2) Перенесення струму в стовпі зварювальної дуги

Ефективність іонізації, а, отже, і стабільність горіння дуги визначаєть-

ся компонентом з найнижчим потенціалом іонізації. Саме цей компонент,

за рахунок більшого ступеню іонізації, постачає в дугу головні носії електрики – електрони.Теоретичні положення дають змогу вважати стовп дуги слабоіонізованим газом (ступінь іонізації x » 3…5%), нагрітим до високої температури (5000…6000 К), з однаковою кількістю негативних та позитивних часток, тобто, електрично нейтральнимОсобливий стан розпеченого газу, який містить в собі зарядженічастки різних знаків у рівній кількості і, в зв’язку з цим не має електричного заряду називається термічна квазінейтральна плазма.Причиною направленого руху заряджених частокє електричне поле, яке створюється падінням напруги в стовпі дуги. Це електричне поле характеризує спеціальний показник –

напруженість поля стовпа дуги:

Про дрейф заряджених часток в дузі

Висока температура плазми дуги спричиняє швидкий хаотичний рух часток в ній (атомів, іонів та електронів). Ті з них, які мають електричний заряд, поступово зміщуються в напрямку дії електричного поля: негативні до позитивного електрода, а позитивні до негативного.Поступове пересування заряджених часток в напрямку вектора

напруженості електричного поля називається дрейфом.

Рухливість зарядженої частки залежить від величини її заряду, вели-

чини вільного пробігу, маси і швидкості хаотичного теплового руху час-

ток.Показник рухливості часток визначається в класичній кінетичній тео-

рії газів за формулою П. Ланжевена:

де: z0 – заряд частки;l – довжина вільного пробігу;

V – швидкість теплового руху часток (середня квадратична);

m – маса частки.

Середня квадратична швидкість визначається із середньої кінетичної

енергії теплового руху часток:

В стовпі дуги в рівній мірі наявні носії електрики двох типів: електро-

ни та іони (стовп - електронейтральний). І хоча вони рухаються (дрейфують) в протилежні сторони, перенесення струму відбувається в один бік,завдячуючи різнойменності зарядів.

Звідси витікає важливий висновок: головними носіями електричного

струму в стовпі дуги є електрони.Вільний пробіг електрона кінетична теорія газів визначає залежнимвід величини вільного пробігу атома наступним співвідношенням:

Густина струму в стовпі дуги

e0 – заряд електрона;ne– кількість електронів, які беруть участь в перенесенні струму;We– швидкість пересування (дрейфу) електронів: We = beEcт , де: Eст– напруженість електричного поля в стовпі дуги;

be– рухливість електронів, яка визначається з формули Ланжевена:

Комплекс складних явищ, який супроводжує взаємодію електронів з

частками називають ефектом Рамзауера-Таундсена. Можна використати найбільш загальну залежність:

n - кількість часток (на одиницю об’єму);Qe - переріз взаємодії Рамзауера - спеціальний показник, який характеризує ефекти взаємодії електронів з частками газової суміші.Суть комплексу явищ, які описує ефект Рамзауера-Таунсенда, полягає в тому, що ефективний переріз взаємодії електронів з атомами в значній мірі залежить від енергії електронів, завдяки прояву хвильових властивостей останніх. Серед часток, які є в складі дугової плазми, електрони маютьнайменші розміри, найбільшу рухливість і найпотужніші енергетичні характеристики. Вони й проявляють у найбільшій мірі свої хвильові властивості.

кількість

носіїв струму - електронів (ne ) і загальна кількість часток n

густина струму

Квадратні дужки заміняємо на коефіцієнт С і тоді:

а відповідно С:

Отримана залежність дає змогу наочно спостерігати параметри, які

формують величину густини струму в дузі. коли дуговий процес стабільний і склад газової фази сталий, тоді переріз Рамзауера Qe в деяких заданих умовах можна вважати постійною величиною. Отже, на цьому етапі зазначимо три основних чинники, які регулюють густину струму в стовпі дуги:

- ступінь іонізації;

- напруженість електричного поля;- температура стовпа дуги

3) Катодна область- простір вільного пробігу електроду від поверхні катоду до першого зіткнення з нейтральним атомом зварної дуги. Носіями струму в КО є електрони і йони.

