Вольтова дуга.

Мы уже имелислучай указывать выше (см. § 81), что при достаточной мощности генератора, питающего цепь, и при доста­точно малом общем сопротивлении цепи — разряд через газообраз­ную среду между двумя какими-либо электродами может завер­шаться переходом в стадию вольтовой дуги, характеризуемую, сильным излучением электронов из некоторой части поверхности отрицательного электрода, т. е. катода, причем для создания условий возникновения вольтовой дуги эта часть поверхности катода должна быть нагрета до температуры достаточно высокой для того, чтобы от нее начали обильно отделяться электроны. Способ, каким именно будет достигнуто указанное нагревание, т. е. активирование соответствующей части поверхности катода, не имеет существенного значения. Это можно получить, например, подогревая катод от какого-либо совершенно постороннего источ­ника энергии, хотя бы при помощи некоторого пламени. Практи­чески мы обычно возбуждаем вольтову дугу, просто раздвигая предварительно доведенные до соприкосновения электроды. Бла­годаря сравнительно большому сопротивлению контакта, особенно в момент разведения электродов, место контакта сильно нагре­вается джоулевым теплом. Таким образом, создаются условия для необходимого активирования катода к моменту полного отделения электродов друг от друга, и вольтова дуга сразу возникает, минуя все другие возможные стадии разряда. В дальнейшем активироваиие катода может поддерживаться за счет электрической энергии, расходуемой в объеме вольтовой дуги.

Общий вид вольтовой дуги, впервые полученной профессором В. Петровым в 1802 г., имеет совершенно своеобразный характер.

 

 

В виде примера на схематическом рис. 136 представлена вольтова дуга между угольными электродами, обычно применяемыми при использовании вольтовой дуги для осветительных целей.

При этом взят случай вольтовой дуги, питаемой постоянным током, и форма концов угольных электродов изображена применительно к тому, что получается при открытой вольтовой дуге в воздухе после до­стижения установившегося режима, когда угли успеют уже соответ­ствующим образом обгореть. Как это показано на рисунке, отри­цательный угольный стержень приобретает несколько заостренную

•форму, и активный участок его поверхности, испускающий мощный поток электронов, лежит на самом конце (С). Положительный же угольный стержень сравнительно сильно затуплен на конце, ко­торый в общем получает форму усеченного конуса. Тупой конец (K) этого конуса обычно несколько вогнут и носит название кратера вольтовой дуги. На него именно опирается вольтова дуга (D). Поверхности кратера и активного конца катода накалены добела, сама же дуга в случае чистых сплошных углей имеет фиолетовую окраску. Вольтова дуга D и концы углей С и К окружены более или менее развитой газообразной оболочкой В, имеющей зелено­ватый оттенок во внутренних частях у границы с вольтовой дугой и желтоватый оттенок снаружи. Мощный поток электронов, обра­зующих собственно вольтову дугу, занимает объем D. Как пока­зывают исследования Виолля, Россетти и других, температура поверхности кратера угольного анода достигает 3500° — 3900°C, температура же активного участка поверхности угольного катода несколько ниже и лежит в пределах от 2700° до 3150° С. В связи с этим главная часть светового потока, излучаемого вольтовой дугой, приходится на долю кратера. Что же касается самой воль­товой дуги, то температура ее достигает 4800°С, но обычно она

-излучает ничтожную долю общего светового потока, вследствие сравнительно слабого свечения газов. Температура оболочки В зна­чительно ниже. Эта оболочка состоит изсгорающих паров и частиц угля и из образующихся под влиянием высокой температуры про­дуктов горения воздуха, как такового, т. е. из окислов азота, в смеси, конечно, с остатками азота и кислорода, а также с окисью углерода и углекислотой. При сплошных углях вольтова дуга горит не вполне покойно и очень легко начинает шипеть в связи с воз­никновением быстрых перемещений дуги по поверхности анода, как это показали опыты Герты Айртон. Для придания дуге большей устойчивости, что необходимо для повышения температуры испу­скающего свет кратера, обычно снабжают положительный уголь так называемым фитилем: в цилиндрический канал около 0,15 диа­метра угля запрессовывается смесь из угольного порошка с раство­римым калийным стеклом. Для повышения световой отдачи самой вольтовой дуги Блондель предложил применять более толстый фитиль (около 0,6 диаметра угля), состоящий из смеси угля с со­лями бария, стронция, алюминия и с фтористым кальцием. Полу­чается таким образом пламенная вольтова дуга. Ввиду более высокой температуры конца положительного угля по сравнению

 

