|
|
|
Amorsarea si formarea arcului electric. Partile componente ale arcului electric.
Etapele amorsarii si formarii arcului electric sunt prezentate in figura 2.1.
Electrodul, legat la una din bornele sursei (de exemplu la cea negativa), este adus in contact cu piesa legata la cealalta borna (fig. 2.1a). Punctele de contact, ce constituie locuri de strangulare a liniilor de curent, se vor incalzi pana la temperatura de topire datorita curentului de scurtcircuit foarte mare. Sub influenta fortei de apasare F, numarul punctelor de contact creste continuu, astfel incat in final, zona de contact dintre electrod si piesa va fi formata dintr-o punte de metal lichid (fig. 2.1b). La ridicarea electrodului de pe piesa (fig. 2.1c), simultan cu alungirea puntii de metal, datorita fortelor electromagnetice Fe, se va produce si o strangulare a acestei punti. Strangularea puntii metalice determina o crestere a rezistentei electrice, ceea ce conduce la cresterea temperaturii acestei portiuni. La atingerea temperaturii de fierbere a metalului are loc ruperea puntii metalice si formarea vaporilor metalici care, fiind usor ionizabili, asigura trecerea curentului in continuare, sub forma unei descarcari electrice in arc (fig. 2.1d).
Procesul de formare a arcului electric dureaza doar cateva fractiuni de secunda si se caracterizeaza prin fenomene fizice complexe: emisie termoelectronica, ionizarea gazului din spatiul arcului, accelerarea ionilor in campul electric, etc.
a) contact b) incalzire c) retragerea d) aprinderea
si topire electrodului arcului
Figura 2.1. Amorsarea si formarea arcului electric.
Trebuie precizat faptul ca, datorita transportului de ioni de la anod la catod, anodul va aparea sub forma unui crater, iar catodul sub forma unui con. La intreruperea puntii de metal, temperatura catodului este mentinuta si chiar majorata datorita bombardarii cu ioni pozitivi, captati din descarcare.
In conformitate cu legile termodinamicii, densitatea curentului de emisie termoelectrica J [A/m2] este data de formula lui Richardson:
(2.1)
unde:
J0, - constanta ce depinde de material si de natura suprafetei catodului [A/m2K2];
Tk - temperatura suprafetei catodului [ K];
q - sarcina electronului, in valoare absoluta [C];
Ue - potentialul de iesire [V];
K - constanta lui Boltzman [J/°K].
Analizand relatia (2.1) se observa ca densitatea curentului termoelectronic se mareste odata cu reducerea potentialului de iesire Ue.
In afara de natura si starea catodului, densitatea de curent termoelectronic depinde cel mai mult de temperatura.
In cazul sudarii cu electrod nefuzibil se petrec aceleasi fenomene, insa puntea metalica topita se produce numai in contul topirii metalului de baza.
Partile componente ale arcului electric sunt: zona catodica, coloana arcului si zona anodica. In figura 2.2 s-a reprezentat schematic arcul electric precum si repartizarea caderilor de tensiune in lungul acestuia.
a) contact
b) incalzire si topire
Delimitarile de spatiu intr-o descarcare sunt justificate prin aceea ca repartizarea tensiunii este neuniforma, deoarece apar grupari masive de sarcini excedentare in jurul celor doi electrozi.
In arcul electric se pot deosebi urmatoarele zone: 1- pata catodica; 2- zona catodica; 3- coloana arcului; 4- zona anodica; 5- pata anodica.
Figura 2.2. Partile componente ale arcului electric.
Pata catodica (1) se formeaza pe suprafata catodului si este locul cel mai cald al catodului, fiind sursa emisiei electronilor. Fara pata catodica, arcul electric nu s-ar putea forma. Acest lucru a fost demonstrat experimental, prin inversarea polaritatii si deplasarea anodului cu viteze din ce in ce mai mari. S-a observat ca, de la o anumita viteza de deplasare a anodului pata catodica (de pe piesa fixa) neputandu-se forma, arcul electric se stinge, ceea ce nu se intampla la arcul cu polaritate directa.
