Razryad (731787), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Формула (14) представляет собой дифференциальное уравнение,

которому подчиняется добавочный ток i.

Как известно, полный интеграл уравнения (14) имеет вид:

i=А1е^r1t+А2е^r2t, (15)

г де r1 и r2— корни характеристического уравнения, опре-деляемые формулой

r=-1/2(1/CR+U’/L)+√1/4(1/CR+U’/L)²-1/LC(U’/R+1). (16)

Если подкоренная величина в (16) больше нуля, то r1 и r2

оба действительны, i изменяется апериодически по экспо-ненциальному закону и решение (15) соответствует апериодическому изменению тока. Для того чтобы в рас-сматриваемой нами схеме возникли колебания тока, необ-ходимо, чтобы r₁ и r₂ были комплексными величинами, т. е. чтобы

1/LC(U’/R+1)>1/4(1/CR+U’/L)² (17)

В этом случае (15) можно представить в виде

i=A₁e^-δt+jωt+ A₂e^-δt-jωt, (18)

г де

δ=1/2(1/CR+U’/L); i=√-1.

При δ < 0 колебания, возникшие в рассматриваемой цепи, будут раскачиваться. При δ > 0 они быстро затухают, и разряд на постоянном токе будет устойчив.

Таким образом, для того чтобы в рассматриваемой схеме в конечном итоге могли установиться незатухающие колебания, надо, чтобы

(1/CR+U’/L)<0. (19)

Так как Р, L и С существенно положительные величины, то

неравенство (19) может быть соблюдено только при условии:

dU/di=U’<0. (20)

Отсюда заключаем, что колебания в рассматриваемом контуре

могут возникнуть только при падающей вольтамперной характе-

ристике разряда.

Исследование условий, при которых r1 и r2 действительны

и оба меньше нуля, приводит к условиям устойчивости разряда

постоянного тока:

(1/CR+U’/L)>0 и (21)

U’/R+1>0. (22)

Условия (21) и (22) представляют собой общие условия

Устойчивости разряда, питаемого постоянным напряжением. Из

(21) следует, что при возрастающей вольтамперной характе-

ристике разряд всегда устойчив.

Объединяя это требование с условием (22), находим, что

при падающей характеристике разряд может быть устойчивым

только при

|U’|

При непосредственном применении формул этого параграфа

к вопросу о генерации колебаний при помощи дуги приходится

брать U' из «средней характеристики», построенной на основании восходящей и нисходящей ветвей динамической характеристики.

При периодическом изменении силы тока в дуге Петрова из-

меняются температура и плотность газа и скорости аэродина-мических потоков. При подборе соответствующего режима эти

изменения приводят к возникновению акустических колебании

в окружающем воздухе. В результате получается так называ-емая поющая дуга, воспроизводящая чистые музыкальные тона.

6. С увеличением давления газа и с увеличением плотности тока температура по оси положительного столба, отшнуровав-шегося от стенок разрядной трубки, поднимается все больше и больше. Процессы ионизации начинают принимать характер, всё более и более соответствующий чисто термической ионизации. Средняя кинетическая энергия электронов плазмы приближается к средней кинетической энергии частиц нейтрального газа. Плазма становится близкой по своим свойствам к изотерми-

ческой плазме. Всё это позволяет решать задачу о нахождении

различных параметров разряда, в том число продольного градиента поля в зависимости от плотности разрядного тока, на основании термодинамических соотношений.

Исходными положениями теории положительного столба дуго-

вого разряда при высоком и сверхвысоком давлении служит уравнение Сага для термической ионизации в виде

α²p=AT^5/2e^-eUi/kT (24)

и теорема Больцмана в виде соотношения

n_a=nge^(-eUa/kT) (25)

Здесь α—степень ионизации, р—давление газа, А—постоянная,

Т—температура газа, U_i—потенциал ионизации, k—постоянная

Больцмана, «n_a —концентрация возбуждённых атомов, n—концен-

трация нормальных атомов, U_a—потенциал возбуждения, g—отно-

шение статистических весов g_a/g_n возбуждённого и нормаль-ного состояния атома. Температура электронного газа принимается равной температуре нейтрального газа. Для упрощения задача учитывает лишь один «усреднённый» уровень возбуждения. Разрядная трубка предполагается расположенной вертикально.В любом другом положении конвекционные потоки газа искажают осевую симметрию режима газа.