Про об’ємний позитивний заряд катодної області

Загальний електричний струм дуги ( д I ) в катодній області складає-

ться з двох зустрічно направлених потоків заряджених часток: електрони

рухаються від поверхні катода до стовпа дуги, а позитивно заряджені іонирухаються від стовпа дуги до поверхні катода. Відповідно, ці потоки складають струми: електронний ( Ie) та іонний ( Ii). Не дивлячись на протилежні напрямки, ці струми створені різнойменними зарядами і, фактично,переносять електрику в один бік. Через це загальний струм дуги є в катодній області сумою струмів іонного Iiта електронного Ie:

Ід= Iі+ IеАбсолютні значення цих струмів залежать від багатьох факторів, самінепередбачувані з яких це розміри (поперечні перетини) областей, по якимпротікає струм.

густина струму електронів буде:iе= e0 × nе×Vе

густина струму іонів буде:Іі= e0 × nі×Vі

кінетична енаргія руху частинок: E = mv^2/2

в катодній області в 319 разів більше іонів ніж електронів

Катодна емісія:

Явище покидання електродом поверхні тіла і віддалення від нього на відстань при якій між ними не відбуваєтьсявзаємодій-наз. емісія

Величина найменшої енергії яку потрібно надайти електрону для здійснення емісії наз роботою виходу. Потенціал виходу- різниця потенціалів пролітаючи яку електрон набуває енергії рівної роботі виходу

j= 1…1000 А/мм^2

Види емісії: термоелектронна, автоелектронна, фотоелектронна, вторинна.

Фотоемісія- суть полягає в збудженні електрону катоду квантами світла- фотонами. Для ефективного протікання фотоемісії довжина світла повинна знаходитись в ультрафіолетовому діапазоні.

Вторинна емісія- можлива при бомбардуванні поверхні катода важкими частинками-йонами. В зварювальних дугах це можливо для йонів гелію аргону водню.

Термоелектронна емісія- явище випромінювання електронів поверхнею нагрітих катодів.

, ф-лаРічардсона-Дашмана

ЕффектШотткі:

Ефект Шотткі полягає в тому, що робота виходу електрона з поверхні

катода при наявності електричного поля в приповерхневій області зменшу-

ється на величину, пропорційну напруженості електричного поля.

Густина струму:

При горінні дуги із застосуванням такого катода атоми домішок (то-

ріюTh, або лантану La) дифундують на його поверхню, де створюють такзвані «острівки» емісії. Острівки емісії дуже швидко зливаються в суцільнуплівку, яка покриває робочу поверхню катода, утворюючи шар товщиноюіноді в один атом. Такі катоди в практиці зварювальних робіт прийнято називати плівковими катодами.

катод, який забезпечує дугу електронами переважно за рахунок

термоелектронної емісії, називається «гарячим» катодом.

Поява катодної плями якраз і свідчить про початок лавиноподібної

емісії електронів з поверхні катода.Дуга перестає бути стабільною, катодна пляма починає хаотично пересуватися, «рискає», по поверхні катода, вишукуючи концентратори напруженості електричного поля, якими можуть бути мікронерівності, забрудненняоксидами, домішками, адсорбовані сторонні атоми, і т.ін.Через важливу роль концентраторів напруженості електричного поляв цьому випадку і високу ймовірність того, що таким концентратором виявиться оксид, такі катоди прийнято називати оксидними.

Для катодів такого

типу характерні невисокі значення температури самої емітуючої електрони

поверхні, тому за ними закріпилась робоча назва «холодний катод».