. Дальнейший процесс идет со скоростью обычной диффузии газов, которое наблюдается при отсутствии электрического поля

где - средняя скорость ионов, - длина их пробега, D – коэффициент амбиполярной диффузии.

Теплопроводность плазмы.

Главную роль в переносе теплоты от более горячих к более холодным участкам играют электроны. При перепаде температур электроны с большими энергиями идут в одну сторону. А с меньшими – в другую. В результате появляется поток тепловой энергии в сторону холодных слоев плазмы, пропорциональный относительной величине перепада температур, т.е. температурному градиенту =-T, где κ – коэффициент теплопроводности (далее - теплопроводность).

Для плазмы κ=+, те учитывая атомный и электронный механизмы теплопередачи. Причем, =(1/2)k; =(2/3)k(1+x)

В центре столба дуги из-за большого и будет , а на границах столба значение мало, т.к. мало .

Подставляя в эти уравнения значения k, = 1/(nQ), =1,6*, получим (1/Q)

Саморегулирование столба дуги. Принцип Штейнбека.

Электрическая дуга представляет собой сложную систему, зависящую от многих факторов и способную к автоматическому саморегулированию, основы которого определяются уравнением Саха – по степени ионизации (α), давлению (p), температуре (Т). В дуге автоматически устанавливается также и минимальная напряженность электрического поля Е – в соответствии с принципом Штейнбека:

В цепи постоянного тока, содержащей дугу, устойчивым состоянием разряда при данном токе будет состояние с наименьшим напряжением дуги.

Температура столба дуги и его токопроводящий радиус при данном токе и в данной среде должны быть такими, чтобы напряженность электрического поля в столбе была минимальной

;

Подтверждение: с ростом I сечение столба () увеличивается, напряженность падает ток уменьшается, R уменьшается, U возрастает и т.д.

Механизм саморегулирования.

Известно три столба саморегулирования столб дуги – поддержание постоянными 1) мощности дуги; 2) длины дуги (дугового промежутка); 3) степени ионизации. Наибольшее распространение получил первые способ – поддержка постоянного значения мощности дуги.

1. Механизм саморегулирования столба дуги основан на взаимодействии источника питания, поддерживающего постоянную мощность, и сварочного контура, составляющей которого является дуга.

Если по какой-то причине падает ток I. то будет уменьшаться и проплавление электрода, увеличится длина дуги. Поэтому для поддержания постоянной мощности должна возрасти напряжения U. Но с увеличением U возрастает эмиссия катода и ток, увеличивается проплавление, уменьшается длина дуги а вместе в этим – и падение напряжения. Процесс повторяется.

Именно этот механизм лежит в основе автоматической сварки, т.е. IU=const.

2. Поддержка постоянной длины дуги при помощи средств механики и автоматики.

3. Поддержка постоянной степени ионизации дугового промежутка за счет введения дозированных количеств легко ионизирующихся примесей (Cs, Ca, Na, Rb и т.п.). В этом случае постоянным должен быть ток (степень ионизации).

Принцип саморегулирования в сварочных дугах обнаружил В.И. Дяблов. Он использовал его при разработке нового тогда способа сварки – автоматической сварки под флюсом.

Баланс энергии в столбе дуги.

Энергия в плазме дуги расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях. В конечном итоге баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид , где - потери столба дуги излучением; и - потери теплопроводностью и конвенцией.

Отношение зависит от режима дуги, формы столба и рода атмосферы. Для слаботочных дуг, ограниченных стенками, можно пренебречь и (по Геллеру и Эленбаасу).Но для дуг в парах металлов уже при I =100…1000 А до 90% энергии столба дуги теряется на излучение. Спектр излучения таких дуг близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. они представляют собой эффективные излучатели (это так называемых металлические, или Me-дуги). Отличие от излучения “черного” тела учитывается специально введенным коэффициентом “степени черноты”, зависящим от T и R, которые пока достоверное неизветно, как неизвестна и толщина оптического слоя газа столба и невозможность выбора между поверхностным и объемным излучателем.

Упрощение модели процессов в столбе. Каналовая модель.