Обозначим внутренний радиус разрядной трубки через R1, расстояние какой-либо точки от оси трубки—через r. Проведём

на расстоянии одного сантиметра один от другого два сече-ния, перпендикулярные к оси трубки, и выделим между ними элементарный объём при помощи двух концентрических цилин-дров с радиусами r и r+dr(рис. 8). Обозначим количество энергии, выделяемой разрядом в единицу времени, приходя-щееся на единицу длины трубки, через N1, а количество энергии, приходящееся на рассматриваемый нами элементарный объём,—через dN1. Количество энергии, излучаемой в едини-ц
у времени газом, заключённым

в единице длины всей трубки и

в рассматриваемом элементарном

объёме, обозначим через S1 и dS1.

Внутри трубки существует

н

Рис. 8. Элемент объема в аксиально-сим-метрическом разряде.

епрерывный радиальный поток

тепла через газ по направлению

от оси к стенке. Обозначим че-рез dL1 избыток количества тепла, покидающего в единицу времени рассматриваемый элемент объёма через его внешнюю границу, над количеством тепла, проникающего в тот же объём в единицу времени через его внутреннюю границу со стороны оси трубки. Допустим, что конвекционные потоки газа строго вертикальны и не нарушают теплового режима газа.

Условие теплового баланса рассматриваемого элементарного

объёма напишется в общем виде так:

dN1=dL1+dS1. (26)

Вследствие наличия осевой симметрии все величины, характе-

ризующие состояние газа и режим разряда, одинаковы для

точек, находящихся на одном и том же расстоянии r от оси.

Так как площадь основания рассматриваемого элементарного

объёма равна 2пrdr, то для мощности, выделяемой в этом

объёме, можем написать:

dN₁=2пri_rE_zdr, (27)

нде i_r-плотность тока на расстоянии r от оси, а E_z-про-дольный градиент поля, одинаковый по всему поперечному сечению трубки. Обозначая коэффициент теплопроводности газа при температуре Т через λ_т, напишим для dL₁, пренебрегая членами высшего порядка малости:

dL₁=2п(r+dr)(λ_тdT/dr)_r+dr-2пr(λ_тdT/dr)_r=2пd(rλ_тdT/dr)/dr (28)

Допустим, что излучаемая газом энергия целиком покидает

разрядный промежуток без заметной реабсорбции в газе. Такое

допущение можно сделать потому, что абсорбируемое газом резонансное излучение составляет при большом давлении лишь незначительную долго общего излучения газа. Так как излу-чаемая за единицу временя энергия пропорциональна концен-трации возбуждённых атомов n_a, то для dS₁ можем написать:

dS₁=2пrCn_adr, (29)

где С—постоянный множитель, не зависящий от Т. Подстановка

значений (29) и (28) в (26) даёт:

2пri_rE_zdr=2пd(rλ_тdT/dr)dr/dr + 2пrCn_adr (30)

Пренебрегая малой долей тока, приходящейся на долю поло-

жительных ионов, и обозначая подвижность электронов через К_e, можем написать:

i=n_eeK_eE_z. (31)

Если обозначим правую часть уравнения Сага (24) через f₁(T), а р в левой части заменим через nkТ, где n — концен-трация нейтральных частиц газа, то найдём:

α²= f₁(T)/ nkТ. (32)

n пропорционально массе газа, заключённого в единице длины

трубки, g₁ и обратно пропорционально квадрату радиуса труб-ки R1 и температуре газа в данной точке:

n=C₁g₁/TR₁² (33)

П оэтому вместо (32) можем написать:

α=R₁ √f1(T)/C1k/ √g₁ =R₁f₂(T)/√g₁ (34)

Согласно уравнению Ланжевена скорость движения электрона

в газе в поле напряжённости Е_z равна:

u=K_eE_z=aeλ_eE_z/mv (35)

г де v— средняя арифметическая скорость теплового движения

электронов, прямо пропорциональная квадратному корню из температуры электронного газа, в то время как λ_e обратно пропорционально n. Следовательно,

K_e=C₂/nT^1/2 (36)

Согласно определению величины α:

n_e=αn (37)

Из (31), (34), (37) и (36) следует:

i_r=E_zR_iC₂f₂(T)/g₁^1/2 T^1/2 (38)

где Т—температура газа на расстоянии r от оси. Из (38)

и (27) следует:

dN₁=2пrE_r²R₁C₂f₂(T)dr/g₁^1/2 T^1/2=2пrE_z²R₁f₃(T)dr/g₁^1/2,(39)

Согласно уравнению Больцмана (25):

n_a=nge^(-eUa/kT)=C₁gg₁e^(-eUa/kT)/TR₁²=g₁f₄(T)/ R₁², (40)

где f₄(T)= C₁ge^(-eUa/kT)/T.