с концом отрицательного угля, при доступе воздуха первый сгорает быстрее второго. Вследствие этого обычно применяют угли разных диаметров: более толстый положительный и более тонкий отрица­тельный. При питании же вольтовой дуги переменным током темпе­ратурные условия обоих углей в среднем выравниваются, будучи различны в течение отдельных полупериодов. Угли в этом случае сгорают в общем одинаково и их берут одинакового диаметра. Вместе с тем, при переменном токе оба угля на концах принимают при установившемся режиме одну и ту же форму усеченного ко­нуса. При затрудненном доступе воздуха, что иногда применяли для уменьшения скорости сгорания углей, концы обоих угольных электродов приобретают притупленную форму даже в случаях пи­тания постоянным током. Катодное пятно, т. е. активное место на поверхности катода, при атом медленно переходит с места на место. Ясно, конечно, что, благодаря очень высокой температура поверхности кратера дуги, вещество положительного электрода может испаряться. Результатом этого бывает при очень короткой вольтовой дуге, даже открыто горящей в воздухе (рис. 136), появление в форме графита характерных наростов (грибков) на конце катода, где, благодаря сравнительно низкой температуре, конден­сируются пары углерода, отделяющиеся с поверхности кратера и не успевающие сгореть вследствие достаточной, при короткой дуге, защиты со стороны окружающей дугу D оболочки В.

Что в явлении вольтовой дуги мы встречаемся действительно с потоком электронов, исходящих из накаленного активного конца отрицательного электрода, — это установлено на основании целого ряда опытных исследований. Принципиальная необходимость высо­кой температуры катода, а также второстепенное значение темпе­ратуры анода дуги отчетливо выявляется, например, в следующем опыте автора настоящей книги, схематически изображенном на рис. 137.

Если между вертикальным углем А, соединенным с плю­сом, и углем В, который может перемещаться по изолированному стержню С и B верхнем своем положении соединяется с минусом,

 

образуется вольтова дуга, то при падении угля В дуга прекратится и снова восстановится в положении Е, в котором уголь В снова соединяется с минусом, если только уголь В за время падения не успеет охладиться. Если же уголь А соединить с минусом, а пла­стины D и Е—с плюсом, то дуга, зажженная в верхнем положении, ни в коем случае не загорится в нижнем, при холодном катоде. Из подобного рода опытов с полною очевидностью следует, что высокая температура катода является основным условием воз­никновения вольтовой дуги. .Температура же анода не играет су­щественного значения, и в частных случаях анод может быть и холодным, если создать для этого соответствующую обстановку. Вопрос о природе основных носителей тока в вольтовой дуге был решен автором настоящей книги путем определения отношения заряда к массе этих носителей (ср. § 79). Допуская, что весь ток в дуге связан с движением отрицательно заряженных элементов вещества, отделяющихся от катода (допущение это, как показы­вают исследования и расчеты, с достаточною степенью прибли­жения справедливо), можем написать:

I=Ne,

где I есть сила тока, питающего дугу, N—число отрицательных ионов, проходящих в одну секунду через любое поперечное сечение дуги, и е— заряд иона. Далее, если m есть масса каждого отри­цательного иона, v — его скорость, приобретенная за время дви­жения от катода к аноду, и Р—электрическая мощность расхо­дуемая в дуге, то должно существовать такое соотношение:

P=¹/₂Nmv₂.

Наконец, обозначая через F силу давления дуги на поверхность анода, можем написать соотношение, выражающее, что эта сила равна количеству движения, теряемому в одну секунду отрицатель­ными ионами, ударяющимися о поверхность анода, т. е.:

F = Nmv,

Из этих трех соотношений получаем:

e/m=2PI/F²

v=2P/E.

После определения различными способами силы действительно существующего давления вольтовой дуги на поверхность анода, а также измерения всех других необходимых величин, было получено:

e/m=около10⁷ в абс. эл.-маг. единицах,

v=около 2•10⁸ сантиметров в секунду.

 

Сравнивая полученную величину отношения заряда к массе с тем, что было раньше установлено Дж. Дж. Томсоном для элек­трона, мы должны притти к заключению, что отрицательно заря­женные носители тока в вольтовой дуге представляют собою не что иное, как электроны. Что же касается сравнительно небольшой скорости движения электронов дуге, то это объясняется неболь­шою величиною разности потенциалов между электродами дуги. В вышеописанных опытах она колебалась от 20 до 50 вольт.

Вышеприведенные рассуждения не учитывали наличия положи­тельных и отрицательных ионов, несомненно образующихся в газе на пути вольтовой дуги. На долю этих ионов приходится сравни­тельно малая часть полного тока, протекающего через вольтову дугу. Но тем не менее они известную роль играют. В частности, бомбардировка положительными ионами поверхности катода является одним из факторов, поддерживающих высокую температуру его и активирующих его. Несомненно, однако, что обычно при воль­товой дуге, горящей в воздухе при атмосферном давлении, значи­тельнейшая часть тепла, необходимого для нагревания катода дуги, получается за счет притока тепла от нагретых до высокой темпе­ратуры газов на пути дуги, и в случае раскаленного анода—путем тепловых излучений с поверхности кратера.

