Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 15
Текст из файла (страница 15)
2.23. Зависимость плотности термоавтоэлектронного тока / для катода из вольфрама от электрической напряженности поля у катода с учетом эффекта Шоттки (заштрихована область реальных плотностей тока в сварочных дугах; ЬР— изменение работы выхода) Формула Ричардсона — Дэшмана получена в предположении отсутствия электрического поля на эмитируюшей поверхности. В случае дугового разряда у поверхности катода за счет пространственного заряда создается сильное электрическое поле напряженностью Е„, которое приводит к снижению высоты потенциального барьера и снижению работы выхода (за счет эффекта Шоттки) на Влияние ускоряющего поля (эффект Шоттки) становится сущест- 4 6 венным при напряженности электрического поля Е„= 10 ...1О В/см (рис.
2.23), и выражение для плотности тока термоавтоэмиссии (выражение Ричардсона — Шоттки) будет иметь вид В условиях сварочной дуги электроны, эмитированные катодом, встречают нейтральные атомы столба дуги и ионизируют их на пути своего пробега. При этом создается положительный пространственный заряд ионов, который увеличивает напряженность ускоряющего поля перед катодом.
Пример 2.6. Найти отношение плотностей тока термоавтоэлектронной эмиссии и термоэлектрониой эмиссии, если 1/„10...20 В (ширину католной зоны принять Ы, = Л, = 10 см). Решеива Напряженность поля (считаем Е„=- солзО при грубой оценке будет Равна 20/10 = 2 10 В/см. Принимая температУРУ катода Т = 3000 К, что близко к Т железа, получаем 4 39 ~Е„ /Т= 0,3; у /у =евд =1,3. В действительности Е„ распределено У катода неравномерно и, ло Маккоуву, еще зависит от доли ионного тока и /„.
Поэтому, вероятно, Е„ может достигать 10 ...1О В/см, что дает увеличение / / /' до 1Оз„10а (см. Рис. 2.23). Шероховатость поверхности катода может также значительно изменить отношение/ //' Автоэлектронная эмиссия. На холодных катодах при очень сильных электрических полях напряженностью Е„в диапазоне 5 1 ... В/см наблюдается электронная эмиссия, быстро воз- 10 ...1О растающая с увеличением Е„, а также с появлением поверхностных дефектов, имеющих заострения и шероховатости. В этих условиях электроны проходят сквозь узкий барьер непосредственно с уровня Ферми и ниже без затраты энергии. Эти переходы носят название туннельных и объясняются волновыми свойствами электронов. Длина волны де Бройля для электрона Хв равна Связь между плотностью тока автоэлектрон ной эмиссии ,/ам см и напряженностью электрического поля Е„, В/см, может быть определена по формуле Фаулера — Нордгейма Е2 (' 3/2 / =1,54 10 — "ехр -6,8 10 —, (р ~ Е„, где ~р — работа выхода электронов, В.
Фотоэлектронная эмиссия. При поглощении эмиттером светового и злучения могут появиться электроны настолько большой эне гии, чт ргии, что некоторые из них преодолевают барьер и оказываются эм итированными. Это явление известно под названием внешнего фотоэффекта, Втв рнчяая электронная эмиссия.
Приближающийся к металлу ион нейтрализуется. Нейтрализация положительного иона осуШествляется присоединением к нему одного из электронов мет алотрицательного — передачей металлу лишнего электрона. Вторичная электронная эмиссия считается возможной в следующих случаях: при «потенциальном» вырывании электрона медленными ионами, когда еУ; > 2Ф; при «кинетическом» вырывании путем нагрева в месте удара молекулы или иона. Для щелочных металлов обычно еУ, < 2Ф, поэтому для них «потенциальное» вырывание невозможно, а для ионов Аг, Не, Н (еУ; > 2Ф) — возможно.
Коэффициент выхода электронов эмиссии на один нон трудно определить. Он зависит от ряда факторов, в том числе от энергии ионов и изменяется в широких пределах. В обычных сварочных дугах вторичной эмиссией электронов за счет бомбардировки ионами, возбужденными атомами, а также фотоэлектронной эмиссией можно пренебречь, поскольку они играют, видимо, незначительную роль в балансе энергии. 2.6.2.
