Низковольтная дуга

Низковольтная дуга — дуговой разряд, обеспечивающийся подогревом катода и обладающий устойчивостью при малых напряжениях между формирующими его электродами.

Физические основы

Файл:Низковольтная дуга 2.jpg

Распределение потенциала и концентрации носителей заряда в межэлектродном промежутке низковольтной дуги.

Дуговые разряды разделяют на дуги низкого и высокого давления. Разделение происходит, в зависимости от природы газа и силы тока в дуге, при давлениях в диапазоне Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle 1 \div 10} мм. рт. ст.

Низковольтная дуга является одним из видов несамостоятельного дугового разряда. Напряжение горения низковольтной дуги ниже потенциала ионизации, и условием её устойчивости служит искусственное повышение тока эмиссии, в частности, подогревом катода. Низковольтная дуга образуется при низких давлениях и небольших межэлектродных расстояниях. Характерными особенностями дуги является низкое значение падения электрического потенциала, чем она отличается от тлеющего разряда (падение потенциала в дуге примерно на порядок ниже, чем в тлеющем разряде), и высокой плотностью тока на катоде (нижняя граница плотностей тока на катоде в дуге (Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle 10\div10^2} A/см², верхняя — Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle 10^6\div10^7} A/см²). Возникновение низковольтной дуги происходит при достижении током пороговой величины, зависящей от различных факторов, таких как материал катода, природы и давления газа, и др.

Низковольтная дуга состоит из катодной и анодной областей, разделённых положительным столбом плазмы. В отличие от высоковольтной дуги, в низковольтной дуге температура электронов значительно превосходит температуру ионов (электронная температура значительно выше ионной, Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle T_e \gg T_i} ).

В низковольтной дуге низкого давления электронная температура и плотность газа по сечению разрядной трубки практически не изменяются, а влияние стенок газоразрядной трубки на положительный столб велико, и им нельзя пренебрегать при расчётах. В дугах высокого давления роль стенок газоразрядной трубки играет газ вокруг положительного столба.

На рисунке представлена структура низковольтной дуги в межэлектродном промежутке. Слева — катод и прикатодное пространство (иногда его называют виртуальным катодом), положительный столб и прианодное пространство. Распределение концентрации носителей обозначено как функция Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle n(x)} , функция распределения потенциала как Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \varphi(x)} , Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle d}  — межэлектродный зазор, Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \varphi_k }  — прикатодное падение напряжения, Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \varphi_a }  — прианодное падение напряжения, Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle V}  — напряжение, Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle L_k} , Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle L_a}  — приэлектродные ленгмюровские слои. Направленный ток в низковольтной дуге обеспечивается электронами.

Если длина свободного пробега электронов превышает величину межэлектродного промежутка, то такие низковольтные дуги называются кнудсеновскими.

Наиболее изученными с точки зрения эксперимента и теоретического моделирования являются дуги, возникающие в парах щелочных металлов и инертных газах.

На основе явления низковольтной дуги создан ряд газоразрядных приборов, таких как термоэмиссионные преобразователи, термоэмиссионные элементы, и др.

См.также

• Дуга

Литература

• Грановский В. Л. Электрический ток в газе. — Москва : Наука, 1971.
• Мойжес Б. Я., Пикус Г. Е. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма. — Москва : Наука, 1973.
• Яшин М. С., Онуфриев В. В. Высокотемпературный термоэмиссионный преобразователь с пониженным давлением паров цезия и сверхвысокотемпературным составным коллектором // Инженерный журнал: наука и инновации. — 2020. — № 4 (100).
• Гусев Ю. П., Шёлковой Е. В. Сопротивление низковольтной электрической дуги для расчёта коротких замыканий в расширенном диапазоне токов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. — 2018. — № 6.
• Капцов Н. А. Коронный разряд и его применение в электрофильтрах. — Москва, Ленинград : Гостехиздат, 1947.
• Левитов В. И. Корона переменного тока. Вопросы теории, методов исследования и практических характеристик — Москва : Энергия, 1975.
• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — Москва : Наука, 1992.
• Соколова М. В. Коронный разряд в газах // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т. 2 — Москва : Наука, 2000.
• Кечиев Л. Н., Пожидаев Е. Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. — Москва : Изд. дом «Технологии», 2005.

Ссылки

• Ионная температура
• Лекции по основам физики плазмы

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Низковольтная дуга», расположенная по адресу: — https://ru.ruwiki.ru/wiki/Низковольтная_дуга Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».