Zona catodica (2) se intinde pe o lungime foarte mica, avand ordinul de marime de (10-410-6)cm, egala cu parcursul liber al electronilor in gazul ce inconjoara catodul. In aceasta zona, se presupune ca electronii nu sufera ciocniri. Campul electric accelereaza electronii spre anod, iar ionii pozitivi spre catod si intrucat masa ionilor este considerabil mai mare decat a electronilor, viteza lor de deplasare va fi mult mai redusa.
De aceea, in zona catodica, concentratia de ioni pozitivi (sarcina spatiala) este cu mult mai mare decat concentratia de electroni, ceea ce conduce la crearea campului deosebit de intens in zona catodica.
Intensitatea campului electric este de ordinul (105 - 106 ) V/cm, asigurand astfel o emisie electronica insemnata, iar caderea de tensiune pe aceasta zona este de (820) V.
Temperatura petei catodice variaza intre 1380 C pentru magneziu si 3680 °C pentru wolfram. In general, temperatura petei catodice este mai mica decat temperatura de fierbere a metalului respectiv, exceptie facand magneziu si aluminiu.
Aceasta se datoreaza faptului ca magneziu si aluminiul formeaza oxizi a caror temperatura de topire este mult mai inalta si care ridica temperatura petei catodice. Valoarea caderii de tensiune pe zona catodica depinde de potentialul de ionizare al gazului sau vaporilor din spatiul arcului si se considera ca Uk = Ujonizare.
Zona anodica (4) se afla in vecinatatea anodului si are o intindere mai mare decat zona catodica, avand ordinul de marime (10-310-4) cm si o cadere de tensiune mai mica, avand valoarea de (23) V. In apropierea anodului este preponderenta concentrarea electronilor, creandu-se o sarcina spatiala negativa. Spectografic s-a observat ca intensitatea campului electric este mai mica decat la catod. Anodul este puternic incalzit si temperatura sa Tan este mai ridicata decat aceea a catodului deoarece la anod nu are loc emisie electronica. Emisia de electroni a catodului, in urma consumarii lucrului mecanic de iesire, este insotita de o scadere a temperaturii.
Coloana arcului (3) este practic egala cu lungimea arcului. Aici au loc ionizari, excitari si recombinari intre particulele gazului. Acest spatiu este umplut cu gaz ce are temperatura cea mai ridicata si de aceea, in coloana arcului, o importanta deosebita o capata ionizarea termica.
Coloana arcului este neutra, suma sarcinilor particulelor negative este egala cu suma celor pozitive. Ionizarea termica a gazului se produce nu numai datorita ciocnirilor neelastice ale electronilor cu atomii, ci si ca urmare a ciocnirii atomilor intre ei.
Aceasta se explica prin aceea ca in gazul ce umple coloana arcului, odata cu ridicarea temperaturii, creste rapid numarul atomilor ce dispun de energie suficienta pentru ionizarea puternica a gazului prin ciocniri. De aceea, coloana arcului contine un gaz puternic ionizat, avand temperatura in axa foarte ridicata: (60008000)°C. In schimb, pe directie radiala, temperatura in coloana arcului va fi repartizata neuniform, datorita transmiterii caldurii, temperatura fiind maxima in axa coloanei si minima la periferie.
Temperatura coloanei arcului creste odata cu cresterea curentului si scade cu scaderea potentialului de ionizare. Curentul total prin coloana arcului reprezinta o suma intre curentul dat de sarcinile pozitive ce se deplaseaza spre catod si curentul format de sarcinile negative ce se deplaseaza spre anod.
Neglijand componenta curentului data de deplasarea ionilor pozitivi, datorita mobilitatii lor mult mai mici decat a electronilor, se poate considera ca, curentul prin arc este datorat numai electronilor.
Conductibilitatea electrica a coloanei arcului este mult mai mare decat a zonei catodice, deoarece numarul de electroni emisi de unitatea de volum este mult mai mare decat a celor emisi in zona catodului. Deci, campul electric Ec va fi mult mai mic: Ec = (10 40) V/cm. Experimental se confirma studiile teoretice conform carora intensitatea campului electric in coloana arcului pe directie axiala este constanta:
(2.2)
unde:
Ec - intensitatea campului electric [V/cm];
Uc - caderea de tensiune in coloana arcului [V];
lc - lungimea coloanei arcului.