Вставляя это значение n_a в (29) и заменяя Сf₄(Т) через f₅(Т), находим:

dS₁=g₁2пrf₅(Т)dr/R₁². (41)

Подстановка (39), (28) и (41) в (26) даёт

E_r²R₁f₃(T)/g₁^1/2=d(rλ_тdT/dr)/rdr+g₁f₅(Т)dr/R₁² (42)

В уравнении (42) f₃(T) и f₅(T), а также λ_т-функции одного только переменного Т. Поэтому (42) представляет собой

дифференциальное уравнение, связывающее переменные Т и r.

Граничными условиями, которым должно удовлетворять решение

этого уравнения, являются: а) при r=R условие Т=Т_ст, где Т_ст — температура стенки разрядной трубки; б) при r=0 условие dT/dr = 0, так как на оси трубки температура газа имеет максимальное значение.

Все величины, характеризующие разряд, являются функциями

от одного только Т. Поэтому решение уравнения (42) могло

бы дать полное решение всех количественных вопросов, связанных с данным типом разряда. Однако значение уравнения (42) заключается главным образом в том, что путём перехода к безразмерным величинам оно приводит к характерным для данного типа разряда законам подобия, позволяющим перено-сить количественные результаты, установленные эксперимента-льно для одних значений N₁, R₁ и g₁ на режим разряда при других значениях этих величин. Этот приём аналогичен тому, который применяется для решения некоторых задач гидродина-мики также лишь на основании анализа дифференциального уравнения и экспериментальных измерений на моделях, постро-енных в соответствии с законами подобия гидродинамики. В данном случае подобными являются два разряда, в которых в соответственных точках, характеризуемых одной и той же величиной отношения r/R₁, температура газа одна и та же.

Практически наиболее существенными являются следующие

два закона подобия:

Первый закон подобия отшнурованного дугового разряда высокого давления. Два дуговых разряда высокого давления в цилиндрических трубках различного диаметра (2R₁ ≠ 2R₁'), наполненных газом так, что на один сантиметр длины той и другой трубки приходится одно и то же количество газа (g₁=g₁’), являются подобными в том случае, если N₁=N₁’,т. е. если расходуемые мощности на единицу длины трубки в обоих случаях одинаковы.

Второй закон подобия отшнурованного дугового разряда высокого давления. Два дуговых разряда высокого давления в парах ртути в цилиндрических трубках различного диаметра (2R₁ ≠ 2R₁'), наполненных парами ртути так, что на один сантиметр длины каждой из трубок приходятся различные коли-чества паров ртути (g₁≠g₁’), являются подобными, если расходуемые на единицу длины каждой трубки мощности N₁ и N₁’ удовлетворяют соотношению

N₁/N₁’=8,5+5,7g₁/8,5+5,7g₁’ (43)

При этом предполагается, что ртуть в разряде полностью перешла в парообразное состояние. Коэффициенты 8,5 и 5,75 определены экспериментально.

К описанному в этой главе типу разряда принадлежит также

и положительный столб (пламя) дуги Петрова, представляющий

собой шнур изотермической плазмы. В этом случае граничные

условия на стенках трубки отпадают и должны быть заменены

условиями в пограничном слое шнура.

В настоящее время, кроме дугового разряда в парах ртути

сверхвысокого давления (до 100 атм и более), исследован и нашёл техническое применение также и дуговой разряд в инер-тных газах Nе, Аr, Кr и Хе при давлениях до 20 атм и выше.

План:

1. ВВедение.

2. Свойства дугового разряда.

1.Образование дуги.

2. Катодное пятно. Внешний вид и отдельные части

дугового разряда.

3. Распределение потенциала и вольтамперная

характеристика при дуговом разряде.

4. Температура и излучение отдельных частей дуювого разряда.

5. Генерация незатухающих колебаний при помощи элек-

трической дуги.

6. Положительный столб дугового разряда при высоком

и сверхвысоком давлении.

1. Применение дугового разряда.

