Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (национальный исследовательский университет) (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Факультет ___________Энергомашиностроение_________________ Кафедра____ Плазменные энергетические установки Отчет по лабораторной работе Студент _________Кеворков Артур Львович ___________ (фамилия, имя, отчество) Группа Э8 – 53Б Название дисциплины Плазмодинамика Название лабораторной работы Атмосферный дуговой разряд Преподаватель____Шилов Сергей Олегович_ Фамилия И.О. Москва 2018 ______________ подпись СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ............................................................................... 4 1.1. Основные понятия......................................................................................... 4 1.2. Способы зажигания дугового разряда ........................................................ 6 1.3. Применение дугового разряда. .................................................................... 6 1.4. Питание дугового разряда ............................................................................ 7 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ............................................................................... 11 2.1. Исследование вольт–амперной характеристики (ВАХ) дуги. ............... 11 2.2. Исследование магнитных свойств плазмы ............................................... 13 2.3. Дуга переменного тока ............................................................................... 14 2.4. Лестница Иакова ......................................................................................... 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 17 2 ВВЕДЕНИЕ Цель работы: ознакомится с основными параметрами дугового разряда. Объект исследования – дуговой разряд атмосферного давления Оборудование: источник постоянного и переменного напряжения, вольтметр, амперметр, медные и графитовые электроды, защитные стёкла, балластное сопротивление. Задачи: 1. Познакомиться с понятием дугового разряда. 2. Познакомиться с экспериментальными стендами. 3. Провести эксперимент и проанализировать результаты. 3 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1 Основные понятия Дуговыми разрядами, как правило, называются самоподдерживающиеся разряды, в которых катодное падение потенциала имеет относительно низкое значение порядка потенциала ионизации или возбуждения атома, т.е. порядка 10 эВ [1]. Для дугового разряда характерны большие тока, порядка десятка и сотен ампер. Именно, большие токи и низкое падение напряжения отличают дуговой разряд от тлеющего. Катодные процессы в дуговом разряде сильно отличаются от катодных процессов в тлеющем разряде. Дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счёт термоэлектронной эмиссии. При охлаждении катода дуга горит неустойчиво, периодически гаснет и снова зажигается. Охлаждение анода не вызывает нарушение устойчивого горения дуги. Также, наряду с термоэлектронной эмиссией, для дугового разряда характерна автоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердым телом под действием внешних электрических полей, и термоавтоэлектронная эмиссия. С возрастанием разрядного тока сопротивление дуги R сильно уменьшается из–за увеличения термоэлектронной эмиссии с катода и ионизации газа в разрядном промежутке. При этом сопротивление разрядного промежутка убывает сильнее чем возрастает ток. Вследствие этого, напряжение на разрядном промежутке с увеличением тока не возрастает, а убывает. Таким образом, дуга имеет падающую вольт–амперную характеристику. Для подержания устойчивого горения дуги при случайном изменение тока напряжение на электродах дуги должно быть повышено. С этой целью используют балластное сопротивление. Если в цепи случайно изменится ток, при воздействии каких–либо вешних факторов, напряжение на балластном сопротивление уменьшится и, следовательно, возрастёт на электродах [2]. 4 Существует несколько разновидностей дугового разряда: 1. Дуга с горячим термоэмиссионным катодом. 2. Дуга с холодным катодом. 3. Дуга высокого давления. 4. Дуга сверхвысокого давления. 