Основные параметры плазмы

Элементарные процессы в плазме дуги

Вольт-амперная характеристика дуги

Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ≠ const), так как число заряженных частиц в нем зависит от интенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика газового разряда обычно является нелинейной.

Рисунок 2.5 – Вольт-амперные характеристики сварочных дуг

В зависимости от плотности тока вольт-амперная характеристика дуги может быть падающий, пологой и возрастающей (рисунок 2.5). В области I при малых токах (примерно до 100 А) с увеличением тока дуги I_д интенсивно возрастает число заряженных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение U_д; вольт-амперная характеристика дуги является падающей.

В области II при дальнейшем росте тока и ограниченном сечении электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная характеристика является пологой. Первые две области (рисунок 2.5) описывают сварочные дуги с так называемым отрицательным электрическим сопротивлением.

Падающая и пологая вольт-амперные характеристики сварочных дуг типичны для ручной дуговой сварки штучными электродами с покрытием (РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварки, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и дугой под флюсом (ДФ).

Сварка при высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют области III (рисунок 2.5). Они характеризуются сильным сжатием столба дуги и возрастающей вольт-амперной характеристикой, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.

В сильноточных сжатых дугах степень ионизации газа в столбе дуги может достигать значений, близких к 100 %, термоэмиссионная способность катода оказывается исчерпанной. В этом случае увеличение тока практически уже не может изменить числа заряженных частиц в дуге. Ее сопротивление становится положительным и почти постоянным (R ≈ const). Высокоионизированная сжатая плазма по электропроводности близка к металлическому проводнику и для нее справедлив закон Ома.

Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами плазмы являются положительные ионы (газовая плазма) и дырки (плазма твердого тела), а отрицательно заряженными частицами – электроны и отрицательные ионы.

Состав нейтрального компонента плазмы может быть достаточно сложным: помимо атомов и молекул, находящихся в нормальном состоянии, в плазме в гораздо большем количестве могут присутствовать атомы и молекулы в различных возбужденных состояниях. Но поскольку плазма – это ионизированный газ, для ее описания используются те же понятия, что и для обычного газа.

Введем основные параметры плазмы, исходя из простых молекулярно-кинетических представлений. Прежде всего необходимо знать концентрацию (плотность) частиц разного сорта n_α, м^-3 (индекс α означает сорт частиц). Далее все величины, относящиеся к электронам плазмы, будем обозначать с индексом е, к ионам – с индексом i, а к нейтральным частицам – с индексом а. Если в плазме присутствуют ионы нескольких сортов, следует задавать отдельно концентрацию ионов каждого сорта. Состав плазмы удобно также характеризовать безразмерным параметром – отношением концентрации электронов к сумме концентраций нейтральных частиц и электронов, или степенью ионизации

.

По степени ионизации плазму обычно подразделяют на слабо ионизированную (χ < 10^-3) и полностью ионизированную (χ → 1), т. е. плазму, состоящую только из заряженных частиц.

Частицы, образующие плазму, находятся в состоянии хаотического теплового движения. Для характеристики этого движения вводят понятие температуры плазмы в целом Т или отдельных ее компонентов – частиц сорта (α - Т_α). Температура плазмы вводится в предположении, что плазма в целом назодится в состоянии термодинамического равновесия, а функции распределения частиц всех сортов по скоростям v являются максвелловскими с одной и той же температурой Т; в этом случае плазма называется изотермической. Гораздо чаще в плазме имеется частичное термодинамическое равновесие, когда отдельные ее компоненты имеют максвелловские распределения по скоростям с различными температурами. Такая плазма является неизотермической.

Рисунок 2.6 – Функция Максвелла – Больцмана распределения электронов в плазме по скоростям

Распределение электронов по модулям скоростей описывается выражением:

(3.1)

где k – 1,38*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т_е – температура плазмы, К;

v – скорость хаотического теплового движения электронов, м/с.

График функции f_e(v) приведен на рисунке 2.6. Аналогичный вид имеют функции распределения по скоростям и для других частиц. Максимум функции f_e(v) определяет наиболее вероятную скорость

(3.2)

Средняя тепловая скорость электронов

(3.3)

Для средней квадратичной скорости получаем

(3.4)

В случае максвелловской функции распределения (3.1) температура Т_е характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения электрона :

(3.5)

Поскольку температура и средняя кинетическая энергия теплового движения частиц тесно взаимосвязаны, в физике плазмы принято выражать температуру в единицах энергии, например в электронвольтах. Температура Т_эВ, выраженная в электронвольтах, связана с соответствующей температурой Т, выраженной в кельвинах, соотношением

(3.6)

Рассчитаем, какая температура Т (в кельвинах) соответствует температуре Т_эВ = 1 эВ:

(3.7)

Необходимо отметить, что средняя кинетическая энергия частицы

равна, а не Т_эВ.

Часто пользуются понятием температуры плазмы и в тех случаях, когда функция распределения частиц (сорта α) отличается от максвелловской, понимая под температурой Т_α величину, определяемую соотношением (3.5).

Плазму газового разряда часто называют низкотемпературной. Ее температура обычно не превышает 10⁴…10⁵ К, а концентрация заряженных частиц n_e ≈ n_i ≈ 10⁸…10¹⁵ см^-3, причем такая плазма практически всегда слабо ионизирована, так как концентрация нейтральных частиц n_a ≈ 10¹²…10¹⁷ см^-3. В плазме сильноточного дугового разряда Т ≈ 10⁴…10⁵ К, а концентрация заряженных частиц n_e ≈ n_i ≈ 10¹⁸…10²⁰ см^-3 при практически полной ионизации.