13.Электродуговой и плазменный нагрев.

В реальных условиях любые газы, содержат не только нейтральные атомы и молекулы, но и некоторое количество свободных носителей заряда (ионов и электронов). Поэтому, если газ поместить в электрическое поле (постоянное или переменное) то в нем возникает электрический ток. Процесс прохождения электрического тока через газы называют газовым разрядом. Для газа, находящегося при постоянном давлении между неподвижными электродами, зависимость тока газового разряда J от напряжения на электродах U обычно имеет вид:

Рисунок 22. Типичная вольт-амперная характеристика газового разряда при постоянном давлении. В области несамостоятельного разряда носители тока возникают лишь под действием внешних причин (внешний нагрев, ультрафиолетовое, рентгеновское облучение). Концентрация этих носителей не зависит от электрического поля, поэтому при увеличении напряжения величина тока перестает расти и наступает состояние насыщения. При достаточно больших напряжениях наблюдается переход в область самостоятельного разряда, характеризуемого резким возрастанием тока. Это возрастание объясняется тем, что первоначально имевшиеся носители заряда, ускоряясь в достаточно сильном электрическом поле, приобретают энергию достаточную для ионизации нейтральных атомов и молекул. Новые носители заряда, ускорившись, в свою очередь вызывают ионизацию. Так происходит лавинообразное размножение носителей заряда и усиление разрядного тока. Возникновение самостоятельного разряда в воздухе впервые обнаружил В. В. Петров в 1802 г. Между угольными электродами, подключенными к большой гальванической батарее возникал

ослепительно светящийся шнур газа, изогнутый в форме дуги. Поэтому обнаруженное явление стали называть электрической дугой или дуговым разрядом. Сила тока в дуге может достигать нескольких тысяч (и даже десятков тысяч) ампер при напряжении всего в несколько десятков вольт. Дуговой разряд может возникать как при атмосферном, так и при очень высоком (до 1000 атмосфер) давлении. Характерными свойствами дуги является высокая температура как на электродах, бомбардируемых ускоренными носителями заряда, так и в межэлектродном пространстве, заполненном высокотемпературной плазмой. В воздухе, при атмосферном давлении, температура дуги между двумя угольными электродами составляет около 4000 К (при токе 100 А), а в дуге между вольфрамовым стержнем (+) и медной пластиной (-) температура может достигать 30 000 К (при токе 500 А). Напомним, что температура поверхности Солнца равна ≈5800 К. Электродуговые устройства широко используют в промышленности, например, для электросварки и в металлургических плавильных печах На использовании дугового разряда основан принцип работы так называемой «плазменной горелки». Здесь сжатие плазмы потоком воды обеспечивает осуществление так называемого «пинч-эффекта», что приводит к сосредоточению мощности разряда в малом объеме. В промышленных условиях, при токах в сотни ампер, плазменные горелки обеспечивают получение температур порядка 14 000 К.