Для существования дуги весьма важны процессы, происходящие у катода дуги в газе, непосредственно примыкающем к катоду. На катоде происходит эмиссия электронов, дающих начало дуге. Эмиссия может быть термоэлектронной или автоэлектронной; первая имеет решающее значение при очень высоких температурах катодного пятна.
Таблица V.I
Из электронной теории металлов известно, что в металле всегда имеется большое число свободных электронов, движущихся в разных направлениях между узлами кристаллической решетки. Когда какой-либо электрон приближается к поверхности металла, то он может вылететь в окружающее пространство, если его скорость достаточно велика. При этом электрон должен преодолеть силы притяжения со стороны положительных ионов, находящихся в металле, и затратить энергию, которая называется работой выхода. Значение работы выхода для некоторых металлов дано в табл. V.I.
Работа выхода уменьшается, если на поверхности металла имеется адсорбированная пленка газа, загрязнение и т. п. Зная работу выхода, можно вычислить число электронов, излучаемых в единицу времени с единицы поверхности металла. Эти вычисления привели к выражению для плотности тока (а/сма) термоэлектронной эмиссии в таком виде:
(V.8)
где А — универсальная постоянная, одинаковая для всех металлов, равная 120,4; b — постоянная, зависящая от работы выхода, равная 1,16-10' φ (здесь φ—работа выхода).
Для различных металлов, таких как медь, железо, вольфрам, параметр b имеет значения, лежащие в пределах (5,0-:-3,5) · Ι04. Плотность тока на катодном пятне по данным опытов имеет значения, приведенные в табл. V.2.
Таблица V.2
Материал | г, а/см1 |
Графит .... | 2800 |
Медь | 3000 |
Вольфрам . . . | 3700 |
Железо .... | 7200 |
Эта плотность тока в случае материалов с высокой температурой испарения (графит, вольфрам) может быть объяснена с точки зрения уравнения (V.8). У таких материалов, как медь, железо и других металлов с относительно невысокой температурой испарения, термоэлектронная эмиссия не может объяснить полученную из опыта плотность тока на катоде. Для объяснения ее предлагается другой механизм излучения электронов из катода — автоэлектронная эмиссия. Как известно, около катода имеется область катодного падения, где напряженность электрического поля весьма велика. Для автоэлектронной эмиссии можно получить зависимость, аналогичную (V.8):
(V.9)
где Е — напряженность поля у катода.
Расчеты показывают, что автоэлектронная эмиссия в действительности начинается при напряженности поля на 1—2 порядка более низких, чем следует из уравнения (V.9). Но надо принять во внимание, что автоэлектронная эмиссия в случае дуги возникает при достаточно высокой температуре катодного пятна, когда влияния электрического поля и температуры накладываются друг на друга. Для этого случая была предложена полуэмпирическая формула следующего вида:
(V.10)
где а — коэффициент, определяемый экспериментально.
При Т = 0 формула (V.10) обращается в (V.9), а при Е = 0 — в (V.8). То обстоятельство, что уравнение (V.10) полуэмпирическое, и для пользования им необходимо знать коэффициент а, не являющийся универсальным, и напряженность поля в области катодного падения, делает применение этого уравнения ненадежным. Поэтому делаются попытки найти другое объяснение высокой плотности тока на катодах с низкой температурой испарения (Сu, Fe, А1 и пр.).
Одной из таких попыток является объяснение высокой плотности тока на катоде сужением дуги при подходе к катоду. Это сужение заметно на многих фотографиях дуги.
Стройная математическая теория сужения дуги была разработана Вейцелем, Ромпе, Шеном и далее развита их последователями. По этой теории низкое катодное падение дуги определяется не эмиссией электронов из катода, а сужением дуги к катоду. Благодаря сужению плазма ствола дуги приближается к катоду, а это приводит к тому, что перенос токаев этой области в подавляющей части осуществляется положительными ионами. Теория дает возможность правильно определить величины катодного падения и плотности тока на катоде.
Теория сужения еще не получила общего признания и против нее выдвигаются некоторые возражения. Можно, например, указать, что в некоторых условиях сужение дуги у катода не наблюдается. С таким положением мы сталкиваемся при очень больших токах, когда катодное пятно охватывает всю поверхность катода.
Процессы у анода играют значительно меньшую роль в дуге. У анода можно также заметить некоторое сужение, однако оно меньше, чем у катода. В противоположность катоду анод обычно не излучает термоионов. Ток у поверхности анода является чисто электронным. Анодное падение напряжения создается отрицательным объемным зарядом, сосредоточенным около него. Можно считать, что напряженность поля в анодном падении относительно невелика. Однако само анодное падение может быть и значительным, что объясняется большей протяженностью области анодного падения.
Поверхность анода при горении дуги бомбардируется электронами, которые разогревают эту поверхность за счет их работы выхода, а также за счет кинетической энергии, приобретенной ими при пробеге области анодного падения. При больших токах затрачивается значительная энергия на испарение анода, играющая большую роль в балансе энергии на аноде.