Напряжение между электродами вольтовой дуги, как показывает опыт, зависит от силы тока в дуге, от ее длины, от вещества электродов, от давления газообразной среды и т. д. Первое со­отношение этого рода было сформулировано Фрёлихом, который установил его для спокойно горящей вольтовой дуги на основании опытов Эдлунда, следующим образом:

U=a+bl,

где U—есть напряжение между электродами дуги, l — длина дуги, а и b—некоторые постоянные коэффициенты. Для случая постоян­ного тока и сплошных угольных электродов, в пределах сил токов от 10 до 100 амперов, Фрёлих дал следующее численное со­отношение:

U=39+l,8l,

где / выражение в миллиметрах. Формула Фрёлиха грубо соответ­ствует результатам опыта. Более точное соотношение предложила Герта Айртон:

Формула Герты Айртон в частных случаях принимает следую­щий вид (при постоянном токе). Чистый уголь в воздухе:

 

 

Медные электроды в воздухе:

Железные электроды в воздухе:

При питании вольтовой дуги переменным током форма кривой напряжения между электродами дуги получается довольно сложная (см. ниже). А. М. Залесский, исследовавший вольтову дугу пере­менного тока, дал следующие числовые зависимости, характери­зующие напряжение U_c, соответствующее максимальному значению силы тока (I_m) при частоте в 50 периодов в секунду:

Медные электроды в воздухе:

Железные электроды в воздухе:

Алюминиевые электроды в воздухе:

Во всех вышеприведенных формулах длина дуги выражена в миллиметрах. Штейнметц предложил соотношение:

Наконец, Ноттингем дал формулу:

где показатель степени n зависит от вещества электродов и про­порционален абсолютной температуре его плавления (для металлов) или испарения (для угольных электродов).

Все эти соотношения следует рассматривать как чисто эмпи­рические..

Из вышеприведенных зависимостей следует, что напряжение между электродами вольтовой дуги при данной длине ее и при спокойно горящей дуге уменьшается по мере увеличения силы тока, т. е. мы встречаемся с так называемой падающей характе­ристикой в отличие от характеристик обычных сопротивлений, напряжение назажимах которых растет по мере увеличения силы

 

тока. Таким образом, та часть цепи тока, которая состоит из воль­товой дуги, не подчиняется закону Ома. На рис. 138 приведены в виде примера статические характеристики вольтовой дуги, построенные Гертой Айртон для вольтовой дуги постоянного тока между сплошными угольными электродами: положительным в 11 мм и отрицательным в 9 мм диаметром.

Разрывы в сплошных кривых. при переходе к более сильным токам соответствуют нарушению спокойного режима вольтовой дуги (левая часть рисунка) и насту­плению режима шипящей вольтовой дуги (правая часть рисунка).

Ряд приведенных кривых относится к различным длинам дуги от 1 мм (нижняя кривая) до 7 мм (верхняя кривая).

В отличие от статических характеристик, соответствующих спокойному горению дуги при постоянном токе, характеристики дуги в координатах I и U при переменном токе называются динамическими. Эти последние имеют сложную форму в связи, между прочим, с тем обстоятельством, что напряжение между электродами дуги при быстрых изменениях тока зависит не только от силы тока в данный момент, но и от предыдущей истории дуги. Когда сила тока возрастает, то напряжение для данной силы тока, вообще говоря, больше, чем при убывании тока. На рис. 139 приведен пример динамической характеристики вольтовой дуги (при пере­менном токе с частотою в 50 периодов в секунду).

Что касается кривых тока и напряжения между электродами вольтовой дуги, как функции времени при переменном токе, то ясно, что особен­ности процессов, происходящих в дуге, должны вызвать осложнения в форме соответствующих кривых. При этом степень искажения кривой тока будет в значительной степени определяться сравни­тельной величиной основной электродвижущей силы, генерирующей переменный ток; чем она меньше, тем сильнее искажается кривая силы тока. На рис. 140 представлена в виде примера осцилограмма

 

силы тока (I) и напряжения (U) между сплошными угольными электродами при питании вольтовой дуги от цепи переменного тока с частотою в 50 периодов в секунду, при неиндуктивном добавочном сопротивлении в цепи и при действующей напряжении между главными зажимами, равном 110 вольтам.

Как видно из рис. 138, характеристика спокойно горящей вольтовой дуги является падающей, т. е. мы имеем:

dU/dI<0.

в отличие от обычного сопротивления, для которого всегда бывает:

R=dU'/dI>0.