В настоящее время имеется лишь одна упрощенная модель столба дуг, позваляющая бз нарушения основных физических представлений, протекающих в дуге, существенно упростить все расчеты – это каналовая модель, предложенная в 1935г.

В соответствии с ней столб дуги представляется в виде однородного канала радиуса R, в перделах которого температура и ток распределены равномерно, они соответственно называются эффективными (,,), а плотность тока – средней плотностью j(см.рисунок). В.Н.Колесниковым и Н.Н.Соблевым было установлено, что во всех дугах ток распределен по такому закону:

.

Установлено, что в пределах радиуса =2протекает практически весь ток.

По каналовой модели допускается только поверхностное излучение столбом радиуса . Это положение близко к истине. Опыты по измерению поглощению излучения постороннего источника в столбе каопваи дуги высокого давления показали, что столб является практически непрозрачным. Это означает, что фотоны. Излучаемые внутренними слоями столба, поглощаются в соседних и т.д., т.е. происходит самопоглощение излучения и выход его за пределы столба напоминает диффузионный процесс. При этом, излучающими в окружающее пространство можно считать только наружные слои столба толщиной порядка нескольких свободных пробегов атомов. Поскольку радиальные размеры столба значительно превышают эти толщины, то можно считать излучающей боковую поверхность столба с радиусом .

Основными уравнениями, описывающими дуговой разряд, близкий к каналовой модели, являются следующие:

1. По Хернову Н.Н.(1949) уравнение баланса мощности единицы длины столба , где - степень черноты слоя, - радиус токоведущего канала дуги, =, - удельное излучение по закону Стефана-Больцмана.

2. Уравнение Саха:

Последнее с помощью уравнений и , где , , позволяет определить ток I.

Температура дуги.

Применяя уравнение и определяя из уравнения Саха,и также используя принцип Штейнбека К.К.Хренов получил для ручной дуговой сварки плавящимся электродом для температуры в столбе дуги , где - эффективный потенциал ионизации в плазме.

Для дуг, горящих в газовой среде (Ar, He), на тугоплавких катодах (уголь, W) каналовая модель не подходит, эти дуги по форме уже отходят от цилиндрической – она либо коническая либо порпобразная.

Для приближенной оценки средней температуры в центре столба дуги W-дуг принимают , что даст для дуги в аргоне T=1600К, в гелии – Т=25000К, что близко к опытным данным.

Влияние газовой среды.

Для сварки находят применение дуги с плавящимися и неплавящимися электродами, горящие в среде или в струе защитных газов Ar, He, CO2 и в их смесях. Эти газы влияют на состав плазмы столба и, следовательно, на ее параметры , ,от которых зависят температура столба, напряженность и плотность тока в нем. При малых скоростях и ламинарном течении струи газов, вносимые ею изменения незначительные. Для сварки плавящимся электродом свойства столба при атмосферном давлении могут быть определены потоками паров электродов и мало зависеть от состава защитной атмосферы. Тогда в расчет вводятся константы , , для паров электродов. Опыты Г.И.Лескова показали, что обдувание Me-дуги при I=200А струей Ar, CO2 или воздуха при малой скорости течения (около 1 м/с) практически не изменило ее характеристики. Однако в вакууме и в парах воды Е меняется значительно (от 2 В/см в первом случае до 80 В/см во втором).

Для сварки неплавящимся электродом (W, C и др.) состав плазмы столба определяется в основном защитными газами. Например, аргон, для которого U=15,7В, а =2,5*снижает напряженность поля Е и увеличивает плотность тока. Наоборот, гелий и водород имеют высокую теплопроводность, способствующую росту напряженности Е в столбе дуги.

Состав газовой среды оказывает значительное влияние на форму столба дуги, характер плавления и переноса жидкого металла электродного. Но об этом речь будет позднее. Сейчас проиллюстрируем только влияние состава среды на форму дуги, которая в этих условиях изменяется от цилиндрической (в вакууме) до конической и колоколообразной формы.

(см. ксерокс из книги В.А.Ленивнина)

Дата добавления: 2014-01-13