Ствол дуги представляет собой сильно ионизированный объем газа, проводимость которого велика и в некоторых случаях приближается даже к проводимости металлов. В случае дуги постоянного тока в установившемся режиме ионизация в стволе дуги является термической. Ударная ионизация в этих условиях не играет совершенно никакой роли. В дуге переменного тока во время восстановления напряжения после перехода тока через нуль известную роль играет ударная ионизация. Однако за исключением очень краткого промежутка времени после перехода тока через нуль термическая ионизация и в дуге переменного тока имеет решающее значение.
Наряду с этими ионизационными процессами в дуге параллельно идут процессы деионизационные — рекомбинация и диффузия ионов и электронов. В установившемся режиме ионизационные и деионизационные процессы в дуге находятся в равновесии.
Явление термической ионизации состоит в том, что при высокой температуре газа скорость теплового движения его молекул достигает настолько большой величины, что при столкновении их становится возможным выбивание электронов из атомов, т. е. ионизация газа. Существенной величиной, определяющей процесс термической ионизации, является степень ионизации, т. е. отношение числа ионизированных частиц к общему количеству частиц газа в единице объема. Эта величина определяется уравнением Саха:
(УМ)
где р — сумма парциальных давлений нейтрального, ионного и электронного газов; х — степень ионизации газа; gc— квантовый статистический вес электрона, равный 2; gi — квантовый статистический вес иона; ga— квантовый статистический вес атома; Т — абсолютная температура газа; Ui— потенциал ионизации газа.
Во многих случаях величина х очень мала (х < I). Тогда формулу (V. 11) можно упростить:
(V. 12)
Величину ga в интересующих нас практических случаях можно принять приблизительно равной единице. Для большинства газов и паров, с которыми приходится иметь дело в дуге, можно принимать gi = 2. Только при инертных газах gi = 6.
Наиболее сильно степень ионизации зависит от потенциала ионизации газа Ui и абсолютной температуры Т. Значения потенциала ионизации для некоторых газов и паров даны в табл. V.3.
Таблица V.3
Материал | Потенциал | Материал | Потенциал |
Алюминий А1 . | 6,0 | Водород Н1 . . | 13,60 |
Натрий Na . . | 5,12 | Водород Н2 . . | 15,4 |
Медь Си. . . . | 7,72 | Кислород Ο1 . . | 13,62 |
Железо Fe . . | 7,86 | Кислород О2. . | 12,5 |
Ртуть Hg . . . | 10,43 | Азот Ν1 . . . . | 14,55 |
Графит С . . . | 11,26 | Азот N2 . . . | 15,8 |
Вольфрам W. . | 7,87 | Гелий Не . . . | 24,5 |
Как видно из табл. V.3, имеется существенная разница между потенциалами ионизации паров металлов и газов. Последние примерно в два раза выше, и это существенно сказывается на степени ионизации. На рис. V.9 показаны кривые степени ионизации разных паров и газов. Кривые ионизации для меди, железа и вольфрама очень близки друг к другу, так как у них близки потенциалы ионизации. Но уже у ртути, потенциал ионизации которой на 35% выше, чем у меди, кривая степени ионизации сдвинулась в сторону более высоких температур. Еще правее лежат кривые для газов.
Как следует из формул (V.11) и (V.12) на степень ионизации оказывает заметное влияние давление (рис. V.10).
При больших токах в стволе дуги появляется более или менее значительная примесь паров электродов. Она оказывает существенное влияние на степень ионизации такой смеси пара и газов.
Рис. V.9. Зависимость степени ионизации разных паров и газов от температуры
Рис. V.10. Зависимость степени ионизации воздуха от температуры при разных давлениях