5 Дуга низкого давления. Для дуги с горячим катодом характерна высокая температура катода, порядка 3000 К и сильный ток дуги получается за счет большой интенсивности термоэлектронной эмиссии. Токовое пятно на катоде занимает сравнительно большую площадь. Плотности тока порядка 102 ÷ 104 А см2 . В качестве материала электродов для данного типа дугового разряда используются тугоплавкие элементы (вольфрам, тантал, молибден). Дуга с холодным катодом. Для данного типа дуги характерны не очень высоки температуры катода, порядка 1000 – 2000 К и, следовательно, небольшая интенсивность термоэлектронной эмиссии. Характерные токи, порядка 1 А. Плотности тока j (104 – 107 А см2 ) Дуга с холодным катодом загорается в виде не яркого катодного пятна, которое бегает по поверхности катода. Дуга высокого давления, (порядка 0,1 – 1 атм.). Столб дуги атмосферного давления – наиболее типичный и распространённый образец плотной, плотной низкотемпературной равновесной плазмы, поддерживаемой электрическим полем. Характерная температура электронов столба дуги, порядка 1000 К. Для дуги сверхвысокого давления характерны значения p больше 10 атмосфер. Дуга низкого давления. Для данного типа дуги характерны давления 10 - 3 – 1 торр, при которых в положительном столбе получается сильно неравновесная плазма (температура электронов много больше температуры ионов). 5 1.2 Способы зажигания дугового разряда 1. Зажигание дуги вследствие пробоя разрядного промежутка. Для данного типа зажигания характерны большие напряжения пробоя, порядка 30 кВ, (что соответствует разрядному промежутку в 10 мм), сравнительно большие разрядные промежутки. 2. Зажигание дуги замыканием. На электроды подаётся небольшая разность потенциалов, далее производится замыкание электродов. Место контакта электродов сильно разогревается за счет джоулевой теплоты. Такой нагрев провоцирует термоэлектронную эмиссию с поверхности контакта электродов, что даёт “толчок” к образованию дуги. 3. Зажигание с помощью проволоки. Электроды замыкаются проволочкой небольшого сечения, и на них подается большой ток разряда. Проволочка сильно нагревается и испаряется, дуга загорается в парах этой проволоки. 4. С помощью дополнительного анода. В промежуток между основными электродами подносится дополнительный анод, и между дополнительным анодом и катодом зажигаются дуга. После этого дополнительный анод плавно убирают и, далее дуга загорается непосредственно между основными электродами. 1.3 Применение дугового разряда. Дуговой разряд нашёл широкое применение в техники, в быту и промышленности. 1. Дуговой разряд, активно применяется в сварке и резанье металлов, так как температура дуги превышает температуру плавления всех известных человечеству металлов. 2. Использование дуги в качестве источника энергии для технологического нагрева газа. 3. Дуговой разряд большой мощности используется в вакуумно – дуговой печи для переплавки заготовок, например, алюминиевых. Между 6 электродами в печи загорается дуговой разряд, который передаёт, свою тепловую энергию материалу, который нужно расплавить. 4. В 20 веке дуговой разряд активно использовался в качестве источника света. Дуга зажигалась между электродами и ярко светилась. Для того, чтобы сконцентрировать излучение, создаваемое дугой, вся конструкция, которая поддерживает горение дуги помещается в рефлектор (линза), который собирает и концентрирует излучение, направляя его в одну сторону. Описанный источник света в настоящее время не находит широкого применения, из-за высокого энергопотребления. 1.4 Питание дугового разряда В качестве питания дугового разряда используется как переменное напряжение, так и постоянное. Для создания постоянного напряжения, применяются выпрямители на основе полупроводниковых диодов. Полупроводниковый диод – это электронный прибор, изготовленный из полупроводниковых материалов, который пропускает ток в одну сторону, но не пропускает в другую. Полупроводниковый диод может применятся для выпрямления переменного синусоидального электрического тока. Нужно отметить, что для выпрямления переменного тока не используют один диод, так как на выходе из него сигнал получается не пригодным для использования. Характер напряжения на выходе при использование одного полупроводникового диода представлен на рисунке 1. Рисунок 1 — Характер изменения напряжения при использование одного диода 7 Видно, что диод “обрубает” нижнюю часть синусоиды, и там, где ток должен идти в обратном направлении до выпрямления, после выпрямления просто отсутствует. Такой вид электрического сигнала не желателен для