Катодная область Классификация дуг по катодным процессам. В зависимости от внешних условий и параметров режима дуги она может существовать преимущественно в парах материала катода либо в газовой среде. К дугам в парах материала катода относятся: так называемая вакуумная дуга, когда она не только в катодной области, но и во всем пространстве горит в парах материала катода; дуга с плавящимся электродом, которая устойчиво существует как при низком давлении (< 1О Па), так и при атмосферном и более высоком давлениях. К дугам в газовой среде относятся дуги с неплавящимися или слабо испаряющимися, но интенсивно охлаждаемыми электродами.
Возможны случаи, когда дуга в катодной области существует в газовой среде, а в анодной области — преимушест- Ь венно в парах материала анода. По характеру процессов, протекаю- щих в катодной области, сварочные д дуги условно можно разделить на три типа. б 1.
Дуги с неплавящимся тугоплавким катодом, существующие в инертных газах атмосферного давления при катодного пятна (а) и с катодиым пятном (о) (Ь— относительно небольших токах. Они вылет электрода 1 — дли характеризуются сильно сжатым стол- вылет электрода; „— дли- „д,п,) бом дуги у катода с неподвижным в 84 1О 0 0 100 200 300 400 Гд, А Рис. 2.25. Вольт-ампериые характеристики и вьщелеиие теплоты иа аноде и катоде длд %-дуг с катодным пятном (крестики) и без пятна (кружочки) 85 пространстве явно выраженным катодным пятном, в котором )' 5 2 ос1игает 10 А)см (рис. 2.24). В этих дугах значительную роль играет термоавтоэлектронная эмиссия пятна. 2.
Дуги с неплавлщимся тугоплавким катодом без явно выраэ1сеппога катодного пятна. Если постепенно увеличивать ток, то дугарасширяетсяу катода и )' падает в 10 — 100 раз — примерно до З 2 10 А/см . Температура катода увеличивается, и катодное пятно исчезает. Следует отметить, что а дугах с тугоплавким катодом доминирующим механизмом эмиссии электронов с поверхности катода является термоэлекгронная эмиссия, поэтому такие катоды называются термоэмиссионными или горячими.
Катодное падение потенциала Ук термоэмиссионных катодов, как правило, меньше Ц защитного газа. Размер катодной области составляет ак = -2 = (2...3)Л« = 1О мм. Сравнение вольт-амперных характеристик обеих дуг (рис. 2.25) показывает, что с увеличением тока (свыше 200 А) обе дуги дают возрас- и„в тающую ветвь с положительным сопротивлением. Причем 18 дуга без катодного пятна ус- 1 х тойчиво существует при меньшем напряжении и мень- , „ „.
" напряжение шем У„, чем дуга с катодным пятном. 12 3. Дуги с так называемым холодным катодом (обычно Теплота иа аноде из не тугоплавких метал- 80 лов — Ме-дуги) с незначительной термоэмиссией при Т„„„ = 3013 К). Им свойственна со- 2 ~ 20 вокупность достаточно большого числа разрозненных не- стационарных катодных пятен, совершающих быстрое хаотическое движение по поверхности катода. Температура и плотность тока (достигающая 10 ...10 А/см ) в нестационарных катодных пятнах намного вы- 6 7 2 ше, чем в стационарных катодных пятнах дуг с иеплавящимся тугоплавким катодом.
В то же время остальная часть катода относительно холодная. Такое поведение катодных пятен характерно для вакуумных дуг и на определенных режимах — для сварочных дуг с плавящимся электродом при атмосферном давлении. Как правило, катод интенсивно испаряется, что позволяет отнести эти дуги к дугам в парах металла. Катодное падение потенциала 1/к для Ме-дуг обычно больше, чем для дуг с неплавящимся катодом; оно соизмеримо с потенциалом нонизации паров металла электродов и составляет 10...20 В; размер катодной области 7/к = 10 мм соизмерим с пробегом иона.
Структура катодной области. В катодной области существует скачок потенциала, называемый катодным падением потенциала 1/к, н происходит генерация н перенос заряженных частиц между катодом и столбом дуги. Роль катодного падения потенциала сводится к следующему: — ускорение ионов, движущихся к катоду; — обеспечение достаточно высокой эмиссии электронов благодаря повышенной температуре поверхности, бомбардируемой ионами; — создание у поверхности катода сильного электрического поля, снижающего работу выхода электронов и таким образом облегчающего эмиссию; /;/7;/', / =/;(7)+/7(7) — ускорение эмитирован- ионов и электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