В связи с этим иногда говорят об „отрицательном" сопроти­влении вольтовой дуги (динамическом). Процесс электрического тока в некоторой цепи может быть устойчивым только тогда, когда суммарное сопротивление цепи будет иметь положительное значение. Поэтому именно для достижения устойчивого горения вольтовой дуги последовательно с нею в цепи необходимо доба­вочное сопротивление и притом такое, чтобы удовлетворялось соотношение:

Что данное условие действительно должно удовлетворяться для получения устойчивого горения дуги, это можно показать следую­щими рассуждениями. Представим себе (рис. 141) кривую АСВ, изображающую собою падающую характеристику вольтовой дуги.

Пусть U₀ есть постоянное напряжение между главными зажимами цепи. Допустим, что в некоторый момент времени напряжение между

 

электродами дуги есть U и сила тока в дуге есть I. Ясно, что всегда должно удовлетворяться уравнение:

где R есть омическое сопротивление цепи, a L — ее коэффициент самоиндукции. Допустим далее, что ток в дуге по той или иной причине получил очень малое, но конечное приращение т). Мы можем в связи с этим написать, пренебрегая малыми высших порядков:

Вычитая из этого написанное выше уравнение, получим:

откуда после интегрирования имеем:

где h₀ есть значение h при t=0, а e—основание натуральных логарифмов. В зависимости от значения показателя степени полу­ченное приращение силы тока hбудет с течением времени либо возрастать (неустойчивый режим дуги), либо убывать (устойчивый режим дуги). Чтобы h стремилось уменьшаться, необходимо иметь:

в противном же случае h будет стремиться непрерывно возрастать по абсолютной величине. Итак, при

вольтова дуга может гореть устойчиво, а при

вольтова дуга будет неустойчива.

Если через точку на оси ординат, соответствующую заданному постоянному напряжению U₀, провести (рис. 141) некоторую прямую АВ под углом а к горизонтальной оси, то не трудно видеть, что должно существовать соотношение:

tga=R.

Одним словом, эта прямая может рассматриваться как надлежа­щим образом расположенная характеристика добавочного сопроти­вления, включенного последовательно с вольтовой дугой. При этом

 

напряжение U между электродами дуги, сложенное с падением напряжения в сопротивлении R, должно быть равно постоянному напряжению U₀.

Точка А соответствует неустойчивому режиму дуги, так как для нее, как это следует из рис. 141,

Точка же В соответствует устойчивому режиму дуги, так как для этой точки мы имеем

В заключение настоящего параграфа коснемся главнейших тех­нических применений вольтовой дуги. Применение ее для целей электрического освещения является наиболее старым. В настоящее время усовершенствования в области ламп накаливания в значительной степени вытеснили дуговые лампы в обычной осветитель­ной практике. Вольтова дуга удерживается еще только в тех слу­чаях, когда требуется источник света с очень концентрированной излучающей поверхностью, как, например, в прожекторах и т. п., а также, когда имеет особое значение состав испускаемого лампой света (в фототехнике). В металлургии вольтова дуга играет боль­шую роль как средство получения высокой температуры, необхо­димой для различных металлургических процессов. Существуют, например, дуговые электрические печи для варки стали, потребляю­щие в дуге очень большую мощность, измеряемую тысячами киловаттов при токе в десятки тысяч амперов. Дуговые печи приме-

 

няются также при производстве кальция-карбида. Во всех подобных печах применяются гигантские угольные электроды большого сече­ния, достигающего десятков кв. дециметров. Известны применения вольтовой дуги в химической промышленности для фиксации атмосферного азота. Для этой цели воздух пропускают через камеру, в которой горит вольтова дуга большой длины, при мощности, достигающей иногда тысяч киловаттов. Благодаря высокой температуре пламени вольтовой дуги, воздух горит с образованием окислов азота, улавливаемых в дальнейших операциях различными способами и дающих в конечном результате азотную кислоту, кальциевую селитру и другие нитросоединения. Упомянем далее об использовании вольтовой дуги для целей весьма распространенной в последнее время электросварки, основные методы которой были даны русскими изобретателями Бенардосом и Славяновым. Необ­ходимо еще отметить применение вольтовой дуги для целей полу­чения электрических колебаний. При помощи именно вольтовой дуги были осуществлены первые радиогенераторные устройства с незатухающими колебаниями. Возможность возбуждения электри­ческих колебаний в этом случае обусловливается наличием падаю­щей характеристики вольтовой дуги, т. е. так называемым „отри­цательным" сопротивлением ее. В связи с этим, присоединяя к электродам вольтовой дуги ветвь, содержащую самоиндукцию и емкость некоторого конденсатора, можно, как показал впервые Дудделл, получить в этой ветви колебательный режим тока, при­чем этот переменный ток замыкается через вольтову дугу и имеет частоту, зависящую от соотношения между самоиндукцией и емкостью. Укажем, наконец, что вольтова дуга широко применяется для вы­прямления переменного тока в постоянный. Этому специальному вопросу мы посвящаем следующий параграф.