Дуговой разряд и его применение

Если после зажигания искового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (см. приложение 1.5). При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую проводимость.

Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Профессор физики Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров, открывший в 1802 г. эту важную форму газового разряда, получил электрическую дугу, раздвигая два кусочка древесного угля, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединённые к мощной батарее гальванических элементов. Он обнаружил, что при этом между концами углей возникает ярко светящийся столб газа, а сами угли раскаляются до ослепительного свечения.

В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами, изготовленными прессованием порошкообразного графита и связующих веществ (дуговые угли). Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое «кратером дуги». Его температура при атмосферном давлении равна около 4000 К, а при давлении в 20 атм превышает 7000 К, т.е. больше температуры внешней поверхности Солнца (около 6000 К).

Что же является основной причиной большой электропроводности газа в дуговом разряде? Установлено, что хорошая электропроводность дуги поддерживается за счет высокой температуры отрицательного электрода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии. Это хорошо подтверждается тем фактом, что во многих случаях устойчивую дугу можно получить только при условии, что катод имеет высокую температуру, температура же анода не имеет существенного значения. Так, например, если одним из электродов дуги сделать угольный стержень, а другим - массивную, хорошо охлаждающуюся медную пластину и перемещать угольный стержень возле пластины (чтобы она не могла разогреться), то устойчивая дуга возникает только при отрицательном угле. Если же отрицательным полюсом служит пластина, то дуга периодически зажигается и снова гаснет, а получить её устойчивое горение нельзя. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падение потенциала.

Наряду с рассмотренными выше термоэлектронными дугами наблюдаются и дуговые разряды при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).

Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света». В «свече Яблочкова» угли были расположены параллельно и разделены изогнутой прослойкой, а их концы соединены проводящим «запальным мостиком». Когда ток включался, запальный мостик сгорал и между углями образовывалась электрическая дуга. По мере сгорания углей изолирующая прослойка испарялась.

Многочисленные исследования электрических дуг с холодными электродами показывают, что источником мощной электронной эмиссии с катода является небольшое, ярко светящееся и непрерывно движущееся пятнышко на катоде, всегда возникающее в подобных дугах (катодное пятно). Плотность тока в катодном пятне огромна и может достигать 10¹⁰-10¹¹ А/м². Причина образования катодного пятна заключается в сильном увеличении концентрации положительных ионов у катода, которое создает очень сильное местное электрическое поле, вызывающее мощную автоэлектронную эмиссию. Поэтому электрические дуги с холодными катодами иногда называют автоэлектронными дугами. Катодное пятно может возникнуть не только у поверхности ртути, но и у любого металлического твердого электрода.

Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Электрическая дуга широко применяется в проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания.

В качестве источников света употребляют также дуговые лампы высокого давления. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.

В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным угольным электродом и металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод Бенардос применил для резания металлических пластин и получения в них отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.