Дуговой разряд постоянного тока: ДУГОВОЙ РАЗРЯД • Большая российская энциклопедия

ДУГОВОЙ РАЗРЯД • Большая российская энциклопедия

Авторы: В. Н. Колесников

ДУГОВО́Й РАЗРЯ́Д, са­мо­стоя­тель­ный ква­зи­ста­цио­нар­ный элек­трич. раз­ряд в га­зе, го­ря­щий прак­ти­че­ски при лю­бых дав­ле­ни­ях га­за, пре­вы­шаю­щих 0,01–1 Па (10^–4–10^–2 мм рт. ст.), при по­сто­ян­ной или ме­няю­щей­ся с низ­кой час­то­той (до 10³ Гц) раз­но­сти по­тен­циа­лов ме­ж­ду элек­тро­да­ми. Для Д. р. ха­рак­тер­ны вы­со­кая плот­ность то­ка на ка­то­де (10²–10⁸ А/см²) и низ­кое ка­тод­ное па­де­ние по­тен­циа­ла, не пре­вы­шаю­щее эф­фек­тив­ный по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции сре­ды в раз­ряд­ном про­ме­жут­ке. Впер­вые Д. р. ме­ж­ду дву­мя уголь­ны­ми элек­тро­да­ми в воз­ду­хе на­блю­да­ли в 1802 В. В. Пет­ров и не­за­ви­си­мо от не­го в 1808 Г. Дэ­ви. Све­тя­щий­ся то­ко­вый ка­нал это­го раз­ря­да при го­ри­зон­таль­ном рас­по­ло­же­нии элек­тро­дов под дей­ст­ви­ем кон­век­тив­ных по­то­ков изо­гнут ду­го­об­раз­но, от­сю­да и на­зва­ния – Д.  р., элек­трич. ду­га.

Для боль­шин­ст­ва Д. р. при боль­шой плот­но­сти то­ка на ка­то­де воз­ни­ка­ет ма­лое очень яр­кое пят­но, пе­ре­ме­щаю­щее­ся по всей по­верх­но­сти ка­то­да. Темп-ра в пят­не мо­жет дос­ти­гать темп-ры ки­пе­ния (или воз­гон­ки) ма­те­риа­ла ка­то­да. Зна­чит. роль в ме­ха­низ­ме под­дер­жа­ния то­ка Д. р. иг­ра­ет тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия. Над ка­тод­ным пят­ном об­ра­зу­ет­ся слой по­ло­жи­тель­но­го объ­ём­но­го за­ря­да, обес­пе­чи­ваю­ще­го ус­ко­ре­ние эми­ти­руе­мых элек­тро­нов до энер­гий, дос­та­точ­ных для удар­ной ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул га­за. По­сколь­ку этот слой очень тон­кий (мень­ше дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га элек­тро­на), он соз­да­ёт вы­со­кую на­пря­жён­ность по­ля у по­верх­но­сти ка­то­да, осо­бен­но у мик­ро­не­од­но­род­но­стей, по­это­му су­ще­ст­вен­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся и ав­то­элек­трон­ная эмис­сия, и тер­мо­ав­то­элек­трон­ная эмис­сия. Вы­со­кая плот­ность то­ка и «пе­ре­ско­ки» пят­на с точ­ки на точ­ку соз­да­ют ус­ло­вия для взрыв­ной элек­трон­ной эмис­сии.

От зо­ны ка­тод­но­го па­де­ния по­тен­циа­ла до ано­да рас­по­ло­жен т. н. по­ло­жи­тель­ный столб. На ано­де обыч­но фор­ми­ру­ет­ся яр­кое анод­ное пят­но, в ко­то­ром темп-ра по­верх­но­сти поч­ти та­кая же, как и в ка­тод­ном. В не­ко­то­рых ви­дах Д. р. при то­ках в де­сят­ки ам­пер на ка­то­де и ано­де воз­ни­ка­ют фа­ке­лы в ви­де плаз­мен­ных струй, вы­ле­таю­щих с боль­шой ско­ро­стью пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти элек­тро­дов. При то­ках 100–300 А воз­ни­ка­ют до­ба­воч­ные фа­ке­лы, об­ра­зуя пу­чок плаз­мен­ных струй. На­гре­тый до вы­со­кой темп-ры и ио­ни­зо­ван­ный газ в стол­бе пред­став­ля­ет со­бой плаз­му. Элек­тро­про­вод­ность плаз­мы мо­жет быть очень вы­со­кой, но обыч­но она на неск. по­ряд­ков ни­же элек­тро­про­вод­но­сти ме­тал­лов.

При кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных час­тиц бо­лее 10¹⁸ см^–3 со­стоя­ние плаз­мы ино­гда мож­но счи­тать близ­ким к рав­но­вес­но­му. При мень­ших плот­но­стях, вплоть до 10¹⁵ см^–3, мо­жет воз­ник­нуть со­стоя­ние ло­каль­но­го тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия (ЛТР), ко­гда в ка­ж­дой точ­ке плаз­мы все ста­ти­стич. рас­пре­де­ле­ния близ­ки к рав­но­вес­ным при од­ном зна­че­нии темп-ры, ко­то­рая раз­лич­на в раз­ных точ­ках. Ис­клю­че­ние в этом слу­чае со­став­ля­ет лишь из­лу­че­ние плаз­мы: оно да­ле­ко от рав­но­вес­но­го и оп­ре­де­ля­ет­ся со­ста­вом плаз­мы и ско­ро­стя­ми ра­ди­ац. про­цес­сов. При ог­ра­ни­чен­ных раз­ме­рах стол­ба Д. р. да­же в плот­ной плаз­ме на оси стол­ба со­стоя­ние ЛТР на­ру­ша­ет­ся за счёт ра­ди­ац. по­терь. Это вы­ра­жа­ет­ся в силь­ном от­кло­не­нии со­ста­ва плаз­мы и на­се­лён­но­стей воз­бу­ж­дён­ных уров­ней от их рав­но­вес­ных зна­че­ний. Ки­не­ти­ка плаз­мы в стол­бе Д. р. при вы­со­ких плот­но­стях оп­ре­де­ля­ет­ся в осн. про­цес­са­ми со­уда­ре­ний, а по ме­ре сни­же­ния плот­но­сти (уда­ле­ния от оси) всё боль­шую роль иг­ра­ют ра­ди­ац. про­цес­сы.

Диа­метр стол­ба Д. р. оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми ба­лан­са воз­ни­каю­щей и те­ряе­мой энер­гии. С рос­том то­ка или дав­ле­ния ме­ня­ют­ся ме­ха­низ­мы по­терь, обу­слов­лен­ные те­п­ло­про­вод­но­стью га­за, ам­би­по­ляр­ной диф­фу­зи­ей, ра­ди­ац. про­цес­са­ми и др. При та­ких сме­нах мо­жет про­ис­хо­дить са­мо­сжа­тие (кон­трак­ция) стол­ба (см. Кон­тра­ги­ро­ван­ный раз­ряд).

В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий го­ре­ния Д. р. его па­ра­мет­ры ме­ня­ют­ся в ши­ро­ких пре­де­лах. Клас­сич. при­мер Д. р. – раз­ряд по­сто­ян­но­го то­ка, сво­бод­но го­ря­щий в воз­ду­хе ме­ж­ду уголь­ны­ми элек­тро­да­ми. Его ти­пич­ные па­ра­мет­ры: ток от 1 А до со­тен ам­пер, рас­стоя­ние ме­ж­ду элек­тро­да­ми от мил­ли­мет­ров до не­сколь­ких сан­ти­мет­ров, темп-ра плаз­мы ок. 7000 К, темп-ра анод­но­го пят­на ок. 3900 К.

Д. р. при­ме­ня­ет­ся как ла­бо­ра­тор­ный ис­точ­ник све­та и в тех­ни­ке (ду­го­вые уголь­ные лам­пы). Д. р. с уголь­ным ано­дом, про­свер­лён­ным и за­пол­нен­ным ис­сле­дуе­мы­ми ве­ще­ст­ва­ми, ис­поль­зу­ет­ся в спек­траль­ном ана­ли­зе руд, ми­не­ра­лов, со­лей и т. п. Д. р. при­ме­ня­ет­ся в плаз­мо­тро­нах, ду­го­вых пе­чах для вы­плав­ки ме­тал­лов, при элек­тро­свар­ке, в разл. элек­трон­ных и ос­ве­тит. при­бо­рах. Т. н. ва­ку­ум­ная ду­га, ко­то­рая за­жи­га­ет­ся в ва­куу­ме и го­рит в парáх ме­тал­ла, ис­па­рив­ше­го­ся с ка­то­да, ис­поль­зу­ет­ся в ва­ку­ум­ных вы­со­ко­вольт­ных вы­клю­ча­те­лях.

7.3.3.4. Дуговой разряд

Если
после получения искрового разряда от
мощного источника постепенно уменьшать
расстояние между электродами (или
сопротивление внешней цепи), то разряд
из прерывистого становится непрерывным.
Возникает новая форма газового разряда,
называемая дуговым разрядом. При этом
ток резко увеличивается, достигая
десятков и сотен ампер, а напряжение
на разрядном промежутке падает до
нескольких десятков вольт.