III

1. Современные методы электрообработки. Среди современных технологических процессов одним из самых распространенных является электросварка. Сварка позволяет сваривать, паять, склеивать, напылять не только металлы, но и пластмассы, керамику и даже стекло. Диапазон применения этого метода поистине необъятен — от производства мощных подъемных кранов, строительных металлоконструкций, оборудования для атомных и других электростанций, постройки крупнотоннажных судов, атомных ледоколов до изготовления тончайших микросхем и различных бытовых изделий. В ряде производств внедрение сварки привело к коренному изменению технологии. Так, подлинной революцией в судостроении стало освоение поточной постройки судов из крупных сварных секций. На многих верфях страны сейчас строят крупнотоннажные цельносварные танкеры. Электросварка позволила решить про-блемы создания газопроводов, рассчитанных на работу в северных условиях при давлении 100—120 атмосфер. Сотрудники Института электросварки им. Е. О. Патона предложили ори-

гинальный метод изготовления труб на основе сварочной тех-нологии, предназначенных для таких газопроводов. Из таких

труб со стенками толщиной до 40 миллиметров и собирают высоконадежные газопроводы, пересекающие континенты.

Большой вклад в развитие электросварки внесли советские ученые и специалисты. Продолжая и творчески развивая насле-дие своих великих предшественников—В. В. Петрова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Славянова, они создали науку о теорети-ческих основах сварочной техники, разработали ряд новых технологических процессов. Всему миру известны имена акаде-миков Е. О. Патона, В. П. Вологдина, К. К. Хренова, Н. Н.

Рыкалина и др.

В настоящее время широко применяется электродуговая, электрошлаковая и плазменно-дуговая сварка.

2. Электродуговая сварка. Простейшим способом является ручная дуговая сварка. К одному полюсу источника тока гибким проводом присоединяется держатель, к другому—свариваемое изделие. В держатель вставляется угольный или металлический электрод. При коротком прикосновении электро-да к изделию зажигается дуга, которая плавит основной металл и стержень электрода, образуя сварочную ванну, даю-щую при затвердевании сварочный шов.

Ручная дуговая сварка требует высокой квалификации рабо-чего и отличается не самыми лучшими условиями труда, но с ее помощью можно сваривать детали в любом пространственном положении, что особенно важно при монтаже металлоконстру-кций. Производительность ручной сварки сравнительно невысо-кая и зависит в значительной мере от такой простой детали,

кaк электрододержатель. И сейчас, как и сто лет назад,

продолжаются поиски наилучшей его конструкции. Серию про-стых и надежных электрододержателей изготовили ленинград-ские новаторы М. Э. Васильев и В. С. Шумский.

При дуговой сварке большое значение имеет защита металла шва от кислорода и азота воздуха. Активно взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород и азот атмосферного воздуха образуют окислы и нитриды, снижающие прочность и пластичность сварного соединения.

Существуют два способа защиты места сварки: введение в материал электрода и электродного покрытия различных веществ (внутренняя защита) и введение в зону сварки инертных газов и окиси углерода, покрытие места сварки флюсами (внешняя защита).

В 1932 г. в Московском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта под руководством академика К. К. Хренова впервые в мире была осуществлена дуговая электросварка под водой. Однако еще в 1856 г. Л. И. Шпаковский впервые провел опыт по оплавлению дугой медных электродов, опущенных в воду. По совету Д. А. Лачинова, получившего подводную дугу, Н. Н. Бенардос в 1887 г. про-извел подводную резку металла. Понадобилось 45 лет, чтобы

первый опыт получил научное обоснование и превратился в метод.

А 16 октября 1969 г. электрическая дуга впервые вырва-лась в космос. Вот как об этом выдающемся событии сообща-лось в газете «Известия»; «Экипаж космического корабля «Союз-6» в составе подполковника Г. С. Шонина и бортинжене-ра В. Н. Кубасова осуществил эксперименты по проведению сварочных работ , в космосе. Целью этих экспериментов яви-лось определение особенностей сварки различных металлов в условиях космического пространства... Поочередно были осуществлены несколько видов автоматической сварки». И да-

лее: «Проведенный эксперимент является уникальным и имеет большое значение для науки и техники при разработке техно-логии сварочно-монтажных работ в космосе» ...

3. Плазменная технология. Эта технология основана

на использовании дуги с высокой температурой. Она

включает плазменную сварку, резку, наплавку и плазменно-механическую обработку.

Как повысить производительность дуги? Для этого надо получить дугу с большей концентрацией энергии, т. е. дугу надо сфокусировать. Добиться этого удалось в 1957—1958 гг., когда в Институте металлургии им. А. А. Байкова была созда-на аппаратура для плазменно-дуговой резки.

Как увеличить температуру дуги? Наверное, так же, как повышают давление водяной или воздушной струи,-пропустив ее через узкий канал.

