ГЛАВА 2. Основные виды электрического разряда

6. Дуговой разряд

Дуговой разряд в виде электрической или вольтовой дуги был открыт В. Петровым в 1802 году. В зависимости от давления газа различают дугу низкого давления (Р<<1 атм.) и дугу высокого давления (Р≥1 атм). Дуговые разряды классифицируются по эмиссионным процессам на катоде, различают следующие основные типы дугового разряда:

• Дуга с термоэлектронной эмиссией, катод которой разогревается разрядом, а дуга является самоподдерживающейся. Самым простым примером здесь является дуга с вольфрамовыми электродами в азоте. Температура катода в такой дуге составляет около 2500 К, при этом термоэлектронная эмиссия примерно равна току в дуге.
• Дуга с термоэлектронной эмиссией, катод которой нагревается извне.
• Дуга с автоэлектронной эмиссией. Примером здесь является ртутная дуга. В разряде такого типа на катоде видно яркое пятно, передвигающееся по поверхности электрода. Плотность тока достигает огромных величин - до 10⁶ А/см².
• Металлическая дуга.

Переход от тлеющего разряда к дуговому происходит при увеличении тока разряда. По мере роста тока нагрев катода становится весьма сильным, при этом в силу естественной неоднородности поверхности катода  и различных условий охлаждения ее участков, один из участков разогревается сильнее других и начинает эмитировать электроны по механизму термоэлектронной эмиссии. Увеличение эмиссии приводит к образованию интенсивной локальной лавины и к увеличению числа ионов, бомбардирующих данный участок. В результате этого разряд стягивается на катоде в пятно очень малых размеров, называемое катодным пятном, причём преобладающим механизмом эмиссии становится термоэлектронная эмиссия. В трубке устанавливается самостоятельный дуговой разряд, распределение потенциала в котором приведено на рис. 1,а.

Как и в тлеющем разряде, в дуговом разряде непосредственно перед катодом имеется участок катодного падения потенциала. Ширина этого участка соизмерима со средней длиной свободного пробега электрона. Величина катодного падения потенциала в дуговом разряде много меньше, чем в тлеющем, она близка к  потенциалу ионизации газа, которым наполнен прибор. Возможность горения разряда при таком малом  обусловлена тем, что, во-первых, уменьшение протяжённости области катодного падения способствует поддержанию около катода значительного падения потенциала и, во-вторых, для поддержания высокой температуры пятна важна не энергия каждого иона в отдельности, а суммарная энергия всех ионов, приходящих на катод. Плотность энергии оказывается большой, так как ток дугового разряда велик.

Столб дугового разряда, примыкающий к участку катодного падения потенциала, качественно аналогичен столбу тлеющего разряда. Количественные отличия связаны с тем, что плотность тока в дуге значительно больше, чем в тлеющем разряде. В прианодном участке, в зависимости от размеров, формы, материала анода и т.д., может наблюдаться как некоторое увеличение потенциала, так и его уменьшение. Напряжение горения дугового разряда складывается из , падения напряжения в столбе и анодного падения потенциала, в общем случае эта величина значительно меньше, чем для  тлеющего разряда.

Кроме термоэлектронной эмиссии в дуговых разрядах наблюдается электростатическая эмиссия. Образованию сильного электрического поля около катода способствует интенсивное испарение материала катода, создающее непосредственно около него высокое давление пара. При этом средняя длина пробега электронов, а следовательно, и протяжённость участка катодного падения потенциала уменьшается до величин порядка 10^-7 м, что при значениях  порядка 10-20 вольт даёт среднюю напряжённость поля в катодном участке около 10⁸ В/м. Это подтверждается тем, что при ртутном дуговом разряде светящееся катодное пятно представляет собой не свечение поверхности ртути, а свечение газа над поверхностью ртути. Температура ртути непосредственно под пятном не превышает 200°C. Термоэлектронная эмиссия не может создать ток значительной величины, т.к. напряжённость поля вблизи катода составляет порядка 10⁶ В/м. Естественно предположить, что высокая плотность тока в разряде получается за счёт электростатической эмиссии. Вероятно также играет роль термическая ионизация газа в объёме и эмиссия с катода ударами положительных ионов.

а)	б)

Рис. 1. Распределение потенциала в разрядном промежутке (а) и вольтамперные характеристики (б) дуговых разрядов: б-Ar+H₂ при различных диаметрах катода (1–2 мм, 2–6 мм);

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 1,б) является падающей. Обычно связь между током и напряжением в дуге выражается эмпирической формулой Айртон:

(1)

где  - напряжение между электродами;  - сила тока; - длина дуги; a, b, c и d - постоянные величины, зависящие от давления газа и от условий охлаждения электродов, а следовательно, от размеров и формы электродов.

Характерной особенностью дуговых разрядов является высокая температура газа и электродов, составляющая несколько тысяч градусов Кельвина, и высокая интенсивность излучения зоны разряда. Поэтому дуговой разряд широко используется для сварки и резки металлов, в качестве источника излучения и т.д. Еще одной областью применения дугового разряда является плазменно-дуговое нанесение покрытий в условиях массового производства в тех случаях, когда не предъявляется высоких требований к чистоте процесса. В качестве примеров здесь можно привести нанесение упрочняющих покрытий на металлообрабатывающий инструмент и декоративных покрытий на товары народного потребления.