Дуговой
разряд можно получить от источников
низкого напряжения, минуя стадию искры.
Для этого электроды сближают до
соприкосновения, в результате они
сильно нагреваются (раскаляются)
электрическим током, после чего их
разводят, получая при этом яркую
электрическую дугу. Именно таким путем
электрическая дуга была впервые получена
в 1802 г. русским физиком В.В. Петровым.

В
настоящее время электрическая дуга,
горящая при атмосферном давлении, чаще
всего получается между специальными
угольными электродами, изготовленными
из прессованного графита со связывающими
веществами (рис. 7.13).

Согласно
В.Ф. Миткевичу, дуговой разряд
поддерживается главным образом за счет
термоэлектронной эмиссии с поверхности
катода. Подтверждением этой точки
зрения может служить установленный на
опыте факт, что во многих случаях
устойчивая дуга получается только при
условии, что температура катода
достаточно высока. При охлаждении
катода дуга горит неустойчиво,
периодически гаснет и снова зажигается.
Охлаждение же анода не вызывает нарушения
устойчивого режима горения дуги.

С
возрастанием разрядного тока сопротивление
дуги R
сильно уменьшается из-за увеличения
термоэлектронной эмиссии с катода и
ионизации газа в разрядном промежутке.
При этом сопротивление убывает сильнее,
чем возрастает ток. Вследствие этого
с увеличением тока напряжение на
разрядном промежутке не возрастает, а
убывает. Говорят, что дуга имеет падающую
вольтамперную характеристику, т.е.
такую характеристику, когда напряжение
на разрядном промежутке уменьшается
с возрастанием тока. Поэтому для
поддержания устойчивого горения дуги
при случайных изменениях тока, например
вследствие охлаждения катода, напряжение
на электродах дуги должно быть повышено.
С этой целью в цепь дуги включают
последовательно балластное сопротивление.
При случайном уменьшении тока напряжение
на балластном сопротивлении уменьшается.
Поэтому при неизменном подводимом
общем напряжении напряжение на
газоразрядном промежутке должно
увеличиваться, чем и обеспечивается
стабильное горение дуги.

Наряду
с дуговыми разрядами, обусловленными
термоэлектронной эмиссией, существуют
и разряды другого типа. Примером могут
служить дуговые разряды в ртутных
лампах. Ртутная лампа представляет
собой предварительно откачанный
кварцевый или стеклянный баллон,
пропускающий ультрафиолетовые лучи,
наполненный парами ртути (рис. 7.14).
Дуговой разряд зажигается электрической
искрой между двумя столбиками ртути,
служащими электродами лампы. Ртутная
дуга является мощным источником
ультрафиолетовых лучей. Поэтому такие
лампы применяют в медицине и в научных
исследованиях.

Исследования
показали, что источником мощной эмиссии
электронов в ртутной лампе является
небольшое, ярко светящееся пятно,
возникающее на катоде и непрерывно
бегающее по его поверхности (так
называемое катодное пятно). Плотность
тока в катодном пятне огромна и может
достигать 10⁶10⁷
А/см².
Катодное пятно может возникнуть не
только у поверхности ртутного, но и
любого другого металлического электрода.

Ртутные
дуги и аналогичные дуги с металлическими
электродами получили название
электрических дуг с холодным катодом.
Дело в том, что раньше считалось, что
катод действительно является холодным
по всей его поверхности. Поэтому
термоэлектронная эмиссия с катода не
происходит или практически не играет
никакой роли. Ленгмюр высказал
предположение, что в случае холодного
катода дуговой разряд поддерживается
автоэлектронной эмиссией с катода.
Действительно, катодное падение
потенциала (10
В) происходит на протяжении порядка
длины свободного пробега электрона.
Поэтому вблизи катода возникает сильное
электрическое поле, достаточное, чтобы
вызвать заметную автоэлектронную
эмиссию. Несомненно, автоэлектронная
эмиссия в дугах с «холодным» катодом
играет существенную роль. Позднее
появились указания на возможность
нагрева таких катодов в отдельных
точках до температур, при которых
происходит большая термоэлектронная
эмиссия, которая вместе с автоэлектронной
эмиссией и поддерживает дуговой разряд.
Хотя данный вопрос еще недостаточно
исследован.

Аккредитованных программ на получение степени

Квалифицированные, знающие и компетентные специалисты в области химии необходимы для создания процветающего и устойчивого мира. В основе этого лежит высококачественное образование в области химии, которое вдохновляет и привлекает следующее поколение практикующих ученых.