Проходя через узкий канал сопла горелки, дуга обжимается струей газа (нейтрального, кислородсодержащего) или смесью газов и вытягивается в тонкую струю. При этом резко меня-ются ее свойства: температура дугового разряда достигает

50 000 градусов, удельная мощность доходит до 500 и более киловатт на один квадратный сантиметр. Ионизация плазмы в газовом столбе настолько велика, что электропроводность ее оказывается почти такой же, как и у металлов.

Сжатую дугу называют плазменной. С ее помощью осуществля-ют плазменную сварку, резку, направку, напыление и т. п. Для получения плазменной дуги созданы специальные генера-торы — плазмотроны.

Плазменная дуга, как и обычная, бывает прямого и косвен-ного действия. Дуга прямого действия замыкается на изделие, косвенного действия — на второй электрод, которым служит сопло. Во втором случае из сопла вырывается не дуга, а плазменная струя, возникающая за счет нагрева дугой и последующей ионизации плазмообразующего газа. Плазменная струя применяется в основном для плазменного напыления и обработки неэлектропроводных материалов.

Газ, окружающий дугу, выполняет также теплозащитную функцию.

Наибольшую нагрузку в плазмотроне несет сопло. Чем выше его теплостойкость, тем больший ток можно получить в плаз-мотроне косвенного действия. Наружный слой плазмообразу-ющего газа имеет относительно низкую температуру, поэтому он защищает сопло от разрушения.

Значительное повышение температуры плазмообразующего газа в плазмотронах прямого действия может привести к электри-ческому пробою и возникновению двойной дуги — между катодом и соплом и между соплом и изделием. В таком случае сопло обычно выходит из строя.

4. Плазменная сварка. Существуют две конструкции плазмо-тронов. В одних конструкциях газ подается вдоль дуги, при этом достигается хорошее ее обжатие. В других конструкциях газ охватывает дугу по спирали, за счет чего удается полу-чить стабильную дугу в канале сопла и обеспечить надежную защиту сопла пристеночным слоем газа.

В плазмотронах прямого действия дуга возбуждается не сразу, так как слишком велик воздушный промежуток между катодом и изделием. Сначала возбуждается так называемая дежурная, или вспомогательная, дуга между катодом и соплом. Развивается она из искрового разряда, который возникает под действием напряжения высокой частоты, создаваемого осцилля-тором. Поток газа выдувает дежурную дугу, она касается обрабатываемого металла, и тогда зажигается основная дуга. После этого осциллятор выключают, и дежурная дуга гаснет. Если этого не произойдет, может возникнуть двойная дуга.

Зону шва при плазменной сварке, как и при других ее видах, защищают от действия окружающего воздуха. Для этого кроме плазмообразующего газа в специальное сопло подают защитный газ: аргон или более дешевый и распространенный углекислый газ. Углекислый газ часто используют не только для защиты, но и для образования плазмы. Иногда плазменную сварку ведут под слоем флюса.

Плазменно-дуговую сварку можно производить как автомати-чески, так и вручную. В настоящее время этот метод получил довольно широкое распространение. На многих заводах внедре-на плазменная сварка сплавов алюминия и сталей. Значитель-ную экономию дало применение однопроходной плазменной сварки алюминия вместо многопроходной аргонно-дуговой свар-

ки. Сварку ведут на автоматической установке с применением углекислого газа в качестве плазмообразующего и защитного.

IV

В современной жизни применение электрической энергии полу-чило самое широкое распространение. Достижения электротех-ники используются во всех сферах практической деятельности человека: в промышленности, сельском хозяйстве, на транс-порте, в медицине, в быту и т. д. Успехи электротехники оказывают существенное влияние на развитие радиотехники, электроники, телемеханики, автоматики, вычислительной тех-ники, кибернетики. Все это стало возможным в результате строительства мощных электростанций, электрических сетей, создания новых электроэнергетических систем, совершенс-твования электротехнических устройств. Современная электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии, разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое обору-дование, электроизмерительные приборы и средства электро-связи, регулирующую, контролирующую и управляющую аппарату-ру для систем автоматического управления, медицинское и научное оборудование, электробытовые приборы и машины и многое другое. В последние годы дальнейшее развитие получи-ли различные методы электрообработки: электросварка, плазменная резка и наплавка металлов, плазменно механи-ческая и электроэрозионная обработка. Из вышесказанного

видно, что исследование разряда в газе имеет большое значе- ние для общенаучного и технического прогерсса. Следова-тельно, не нужно останавливаться на достигнутом,а необходи-мо продолжать исследования, отыскивая неизвестное, тем самым стимулируя вдальнейшем построение новых теорий.

39

Характеристики

Список файлов реферата