использования. Для решения этой проблемы применяю диодные мосты. Электрическая схема диодного моста представлена рисунке 2. Рисунок 2 — Электрическая схема диодного моста Напряжение на выходе из диодного моста выглядит следующим образом. Рисунок 4 — Характер изменения напряжения при использование диодного моста 8 Видно, что картина сигнала на выходе другая, так как при смене полярности на входе в схему, например, при положительном потенциале верхнего конца входа, ток будет четь в сторону верхнего конца выхода через диод 2 и конец выхода, обозначенный значком плюс будет под положительным потенциалом, при этом диод 1 препятствует протеканию тока. При смене полярности (положительный вход – нижний) ток через диод 2 не потечёт, а потечёт в через диод 3, и верхний конец выхода опят окажется по положительным потенциалом. Нижний конец выхода всегда будет находится под отрицательным потенциалом, так как ток при любой полярности входного сигнала будет вытекать из нижнего конца выхода в соответствие с расположением диодов 4 и 1. Для сглаживания напряжения на выходе из диодного моста применяют конденсаторы либо катушки индуктивности, которые накапливают и отдают свою энергию. Конденсатор подключают параллельно, а катушку индуктивности последовательно в выходную цепь. Картина зависимости напряжения на выходе из диодного моста при использование конденсатора представлена на рисунке 5. Рисунок 5 –— Характер изменения напряжения при использование сглаживающего конденсатора 9 Для выпрямления трехфазного тока используется схема Ларионова, рисунок 6, которая также основана на использовании полупроводниковых диодов. Рисунок 6 — Схема Ларионова Данное устройство состоит из шести диодов, по паре диодов на каждую фазу. Ток в данной схеме протекает от фазы с наибольшим потенциалом через нагрузку к фазе с наименьшим потенциалом. Оставшаяся фаза ни к чему не подключена. Ток проводят два диода из шести, остальные 4 заперты. 10 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Было проведено четыре опыта. В первом опыте исследовали зависимость вольт–амперной характеристики дугового разряда от величины балластного сопротивления и материала электродов. Во втором опыте определяли влияние магнитного поля на плазму. В третьем опыте зажигание дуги проводилось замыканием, причем, в качестве источника питания использовалась переменное напряжение 220 В. В последнем эксперименте наблюдалось такое явление, как лестница Иакова. 2.1 Исследование вольт–амперной характеристики (ВАХ) дуги. В первом опыте наблюдали дуговой разряд с двумя разными электродами и снимали ВАХ. Электрическая схема представлена экспериментального стенда представлена на рисунке 7. 1 — графитовые электроды; 2 — медные электроды; Rб — балластное сопротивление Рисунок 7 – Электрическая схема экспериментального стенда для первого эксперимента 11 Первый тип электродов – графитовые. Второй тип – медные. Для каждого электрода эксперимент проводился с тремя значениями силы тока, 15, 30, 45 А, которые показывают максимальный ток который может протечь через балластное сопротивление. Полученные значения были записаны в таблицы. Таблица 1 – зависимость напряжения от силы тока на графитовых электродах Значения силы тока, А 𝑈, B 𝐼, A 15 30 45 34 6 40 12 38 10 Таблица 2 – зависимость напряжения от силы тока на медных электродах Значения силы тока, А 𝑈, B 𝐼, A 15 30 45 31 7,4 35 13,2 36 17,4 При проведение опыта с графитовыми стержнями, дуга имела ярко выраженный жёлтый оттенок. В опыте с медным электродами дуга имела ярко выраженный зеленый цвет, что объясняется горением дуги в оксиде меди. Также, нужно обратить внимание на характер разрушения графитовых электродов. Было замечено, что активнее разрушался анод, что на первый взгляд странно, так как наиболее сильно эрозия заметна на катоде из – за соударения положительных ионов с катодом, которые разрушают активнее электронов. Это явление объясняется тем, что нагретый графит минут жидкую стадию сублимирует, испаряясь с поверхности анода и катода, но так как анод находился внизу, то графит в газообразной фазе поднимался вверх и оседал на катоде и отвердевал (процесс десублимации). Таким образом скорость десублимации превышала скорость эрозии катода, что объясняет описанный эффект. 12 2.2 Исследование магнитных свойств плазмы Во втором эксперименте экспериментально определяли влияние магнитного поля на плазму. Схема экспериментального стенда представлена на рисунке 8. 