Потоки плазмы в дуге
Потоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками. При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемной силой,
|
Рис. 2.29. Схема течения газа в сильноточной дуге |
|
Рис. 2.30. Форма столба W-дуги в аргоне: (I ~ 150 А, /д= 6 мм) |
|
(2.84) |
|
21 Ар |
|
где |
|
возникающем в результате того, что Дуги, в которых характер движения При увеличении тока возникает конвекцией. Течение плазмы в таких сильноточных дугах на- Давление в дуге возникает под действием электромагнитных тода к аноду. Наибольшее давление на оси |
|
А - коэффициент, зависящий от размерности; р - плотность плазмы. Для W-дуг типична форма колокола (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить как электромагнитный насос, который забирает газ из среды и выбрасывает его к аноду. Скорость ионизованного газа в катодной 2 струе W-дуги может иметь порядок 10 м/с, что соответствует от |
|
а скорость катодной струи атах = |
|
р =м Рт*х 4я ' |
0,1 до 0,2 М (М - число Маха). Поэтому катодную струю можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жидкости. При сварке Me-дугой возможны скорости плазменного по - з
тока до 10 м/с. Потоки плазмы дуги обычно направлены перпендикулярно поверхности электродов, и их интенсивность увеличивается с ростом тока.
В Me-дугах возникают встречные плазменные потоки струи как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться соосно: внутренняя - от катода к аноду, а наружная - от анода к катоду, причем анодные струи (от анода к катоду) часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5-10 м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной области.
|
Светящийся Рис. 2.31. Возникновение плазменных струй в местах сужения дуги при положениях {а и б) пластинки S |
Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникновения потока плазмы в результате появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях (а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток плазмы.
На широком аноде его нет. В отверстии возникают плазменные струи, направленные в обе стороны.
В обычной дуге места сужения, а следовательно, и плазменные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжектирование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара способствуют возникновению «сердечника» столба, характерного для мощной дуги. Такой «сердечник» возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой зависимости теплопроводность - температура после максимума диссоциации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шнуром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струей (потоком плазмы).
Принято считать, что между частицами твердого тела кроме электромагнитного взаимодействия существуют взаимодействия еще трех типов: ядерные, или сильные, действующие на расстояниях менее 10 м (следовательно, на расстоянии 0,1 нм их можно не учитывать); слабые, обусловливающие Р-распад (они слабее электромагнитных в 10 раз); гравитационные, которые в 1036 раз слабее электромагнитных.
Понятие химической связи относится к взаимодействию атомов с энергией -10... 100 кДж. Столь широкий интервал энергий может быть реализован различными взаимодействиями, которые традиционно классифицируют как типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Эта классификация не является четко определенной. Ковалентная связь представляет собой универсальный тип химической связи. Ионную связь можно рассматривать как частный (предельный) случай ковалентной связи между атомами, резко отличающимися друг от друга по своей электроотрицательности. Понятия металлической и водородной связей отражают скорее специфику химических объектов, нежели действующих сил. Наиболее типичны ковалентная и ионная химические связи.
Ковалентная связь означает химическую связь между атомами, осуществляемую общими электронами. Она может образоваться взаимодействием или спариванием валентных электронов. Если атомы одинаковы, например в молекулах водорода Нз, щелочных металлов в газообразном состоянии ЬІ2, К2, Na2, галогенов CI2, Вг2, азота N2, - то связь неполярная, при взаимодействии разных атомов, например НС1, - связь полярная. В предельном случае, когда электроны связи полностью смещены к одному из ядер, имеет место ионная связь. В природе сравнительно немного тел с ковалентными связями. Однако они имеют большое практическое значение благодаря высокой температуре плавления и твердости (например, алмаз С, кремний Si, германий Ge и карбид кремния SiC - карборунд). Главной чертой ковалентных связей является наличие обобщенных электронов и четкая пространственная ориентация.
При изучении сварочных процессов важно иметь в виду, что прочные ковалентные связи устанавливаются не только в кристаллах металлов, но и при соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками или интерметал- лидами[3], обладающими полупроводниковыми свойствами.