Степень в области химии, аккредитованная Королевским химическим обществом, является гарантией того, что она соответствует определенным стандартам, используемым в профессии. Он предоставляет людям знания, навыки и компетентность, необходимые для продвижения их карьеры в области химии.

Наш рецензируемый процесс аккредитации пользуется уважением и дает учреждениям внешне подтвержденный знак качества за их программы на получение степени в области химии.

Мы аккредитовываем степени бакалавра (BSc), интегрированные степени магистра (MCchem и MSci) и степени магистра последипломного образования (MSc).

Узнайте больше о преимуществах аккредитованных степеней:

Преимущества для учреждений

Преимущества для частных лиц

Какие преимущества есть для учреждений?

Многие национальные и международные химические сообщества теперь считают нас одним из лучших химических факультетов в Индонезии с международным стандартом преподавания и обучения. С аккредитацией RSC студентам стало проще, чем когда-либо, найти международных коллег для участия в программах обмена как на краткосрочный, так и на долгосрочный период. С нынешней структурой учебной программы мы настолько уверены, что проводим обучение по химии, чтобы выпускать выпускников, которые соответствуют ожиданиям наших уважаемых заинтересованных сторон.

Д-р Агус Кунчака , заведующий кафедрой химии, Universitas Gadjah Mada

Каковы основные требования?

Ключевые требования — см. список

Ключевые требования (КР) для аккредитации			Бакалавриат	Интегрированная степень магистра	Дискретная степень магистра
Широта (знания)	КР1	Доказательства изучения основных разделов химии предоставляются и развиваются в соответствующее время в течение курса.	✓	✓
	КР2	Результаты программы должны включать в себя широту понимания химии со способностью решать проблемы на пороговом уровне компетентности, как показано в Приложении A (см. брошюру).	✓	✓
	КР3	Широта понимания химии в результате предварительного обучения должна быть обеспечена в процессе приема.			✓
Глубина (знания)	КР4	Программы должны основываться на базе знаний, чтобы учащиеся могли оценить достижения в некоторых областях, находящихся в авангарде дисциплины.	✓
	КР5	Программы должны обеспечивать глубину знаний в специальных областях химической науки, демонстрируемую способностью решать проблемы на уровне, приведенном в Приложении B (см. брошюру).		✓	✓
Практические навыки	КР6	Студенты должны развить ряд практических навыков.	✓	✓	✓
Проектная работа	КР7	Программы должны включать некоторую независимую методологию расследования.	✓
	КР8	Программы должны обеспечивать исследовательскую подготовку, чтобы студенты могли завершить значительный проект, результаты которого потенциально могут быть опубликованы.		✓	✓
Размещение	КР9	Любое внешнее трудоустройство должно подлежать оценке по четким и строгим критериям, при этом университеты сохраняют контроль и надзор за своими студентами.	✓	✓	✓
Профессиональные навыки	КР10	Программы должны развивать широкий спектр передаваемых ключевых навыков.	✓	✓
Оценка	КР11	Программы должны развивать профессиональные навыки для тех, кто собирается заниматься химическими науками в качестве профессии.		✓	✓
	КР12	Оценка должна быть разнообразной, уместной и строгой и требовать от учащихся применения своих знаний и решения проблем.	✓	✓	✓
Название	КР13	Название программы должно отражать содержание и учитывать предположения, которые работодатель сделает в отношении способностей выпускников на основе названия.	✓	✓	✓
Обеспечение качества	КР14	Университеты должны иметь надежные механизмы обеспечения качества для всех аспектов своих программ.	✓	✓	✓
	КР15	Ресурсы, предназначенные для программы, должны предоставлять учащимся соответствующую благоприятную среду, позволяющую им добиться успеха в достижении заявленных результатов обучения. Загрузите наше руководство по передовой практике внешнего экзамена , чтобы получить рекомендации по назначению и поддержке внешних экзаменаторов.	✓	✓	✓
Среда обучения	КР16	Учебная среда должна предоставлять сотрудникам и учащимся подходящие механизмы академического развития и поддержки благополучия для достижения заявленных результатов обучения.	✓	✓	✓

Загрузите наше руководство для студентов по аккредитации ученых степеней по химии
Найдите аккредитованный курс прямо сейчас

Как подать заявку

Процесс аккредитации состоит из трех простых шагов, и мы будем поддерживать вас на протяжении всего процесса. После аккредитации ваш факультет будет включен в базу данных аккредитованных курсов.

Стать оценщиком

Хотите внести свой вклад в развитие вашего сообщества? Заинтересованы ли вы в содействии соблюдению стандартов высшего химического образования? В настоящее время мы набираем для аккредитации оценщиков.

