2.1. Условия устойчивости горения дуги

Как следует из уравнения (2), при горении дуги часть напряжения источника тока падает на дуге U_Д, остальное напряжение на балластном сопротивлении U_Б. Полное падение напряжения в цепи дуги будет U = U_Д + U_Б, и оно должно быть равно приложенному внешнему напряжению источника тока U_ИП, т.е.

Рис.3.

U_ИП = U_Д + U_Б. (8)

На рисунке 3 построены графики зависимости U_Б = (J), U_Д = f(J), U = f(J), U_ИП = f(J). Как видно из рисунка, условию (8) удовлетворяют точки А и В, соответствующие J_A и J_B.

Рассмотрим состояние, соответствующее точке А. В процессе горения дуги возможны значительные флуктуации тока, обусловленные эмиссией заряженных частиц на катоде. Так, при уменьшении силы тока менее J_A напряжение источника тока U_ИП становится меньше напряжения, необходимого для устойчивого горения дуги. Это приводит к дальнейшему снижению тока вплоть до полного прекращения дуги. И, наоборот, при случайном увеличении силы тока более J_А, требуемое для горения напряжение убывает, поэтому в цепи дуги создается избыток напряжения. За счет этого избыточного напряжения сила тока продолжает расти до значения J_B, соответствующего точке В. При дальнейшем увеличении тока напряжение U_ИП для поддержания этого роста станет недостаточным и ток уменьшится до значения J_B. В случае уменьшения тока возникает избыток напряжения и ток восстанавливается до значения J_B. Таким образом, непрерывное горение дуги реализуется при значении силы тока J_B, а состояние, соответствующее точке А, является неустойчивым.

Недостатком рассмотренной системы питания плазмотронов является то, что на балластном сопротивлении теряется значительная (от 23 до 42%) часть мощности источника тока, следовательно, снижается к.п.д. плазменной установки, что не всегда приемлемо по экономическим показателям. Поэтому для питания плазмотронов конкретного технологического назначения (плазменная резка, сварка) преимущественное применение получили источники постоянного тока с круто падающими вольтамперными характеристиками. Они представляют собой выпрямители, собранные на тиристорах, с регулируемым углом открывания тиристоров относительно начала синусоиды напряжения. Тиристоры одновременно выполняют функции выпрямления и регулирования силы тока, а при введении обратных связей формируют необходимые вольтамперные характеристики источника питания. Условия непрерывности горения дуги в плазмотроне реализуется при U_ИСТ = U_Д и не отличаются от вышеописанного случая.

Исследование плазмы тлеющего разряда

Развитие хозяйства страны требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и техники.

Одним из таких направлений, существенно расширяющих технологические возможности процесса обработки материалов, является использование концентрированных потоков энергии (струи пламени, плазмы, лазерного, электронного, ионного лучей и др.).

1.1. Плазма и ее получение

1. Плазмой называют частично или полностью ионизованный газ, содержащий равное количество свободных отрицательных и положительных зарядов. Каждая заряженная частица плазмы испытывает действие кулоновских сил притяжения или отталкивания со стороны окружающих ее зарядов. Эти силы убывают с расстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимодействия нейтральных молекул газа. Поэтому в плазме определяющую роль играют коллективные взаимодействия большого числа частиц.

Такое состояние вещества, характеризуется высокой ионизацией его частиц, доходящей до полной ионизации. В зависимости от степени ионизации , т.е. отношения концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц, различают плазму: слабо ионизованную ( - доли %), умеренно ионизованную ( - несколько %), полностью ионизованную ( - близко к 100%).

Плазма в основном состоит из частиц трех видов: нейтральных атомов и молекул, положительно заряженных ионов и свободных электронов. При столкновениях обмен энергией между частицами с близкой массой происходит быстрее, чем между частицами с существенно разными массами. Поэтому внутри каждой подсистемы одинаковых частиц может устанавливаться свое равновесное распределение по энергиям. В этих условиях различают электронную температуру Т_е, температуру ионов Т_i и температуру нейтральных частиц Т_а.

Электроны и положительные ноны быстро рекомбинируют, образуя нейтральные атомы. Для поддержания постоянной ионизации газа необходимо внешнее воздействие, непрерывно вновь расщепляющее нейтральные атомы и молекулы на электроны и ионы. От интенсивности этого воздействия зависит установившаяся концентрация свободных зарядов в плазме.

В природных условиях слабоионизованная плазма наблюдается в ионосфере. Солнце, горячие звезды, а также некоторые межзвездные облака являются примерами полностью ионизованной плазмы, образующейся при очень высоких температурах (высокотемпературная плазма – свыше 10⁶ К). Искусственно плазма создается в газовых разрядах, газоразрядных лампах, плазмотронах и т.д. Управление движением плазмы лежит в основе ее использования как рабочего тела в различных двигателях, для прямого превращения внутренней энергии в электрическую (магнитогидродинамические генераторы, плазменные источники электрической энергии), световую (лазерах), для обработки материалов потоком плазмы и т.д.

Большая электропроводность плазмы приближает ее свойства к свойствам проводников. Случайно возникающие в плазме, не подверженной внешним воздействиям, разности концентраций заряженных частиц и разности потенциалов сглаживаются, как в проводниках, на которые не действуют внешние э.д.с.

В лабораторной работе исследуются общие свойства тлеющего электрического разряда, переводящего газ, заполняющий разрядную трубку, в состояние плазмы. Экспериментально исследуются структура и вольтамперная характеристика самостоятельного газового разряда. Исследуется зависимость этих величин от электрической энергии, вводимой в тлеющий разряд.