Неровный В.М. Теория сварочных процессов (Неровный, Коновалов, Куркин - Теория сварочных процессов), страница 11

Заштрихованная область на диаграмме энергий соответствует свободным электронам. Их кинетическая энергия отсчитывается от линии нулевого уровня вверх. Нормальное состояние электрона, связанного в атоме водорода, соответствует отрицательной энергии 13,6 эВ.

Напомним, что за нулевой уровень энергии Рис. 2.12. Схематиче- ское изображение возусловно принимается состояние, при ко- можных энергетнчестором связь между ядром и электроном р 'рвана и эги ча"ицы рмведены на комбинации элек,рона очень большое расстояние с нулевой ки- н про на (дна„амма нетической энергией. энергий) Освобождающаяся энергия может излучаться в виде фотона с энергией а + 13,6 эВ. Возможен также ступенчатый переход, при котором атом сначала оказывается в одном из доступных возбужденных состояний, а затем перескакивает на нормальный уровень. Это изображено на правой стороне диаграммы. Тормозному излучению соответствует изменение энергетического состояния электрона в заштрихованной области (переход между точками А и В). Так как свободные электроны обладают непрерывным набором энергий, то фотоны, излучаемые в процессе рекомбинации, образуют сплошной спектр, на который накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов, образующихся при ступенчатых переходах.

4 Для сварочных дуг, имеющих Т, = Т; < 10 К, излучение рекомбинации преобладает над тормозным излучением электронов и имеется преимущественно сплошной спектр с максимумом длин волн излучения в видимой и ультрафиолетовой областях оптического диапазона 0,3...1,0 мкм. Спектр сварочной дуги в парах металлов приближается к спектру солнечного излучения с небольшим сдвигом в сторону длинных волн (рис. 2.13).

Сплошной спектр интегрально дает наибольшую часть излучения дуги. Однако интенсивность отдельных линий линейчатого спектра на фоне сплошного спектра значительно выше. По частоте (длине волны) и интенсивности определенных спектральных 59 ач гоо Й 90 то Я 60 "о зо зо ЗО го 10,0 о,з ! о з,о УФ Видимая ИК области оптического диапазона Длина волны, мкы о, Рис. 2.13. С с соп . Сплошнои спектр излучения столба ол а дуги в сравнении опнечным спектром (Е. Ролласон, Е.

В -С ан- оммсрн) линии, излучаемых в разных зонах дугового аз я а, м дить о концентрации б воз ужденных атомов и, еле температуре зоны. С а , следовательно, о ны. равнивая интенсивности еле аль делают заключение об ктральных линий, приближения ее к те м электронной темпе а р туре плазмы и степени я ее к термодинамическому равновесию. Ва дения о плотности элек онов в пл ажные свен ие спектральных линий. ктронов в плазме получают, измеряя ушире- 2.3,1. Электропроводность Полагаем, что движение электрона как частицы с массой пг и зарядом е под действием поля напряженностью Е и ускоряющей силы еЕ происходит в течение времени т, = Л/и„где ее — средняя квадратичная скорость электрона (скорость теплового движения, так как скоростью дрейфа пренебрегаем вследствие ее сравнительной малости), а Л вЂ” средняя длина свободного пробега электрона.

При движении с ускорением еЕ)теза время т электрон разгоняется до скорости дрейфа еЕ = — т е е пге (2.30) Важнейшим свойством плазмы является способность переносить заряженные частицы под действием электрического поля. При наложении электрического поля возникают силы, заставляющие электроны дрейфовать — двигаться вдоль силовых линий поля; на хаотическое тепловое движение электронов накладывается их упорядоченное движение со скоростью дрейфа. Пользуясь законами классической физики, можно оценить ее порядок по сравнению со скоростью теплового движения. Электрический ток создается направленным потоком электронов.

В простейшем случае при неизменной силе тока имеет место равновесие между силой, с которой действует на электроны электрическое поле, и силой торможения, обусловленной столкновениями между электронами и ионами. Сила торможения равна среднему значению импульса, теряемого электроном при столкновении с ионами.

(гз !) „/ пеппе' нет гпе (2.32) 60 б! 2З. Я З. Явления переноса в плазме Направленное движение ионов и эле онов в быть вызвано в м лектронов в плазме может двумя причинами: электрическим полем, щим ток, или же азии полем, создаюразницеи в концентрации частиц ме личными участками плазмы.

К ежду размы. роме того, в неравноме но н плазме обмен частицами ме об р нагретои и между областями с различной температурой создает механизм плазменной теплоп ово н годаря кото ом че е плопроводности, бларому через плазму идет поток тепловой э . П- речисленные п о роцессы обьединяются общим назв й энергии.