Если вы преподаете в университете, который имеет программы получения степени, аккредитованные RSC, и поддержал хотя бы одну полную когорту от регистрации до выпуска через аккредитованную степень, являетесь членом Королевского химического общества (MRSC или выше), вы можете стать оценщиком. Опыт работы по заявке на аккредитацию желателен, но не обязателен.

Обычно каждый оценщик рассматривает три заявки в год, хотя их может быть и больше, если вы заинтересованы в зарубежной аккредитации. Оценщики обычно посещают объекты не более двух раз в год.

Обратите внимание, что в каждом отделе одновременно может быть не более одного эксперта.

 Дескриптор роли оценщика RSC по аккредитации

В настоящее время мы набираем оценщика физической химии . Пожалуйста, отправьте резюме (максимум 4 страницы) и объясните, почему вы хотели бы принять участие (максимум 2 страницы), отправив нам электронное письмо до 30 ноября 2022 г. . Обратите внимание, что это добровольная позиция и она не оплачивается, однако все расходы будут покрыты.

Мы принимаем заявки из всех областей химии (органической, неорганической, физической и аналитической) в течение всего года. Если ваша заявка на получение статуса оценщика будет одобрена, но вакансий по вашей специальности нет, мы добавим вас в список ожидания.

Какие льготы для студентов?

Когда я искал университетские курсы, для меня было очень важно, чтобы степень была аккредитована, поскольку это показывает, что то, что я буду изучать, будет соответствовать высоким стандартам, и моя степень будет признана высококачественной.

Maciej Walerowski RSci , аспирант Университета Саутгемптона

Выбор степени, аккредитованной Королевским химическим обществом, дает вам преимущество в карьере:

повышает ваши шансы на трудоустройство и мобильность – наша аккредитация признана во всем мире

дает вам автоматический доступ к профессиональным категориям членства в Королевском химическом обществе и ко всем преимуществам, которые это дает

, обеспечивающий путь к профессиональным наградам, в том числе сертифицированному химику (CChem)

Загрузите наше руководство для студентов по аккредитации ученых степеней по химии
Найдите аккредитованный курс сейчас

DC Наночастицы диоксида циркония, синтезированные дуговым разрядом: пролить свет на влияние тока дуги на размер, кристаллическую структуру, оптические свойства и механизм образования

Бумага

Реза Пеймани ¹ , Реза Пурсалехи ^2,1 и Амин Юрдхани ¹

org/PublicationIssue»>

Опубликовано 3 апреля 2019 г. •

© 2019 IOP Publishing Ltd
Materials Research Express,

Том 6,

Номер 7

Цитирование Реза Пеймани и др. 2019 Матер. Рез. Экспресс 6 075002
DOI 10.1088/2053-1591/ab123f

179 Всего загрузок

Получите разрешение на повторное использование этой статьи

Поделиться этой статьей

Информация о статье

Сведения об авторах

¹ Факультет материаловедения, Университет Тарбиат Модарес, Тегеран, 14115-143, Иран

Примечания автора

² Автор-корреспондент

Даты

1. Поступила в редакцию 21 декабря 2018 г.
2. Пересмотрено 14 марта 2019 г.
3. Принято 21 марта 2019 г.
4. Опубликовано 3 апреля 2019 г.

Купить эту статью в печатном виде

Подпишитесь на уведомления о новых проблемах

Создать уведомление о цитировании

2053-1591/6/7/075002

Abstract

В этом исследовании наночастицы циркония (НЧ) были успешно синтезированы методом дугового разряда постоянного тока (DC) в воде. Исследован механизм образования НЧ и влияние тока дуги на морфологические, структурные и оптические свойства НЧ. НЧ были синтезированы при четырех различных токах в диапазоне 40–160 А. Наблюдения с помощью СЭМ показали, что НЧ имеют сферическую форму, а их средний размер уменьшается с 40 до 22 нм при увеличении силы тока с 40 до 160 А. Рентгенофазовый анализ показал, что фазовый состав НЧ представляет собой смесь тетрагональной и моноклинной для всех образцов, а фаза доля НЧ зависит от тока дуги таким образом, что увеличение тока приводит к увеличению весового процента тетрагональной фазы. УФ-видимая спектроскопия показала, что наночастицы обладают оптическими характеристиками широкозонных полупроводников со значительным дефицитом кислорода. Также было исследовано влияние тока дуги на ширину запрещенной зоны НЧ. Увеличение тока дуги уменьшает ширину запрещенной зоны НЧ с 3,8 до 3,0 эВ. Исследования с помощью оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) демонстрируют образование НЧ диоксида циркония при температурах до 49°С.