Ионная, или гетерополярная связь, типична для молекул и кристаллов, образованных из разных ионов (анионов и катионов). Типичным представителем ионных кристаллов является поваренная соль NaCl. Образование катиона - это результат потери атомом электрона. Мерой прочности связи электрона в атоме может служить потенциал ионизации атома. Образование анионов происходит в результате присоединения электрона к атому. Мерой способности к такому присоединению служит так называемое сродство к электрону. Особенностью ионной связи является отсутствие насыщаемости и пространственной направленности. В природе очень много тел, имеющих ионные связи. Однако они имеют незначительное применение в машиностроении, потому что у них нет свойств, позволяющих использовать их как конструкционный материал.
Представления о чисто ковалентной и чисто ионной связи в значительной степени идеализированы. Обычно встречаются промежуточные случаи. Если при ионной связи один атом отдает электрон другому, а при ковалентной - каждый электрон принадлежит в равной степени обоим связанным атомам, то в промежуточных случаях возможны связи с любым «процентом ионности».
Водородная связь, называемая также протонной связью, представляет собой связь специфического типа, которая может быть как внутримолекулярной связью, так и межмолекулярной. Возникновение связей такого типа индуцируется ядром водорода (или протоном), которое благодаря своему малому размеру, может проникать в глубь электронной оболочки, обладающей сильной электроотрицательностью. Водородная связь занимает промежуточное. положение между атомной и ионной связями и часто встречается в органических и некоторых неорганических соединениях. Ассоциации молекул воды, спирта, кислот и др. определяются водородными связями.
Металлические связи характерны для металлов. Металлическое тело можно считать одной макромолекулой, потому что металлические связи имеют место не только между двумя или несколькими атомами металла. Высокие значения тепло - и электропроводности металлов непосредственно связаны с их атомной структурой. Атомы металлов имеют мало электронов во внешней оболочке, и эти электроны сравнительно слабо связаны с остальной частью атома («остовом» атома). Слабая связь внешних электронов приводит к тому, что металлы имеют небольшие потенциалы ионизации. Металлическая связь ненаправленная, так как каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше
Так как всякое перемещение заряженных частиц сопровождается появлением магнитного поля, то существуют оно, безусловно, и в сварочной дуге. На проводник длиной / с током /, находящийся в магнитном поле, действует пондеромоторная сила Ампера F, направление которой можно определить для тока от плюса к минусу по правилу левой руки:
F = BIl (2.85)
2
где В = цаЯ - магнитная индукция, Тл (В - с/м ); ра = рро - абсолютная магнитная проницаемость вещества; р - относительная
-7
магнитная проницаемость вещества; ро = 12,57-10 В-с/ (А-м)
—7
(или 12,57 -10 Гн/м) - магнитная постоянная; Н - напряженность магнитного поля, А/м. При р ~ 1 для неферромагнитной среды (для вакуума)
F = ро#//. (2.86)
В газовом разряде вектор силы Лоренца F, действующей на частицу зарядом е, движущуюся в магнитном поле со скоростью v, будет определяться векторным произведением
F^evxB, (2.87)
или на единицу объема
F = ] хВ. (2.88)
Сила Лоренца F перпендикулярна плоскости, проходящей
через векторы В и v. Она не производит работы, но меняет направление скорости частицы. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле со скоростью, перпендикулярной вектору магнитной индукции В, то сила Лоренца F создает центростремительное ускорение х?!г и частица будет двигаться под действием центростремительной силы nw'lr = evB, где т - масса заряженной частицы.
Движение заряженной частицы будет происходить по спирали или винтовой траектории, радиус которой называется ларморов-
ским радиусом г. Формула для вычисления г, см, при энергии час
тицы 8, эВ, и магнитной индукции 5, Тл, имеет вид:
г^З.4-10-4^; (2.89)
Г>
для иона с атомной массой А
rf= 145 10^^1 (2.90)
В
При А = 1 (для протона) ларморовский радиус г; ~ 42 ге.
