2.1.3. Вольт-амперная характеристика дуги
Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠const), так как число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика газового разряда обычно является нелинейной.
В зависимости от плотности тока вольт-амперная характеристика дуги может быть падающей, пологой и возрастающей (рис. 2.5). В области I при малых токах (примерно до 100 А) с увеличением тока дуги Iд интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а, следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение Uд; вольт-амперная характеристика дуги является падающей.
В области II при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная характеристика является пологой. Первые две области на рис. 2.5 описывают сварочные дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением.
Падающая и пологая вольт-амперные характеристики сварочных дуг типичны для ручной дуговой сварки штучными электродами с покрытием (РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварки, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).
Сварка при высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют области III на рис 2.5. Они характеризуются сильным сжатием столба дуги и возрастающей вольт-амперной характеристикой, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.
В сильноточных сжатых дугах степень ионизации газа в столбе дуги может достигать значений, близких к 100 %, а термоэмиссионная способность катода оказывается исчерпанной. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным (R ≈ const). Высокоионизованная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому проводнику и для нее справедлив закон Ома.
2.2. Элементарные процессы в плазме дуги
2.2.1. Основные параметры плазмы
Как известно, плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газовая плазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы.
Состав нейтрального компонента плазмы может быть достаточно сложным: помимо атомов и молекул, находящихся в нормальном состоянии, в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных состояниях. Но поскольку плазма - это ионизованный газ, для ее описания используются те же понятия, что и для обычного газа.
Введем основные параметры плазмы, исходя из простых молекулярно-кинетических представлений. Прежде всего необходимо знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта nα м -3 (индекс α означает сорт частиц). Далее все величины, относящиеся к электронам плазмы, будем обозначать с индексом е, к ионам - с индексом i, а к нейтральным частицам - с индексом α. Если в плазме присутствуют ионы нескольких сортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта. Состав плазмы удобно также характеризовать безразмерным параметром - отношением концентрации электронов к сумме концентраций нейтральных частиц и
э лектронов, илистепенью ионизации По степени ионизации плазму обычно подразделяют на слабо ионизованную (χ << 10 -3 ) и полностью ионизованную (χ → 1), т. е. плазму, состоящую только из заряженных частиц.
Частицы, образующие плазму, находятся в состоянии хаотического теплового движения. Для характеристики этого движения вводят понятие температуры плазмы в целом Т или отдельных ее компонентов - частиц сорта α - Тα. Температура плазмы вводится в предположении, что плазма в целом находится в состоянии термодинамического равновесия, а функции распределения частиц всех сортов по скоростям v являются максвелловскими с одной и той же температурой T; в этом случае плазма называется изотермической. Гораздо чаще в плазме имеется частичное термодинамическое равновесие, когда отдельные ее компоненты имеют максвелловские распределения по скоростям с различными температурами. Такая плазма является неизотермической.
В частности, распределение электронов по модулям скоростей описывается выражением:
где k = 1,38 • 10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана; Те - температура электронов, К; v - скорость хаотического теплового движения электронов, м/с.
График функции fe(v) приведен на рис. 2.6. Аналогичный вид имеют функции распределения по скоростям и для других частиц. Максимум функции fe(v) определяет наиболее вероятную скорость
Средняя тепловая скорость электронов
Для средней квадратичной скорости получаем
В случае максвелловской функции распределения (2.1) температура Те характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения электрона ε ־:
Поскольку температура и средняя кинетическая энергия теплового движения частиц столь тесно взаимосвязаны, в физике плазмы принято выражать температуру в единицах энергии, например в электронвольтах. Температура ТэВ, выраженная в электронвольтах, связана с соответствующей температурой Т, выраженной в кельвинах, соотношением
Рассчитаем, какая температура Т (в кельвинах) соответствует температуре ТэВ = 1 эВ:
Отметим, что средняя кинетическая энергия частицы ε ־ равна
Часто пользуются понятием температуры плазмы и в тех случаях, когда функция распределения частиц (сорта α) отличается от максвелловской, понимая под температурой Тα величину, определяемую соотношением (2.5).
Плазму газового разряда часто называют низкотемпературной. Ее температура обычно не превышает 10 4 . 10 5 К, а концентрация заряженных частиц nе ≈ ni ≈ 10 8 . 10 15 см -3 , причем такая плазма практически всегда слабоионизована, так как концентрация нейтральных частиц nα ≈ 10 12 . 10 17 см -3 . В плазме сильноточного дугового разряда Т ≈ 10 4 . 10 5 К, а концентрация заряженных частиц nе ≈ ni ≈ 10 18 . 10 20 см -3 при практически полной ионизации.