1 — электроды; 2 — термостойкий керамический изолятор; 3 — зона горения дуги; 4 — направление силовых линий магнитного поля; 5, 6 — спички Рисунок 8 – Схема лабораторной установки второго опыта Между электродами экспериментального стенда зажигался дуговой разряд, сам стенд находился под магнитным полем, создаваемым двумя 13 постоянными магнитами. После образования дуги наблюдался поджёг спички 5. При смене полярности загоралась спичка 6. Механизм воспламенения спичек очень прост. Когда образуется дуга, в пространстве 3 образуется плазма, которая сама по себе является квазинейтральной, состоящая из положительный ионов, электронов и нейтральных атомов. Образовавшиеся электроны и ионы, испытывают влияние магнитного поля, и как следствие силы Лоренца. По правилу левой руки легко определить направление их движения, при положительном левом электроде и отрицательном правом (см. рисунок 2) электроны и ионы вылетаю в сторону где находится спичка 5. При смене полярности электродов направление движения плазмы меняется на противоположное, и зажигается спичка 6. Поджёг спички осуществляется за счет высокой температуры плазмы дугового разряда. После проведения эксперимента, был сделан вывод, что плазма – диамагнетик, так как выталкивается магнитным полем. 2.3 Дуга переменного тока В третьем опыте дуговой разряд создавался переменным напряжением. Поджёг дуги осуществлялся замыканием двух электродов и последующей их разводкой. Как видно из опыта дуговой разряд успешно горит при переменном напряжение. Это объясняется тем, что синусоидальное напряжение, подаваемое на электроды имеет высокую частоту колебания 50 Гц. Известно, что дуговой разряд, главным образом поддерживается термоэлектронной эмиссией, поэтому катод должен иметь высокую температуру. При такой большой частоте, катод просто не успевал охладится и интенсивность термоэлектронной эмиссии почти не изменялась. Поэтому, во–время переполюсовки электродов дуга поддерживалась термоэлектронной эмиссией и не гасла. В качестве балластного сопротивления использовался электрический чайник с водой, который подогревал воду за время существования дуги, что говорит о том, что ток в цепи был довольно большой. Поэтому, дуговой разряд горит только на тугоплавких электродах. 14 2.4 Лестница Иакова В четвёртом опыте наблюдалось, такое интересное явление как лестница Иакова. В данном опыте на электроды подавалось высокое переменное напряжение, порядка 15 кВ, так как поджёг дуги осуществляется пробоем. В качестве источника питания использовались две батарейки типа крона по 9 В каждая. Инвертор преобразовывал напряжение в переменное, которое подавалось на первичную обмотку трансформатора строчной развёртки. Дуга загоралась в самой нижней части электродов, где расстояние между ними было наименьшее. Далее дуга поднималась вверх по непараллельным электрода и срывалась из–за увеличения расстояния между электродами. Данный эффект объясняется тем, что на дугу действует архимедова сила, которая выталкивает её вверх по направлению увеличения расстояния между электродами из–за разности объёмов холодного и нагретого вокруг дуги воздуха. Так как электроды не параллельны, то расстояние между ними растёт, следовательно, растет длина разрядного промежутка и дуга срывается. 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной лабораторной работе мы познакомились с понятием дугового разряда и определили характерные для данного типа разряда параметры (большие токи и не большие напряжения). Было проведено четыре опыта, результаты которых удалось объяснить теорией дугового разряда. В конце лабораторной работы удалось поработать плазменным резаком, и нарезать угловой профиль. Плазменные резаки широко применяется в промышленности для резания металлов с различной прочностью и температурой плавления. Хотя угловая шлифовальная машина имеет значительный перевес над плазменным резаком по скорости резания металла, но её применение ограничивается, если нужно вырезать отверстие по кривой траектории. Для таких целей используют плазменный резак. 16 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. 2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учеб. пособие: Для вузов. В 5 т. Т. 3. Электричество. 5-e изд., стер. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 656 с. 17
