Дуговой разряд

на определенное расстояние. Рассмотрим схематическое расположение основных областей дугового разряда (рис.1). Вблизи катода находится отрицательная область (1), в которой ионизация обеспечивается преимущественно электронным ударом. К аноду примыкает положительный столб (2), в котором наиболее характерным процессом является термоионизация. Термическое действие электронов приводит к образованию в аноде положительного кратера (3). Ввиду сильного ультрафиолетового излучения, свойственного дуговым разрядам дугу нередко окружают ореолы (4).
Рис.1

эмиссии электронов с катода: 1) термоэлектронная, 2) автоэлектронная, 3) термоэлектронная и автоэлектронная (смешанный вид). Термоэлектронная эмиссия наиболее характерна для дуг атмосферного давления. Два последних вида эмиссии более типичны для дуг, возникающих при пониженном давлении и в вакууме. Другая классификация связана с давлением газовой среды дугового разряда: 1) вакуумная (p<10-3 торр), 2) низкого давления (p~10-3–1 торр), 3) высокого давления (p≥0,1 торр), 4) сверхвысокого давления (p≥10 торр).
Для дуговых разрядов характерно образование на катоде специфической области, с которой возникает основной поток термоэмиссии – катодного пятна. Для угольной дуги при токе I=1,5-10 А и давлении p=1 атм. размер катодного пятна составляет S≈0,02 см2 при плотности тока j≈470 А/см2. Столь малые размеры данной области объясняются притяжением токов вблизи катодного пятна.

в качестве эталонного разряда, т.к. дуги на металлических электродах содержат более сложные характеристики. Для данного примера катодное и анодное падение потенциала в разряде составляли UК=10 В, UА=11 В. В качестве варьируемого параметра выбиралось расстояние между электродами l. ВАХ содержат следующие основные области: спадающие зависимости, характеризующие область стабильного горения (а), область нестабильного горения (б), в которой зажечь разряд практически невозможно, область “шипения” (в), где разряд обладает специфическими звуковыми эффектами.
Рис.2

начале XX века была предложена формула Айтрон:
В данной формуле коэффициенты a,d,c,d зависят от рода газа, давления, условий горения дуги, циркуляции газа, охлаждения электродов, от размеров и формы электродов и прочих свойств угля.
Для мощности угольной дуги могут быть получены следующие выражения:
Из данных формул следует, что мощность пропорциональна току (при ), либо пропорциональна расстоянию между электродами (при ).
Для металлических электродов аналогичная формула имеет вид:

сильнее, чем в случае угольной дуги. Показатель степени для большинства металлов находится в диапазоне n=0,34-1,38.
Как и в случае тлеющего разряда дуговой характеризует типичная зависимость потенциала (рис.3а). Катодное и анодное падения потенциала, как правило, невелики (10-20 В), а основной ход зависимости практически линейный. Данная зависимость является экспериментальной. Для плотностей токов характерны следующие зависимости (рис.3б). Плотность электронного тока je содержит рост в катодном слое и достигает максимума на аноде. Ионный ток ji имеет сильный рост также вблизи катода и достигает максимума на катоде.
а) б)
Рис.3

катодный слой характеризует область, где ионизация происходит за счет электронного удара. Ввиду растущей зависимости концентрации плазмы (от катода) данный слой содержит бесстолкновительный слой (1) (у катода) и квазинейтральный слой ni≈ne (рис.4). Для тока термоэлектронной эмиссии вводятся величина S через отношение электронного тока к общему току:
Данное значение означает, что около 70% тока в катодном слое переносится электронами, а около 30% ионами.

качестве типичного примера можно привести угольную дугу атмосферного давления (j=3⋅103 А/см2, S=0,8; VК=10 В), для которой напряженность электрического поля и размер катодного слоя имеют следующие значения:
EК≈6⋅105 В/см, h≈2⋅10-5 см

исходной уравнение Пуассона:
Измерение температуры в дуговом разряде обычно осуществляется спектральными методами: посредством пирометрии и методом относительных интенсивностей спектральных линий. Приведем распределение температуры дуги, полученное методом относительных интенсивностей (рис.5). Дуговой разряд на угольных электродах при атмосферном давлении имел следующие параметры: I=200 А, d=4,6 см, ТК=3500 К, ТА=4200 К, dА=3 см, dК=5 мм. Максимальная температура (около 12000 К) присутствует вблизи катода. В остальной области, имеющей цилиндрическую форму, температура составляет около 9000 К.

К. Это свидетельствует в пользу термической ионизации в данной области. При этом для оценок концентрации плазмы обычно используется уравнение Саха, в предположении условия равновесности плазмы. Для расчета радиального и осевого распределения температуры плазмы T(r,x) обычно используется уравнение Эленбааса-Геллера для случая цилиндрического столба плазмы.