Пепе сноса. О азванием -явление р . Они обеспечивают переход от не веси ом у состоянию. неравновесного к равно- Плотность тока г' в плазме равна сумме электрических зарядов, пересекающих единичную площадку за 1 с: Подставляя в (2.31) значение ге из (2.30), получаем выражение закона Ома для плазмы -! †! 3десь о — удельная электропроводность плазмы (См!м, Ом . м ): о, См/м пес те 2 и= епе (2.33) Величину 103 е Е "е Е еп (2.

34) 10 1О п=(п 7п )е l(~еп0е )' называют подвижностью носителя тока (электрона), а уравнение (2.34) известно как уравнение Ланжевена. Входящая в уравнение (2.34) величина т характеризует среднее время пробега электронов по отношению к столкновениям, в результате которых тормозится электронный поток, поэтому средняя частота столкновений электрона Для слабоионизованной плазмы торможение электронов происходит главным образом вследствие столкновений с нейтральными атомами и молекулами. В этих слУчаЯх Яе! мало, тогда т = Мп теа 17(иапУеа). Найдем удельную электропровод- ность согласно уравнению (2.33): (2.35) ! ! те = 1 тьч + 1! теа.

1 98п е2 Т312 «7 = ' ' = 1,53.10 шею„!ПЛ (2.36) 2 3 2 Амбиполирная диффузия 62 63 Столкновения электронов между собой не учитываются, так как они не приводят к торможению электронного потока. При изучении представляют интерес два крайних случая электропровод- ности плазмы: а) полностью ионизованная плазма при степени ионизации 7( = 1, иа = О; б) слабо ионизованная плазма при 2(( 1, п, = и, = и, (при однозарядных ионах).

Удельная электропроводность полностью ионизованной плазмы, состоящей из однозарядных ионов, определяется по Л. Спитцеру Яеа = О, те = сей ие = п,я,з — заряд ионов): где 2 =1,24.10 (Те !ие) (кулоновский логарифм !пав = 4...1!). 7 3 1/2 Оказывается, что в этом случае удельная электропроводность и почти не зависит от концентрации электронов п„так как с ростом и уменьшается время пробега с„.

При одной и той же температуре о тем больше, чем меньше заряд ионов г; о растет пропорционально Т, , т. е. весьма быстро. Например, при Т, = 15 10 К 3!2 б водородная плазма имеет такую же удельную электропровод- ность, как обыкновенная медь при комнатной температуре: о 7 = 6 1О См!м. 0 4000 8000 Т, К Черта над произведением 10-1 иДеа означает, что берется среднее значение этого произведения Рис.

2Л4. Зависимость удслыюй с учетом распределения электро- элсктропроводности плазмы от нов по скоростям и зависимости температуры Д от пе. Из формулы (2.37) видно, что удельная электропроводность слабо ионизованной плазмы пе пропорциональна степени ионизации —. Поэтому о должна быть п мала вследствие недостатка в носителях тока. Она в десятки тысяч раз меньше электропроводности меди. Удельная электропровод- ность слабоионизованной плазмы с ростом температуры газа быстро нарастает на участке, соответствующем росту концентрации электронов (рис.

2.14). Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и в условиях, когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. В этих случаях силой, приводящей в движение частицы, будет разность давлении. В слабо ионизованной плазме давление электронной и ионной составляющих мало по сравнению с давлением нейтрального газа, поэтому при диффузионном движении заряженных частиц так же, как и при прохождении тока, происходит не перемещение всей массы вещества, а только перемещение составляющих.

Характерной особенностью процесса является то, что по условию квази- нейтральности скорости диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Поскольку электроны обладают большой подвижностью, они опережают ионы, создавая электрическое поле, которое сильно тормозит их и слегка ускоряет тяжелые частицы— ионы. Происходит выравнивание скоростей, и весь процесс идет со скоростью, близкой к той, которая в отсутствие электрического поля соответствовала бы диффузионному движению ионов.

Такой процесс совместного движения ионов и электронов через газ получил название амбиполярной диффузии. 2.3.3. Теплопроводность плазмы д, = — 2.8гаг) Т. (2.38) Здесь 2. — коэффициент теплопроводности, называемый далее для краткости теплопроводностью. Для плазмы имеет место соотношение Л = 2, + З.„т. е. учитываются атомный (2, ) и электронный (2,,) механизмы теплопере- дачи, причем 1 ), = — )гн,о,Леб 2 (2.39) 2 е )гневе Ле(1+ Х) 2 3 (2.40) В центре столба дуги из-за больших значений Л, и ге справедливо неравенство 2.,» Х, а на границах столба значение 2., малб вследствие малости п,.