Строение сварочной дуги. Процессы, проходящие в различных участках дуги. Потенциал ионизации элемента.

Рисунок 3.1 - Строение сварочной дуги

А - анод; К - катод; 1 -электрод; 2 - свариваемая деталь; 3 - катодное пятно; 4 - катодная область; 5 - столб дуги; 6 - анодная область; 7 - анодное пятно; U_к- падение напряжения в катодной области; U_а- то же, в анодной области; U_ст- то же, в столбе дуги; l_ст- длина столба дуги; U_д- напряжение дуги

Катодная область.В катодной области текут два противоположно направленных потока: электронов и положительно заряженных ионов. Излучаемые катодом электроны поступают в столб дуги, не сталкиваясь на своем пути в пределах катодной области с атомами газа. Положительные ионы падают на катод, при этом они нейтрализуются и тормозятся с выделением большого количества тепла, приводящего к нагреву и плавлению электрода. Падение напряжения в катодной области V_к составляет 10 - 20 В, напряженность электрического поля 10⁶ В/см. Протяженность катодной области l_к равна 10^-4 – 10^-5 см. Следует отметить, что электроны излучаются не всей поверхностью катода одновременно, а отдельными его участками. Такие участки катода, излучающие электроны, называются катодными пятнами. Местоположение этих активных пятен с большой скоростью все время меняется.

Столб дуги. Этот участок дуги представляет собой частично ионизированный газ, содержащий атомы, свободные электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы. Такой, хотя бы частично ионизированный, газ называется плазмой. Плазменный столб дуги считается в целом электрически нейтральным: в каждом его сечении одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположного знака. В столбе дуги идут два взаимоуравновешенных процесса: с одной стороны ионизация, с другой - рекомбинация, сопровождаемая выделением электромагнитных излучений, за счет которых происходит нагрев содержащегося в столбе газа. Напряженность электрического поля в столбе дуги невелика и составляет всего 10 - 50 В/см.

Анодная область. В анодной области, расположенной у положительного электрода, имеет место направленный поток электронов. Этот поток течет от столба дуги к поверхности анода, называемой анодным пятном. Анодное активное пятно, в отличие от катодного пятна, имеет существенно большие размеры и малую подвижность. Поток электронов падает на анодное пятно, нейтрализуется и тормозится с выделением тепловой энергии, приводящей к сильному нагреву анодного пятна и, как следствие, к плавлению свариваемой детали (или электрода). Падение напряжения в анодной области U_а составляет 4 - 6 В, напряженность электрического поля 10⁴ В/см. Протяженность анодной области l_а: равна 10^-3 – 10^-4 см.

Потенциал ионизации.

Возникновение заряженных частиц в объеме нейтрального газа возможно лишь при переходе нейтральных атомов и молекул в заряженные ионы и электроны.

Электрон - отрицательно заряженная частица, масса которой меньше массы наиболее легкого атома водорода в 1840 раз. Заряд электрона е = 1,59∙10^-19 кулона.

Обладание большим зарядом при малой массе, делает электрон чрезвычайно подвижной заряженной частицей и газах, весьма чувствительной ко всякого рода электромагнитным воздействиям. В результате отмеченных особенностей электрон играет наиболее важную роль в процессе дугового разряда.

Ион представляет собой атом или молекулу, у которых отняты или к которым присоединены один или несколько электронов. В первом случае ион будет иметь положительный электрический заряд, во втором - отрицательный. Величина заряда иона численно будет равна величине заряда электрона, если отнят или присоединен один электрон. Масса иона отличается от массы нейтрального атома или молекулы па величину массы электрона, который в несколько тысяч раз легче атома. Поэтому можно считать, что масса иона практически равна массе атома или молекулы, из ко­торых ион получен.Ионы гораздо менее подвижны, чем электроны, так как заряд их равен заряду отнятого электрона, в то время как масса на несколько порядков превышает массу электронов.

Согласно существующим представлениям атом изображается в виде положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него но орбитам с определенными радиусами электронов. Распределению электронов по орбитам соответствует вполне определенная внутренняя энергия атома.

Состояние атома, отвечающее наименьшему запасу энергии называют основным (нормальным) состоянием. В этом состоянии атом представляет собой некоторую устойчивую систему, способную, однако, поглощая иод влиянием внешнего воздействия определенные порции энергии, переходить в неустойчивое возбужденное состояние. В возбужденном состоянии атом пребывает недолго (миллиардные доли секунды): он возвращается в свое нормальное состояние, излучая при этом квант энергии. Возбужденное состояние определяется переходом электрона на орбиту с более высоким уровнем энергии, связанным с удалением от ядра, а следовательно, и с ослаблением связи с ним. Если же электрон под влиянием внешнего воздействия удаляется от ядра настолько, что он вовсе теряет с ним связь, атом фактически распадается на положительно заряженный ион и отрицательный электрон.

Процесс образования противоположно заряженных частиц путем разрушения нейтральных атомов и молекул называют ионизацией.

Таблица 1 - Значения первых потенциалов ионизации различных элементов

Значения потенциала ионизации элементов зависят от строения атома, то есть от его места в периодической системе элементов. Они представляют собой периодическую функцию атомного номера элемента Z и снижаются с уменьшением номера группы и увеличением номера периода