Pollife.ru

Стройка и ремонт
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Время токовая характеристика автоматического выключателя

Время токовая характеристика автоматического выключателя

Автоматические выключатели служат для аварийного размыкания цепи в случае превышения показателей силы тока. Они позволяют уберечь приборы от поломки или выхода из строя при недопустимых нагрузках и предотвратить возгорание.

Автомат

Принцип действия

Принцип действия автоматического выключателя достаточно прост. В конструкцию выключатели входят два вида расцепителей: электромагнитный и тепловой. Первый – мгновенно срабатывает при сильном скачке силы тока. Электромагнитный расцепитель состоит из соленоида со стальным подвижным сердечником, который удерживается пружиной. Если заданный показатель тока превышается, электромагнитное поле в катушке наводится, что приводит к втягиванию катушки. В результате срабатывает механизм сопротивления. Если режим работы стандартный, магнитное поле также наводится, но оно недостаточной силы, чтобы сопротивление пружины было преодолено.

Расцепители

Второй – тепловой расцепитель имеет в своем составе биметаллическую пластину, которая рассчитана на определенную силу тока. Если протекающий ток превышает допустимые показатели, пластина из биметалла нагревается и гнется, благодаря чему также происходит расцепление электросети.

Работа автоматического выключателя основывается на этих двух расцепителях, поскольку порознь они малоэффективны.

Электромагнитный расцепитель быстро срабатывает при небольшом скачке. Но если взять во внимание, что некоторые высокопроизводительные моторы нуждаются в более сильном токе во время пуска, чем в обычном рабочем состоянии, то нет необходимости в срабатывании выключателя. В бытовых условиях такими мощными приборами являются пылесос, электрочайник, микроволновая печь. Для теплового расцепителя нужно некоторое время для нагревания и плавки пластины, которое может быть критичным для бытовых или промышленных приборов, подвергшихся высокому скачку тока. В жилом доме очень пагубным окажется влияние сильного тока на холодильник, компьютер и оргтехнику.

Расцепитель

Строение электромагнитного расцепителя

Именно поэтому два вида расцепителя применяются в автоматических выключателях сообща, а за отрезок времени от скачка силы тока до аварийного выключения отвечает времятоковая характеристика автоматического прибора.

Типы характеристик

Времятоковая характеристика определяет взаимосвязь между нарастанием силы тока и моментом аварийного отключения посредством защитного автомата. Поскольку различные условия потребления тока в бытовых и промышленных условиях требуют различного напряжения сети, автоматы для защиты также обладают различной мощностью и характеристиками срабатывания. Автоматические выключатели выпускают с номиналами силы тока от 6 до 125 ампер. В быту же наиболее часто применяются защитные автоматы на 16 или 20 ампер. Для большого частного дома подойдет устройство в 25А. Что касается времятоковой характеристики, ее обозначают латинскими буквами на маркировке выключателя. Наиболее распространены три типа: B, C, D. Данная маркировка обозначает чувствительность электромагнитного расцепителя или же скорость мгновенного срабатывания при граничном повышении силы тока.

Диапазон срабатывания для этих трех типов следующий:

Расшифровка параметров разных типов автоматов выглядит так: если автомат рассчитан на силу тока в 20 ампер, то этот показатель умножается на данные диапазона срабатывания, и получается характеристика чувствительности автоматического выключателя.

Таким образом, автомат типа В на 20 ампер выключится мгновенно при силе тока свыше 100 ампер. Граничным показателем для его срабатывания является 60А, а при силе тока от 60 до 100А скорость выключения будет зависеть от скорости нагревания биметаллической пластины теплового датчика.

При выборе электрического защитного автомата для дома или промышленных целей следует не только рассчитывать его мощность, исходя из потребляемого тока в помещении, но и обращать внимание на тип времятоковой характеристики.

Автоматы идентичной мощности, но разного типа времятоковой характеристики ведут себя по-разному. В ситуации, когда автомат типа В сработает с доли секунды, такой же предохранитель типа С отреагирует только через 5-7 секунд, что может негативно сказаться на приборах и электросети в целом. В жилой квартире, где много высокочувствительных приборов с малым потреблением тока, необходимо устанавливать выключатели типа В. Для больших коммерческих, полупромышленных или офисных помещений, где есть мощные приборы, можно применить автомат типа С. Тип D используется исключительно на промышленных объектах, где есть моторы с мощными пусковыми характеристиками.

Кривая времятоковой характеристики

Для описания времятоковой характеристики предохранительных автоматических выключателей часто используют график функций, где вертикально на оси ординат прописано время расцепления электросети в секундах и десятых секунд, а горизонтально на оси абсцисс обозначены показатели роста силы тока. На данном графике рост определяется делением тока в сети на номинальный ток автомата I/In.

График

График функции кривой времятоковой характеристики

Изображенные две кривые отвечают за показатели в холодном состоянии (сверху) и разогретом состоянии (снизу).

Дополнительная информация: Условно также нижнюю часть кривой, резко устремляющуюся вправо, считают зоной срабатывания электромагнитного расцепителя, а левую ее часть, плавно спускающуюся вниз, – зоной теплового расцепителя.

Слева от кривой размещается отрезок времени до срабатывания автоматического выключателя, а справа – после расцепления. Сама кривая представляет момент выключения. Традиционно времятоковые характеристики в виде графика функций изображаются для работы автоматов при температуре окружающей среды +30 градусов.

Если просмотреть характеристику для автомата типа В, диапазоном срабатывания которого является показатели от 3 до 5 In, то можно увидеть следующее: время отключения сети при проходящем токе в 3 In составляет 0,02 секунды в разогретом состоянии и до 35 секунд в холодном состоянии. Для автоматов мощностью свыше 32А показатель в холодном состоянии может достигать 80 секунд.

Если же проходящий ток для того же типа автомата будет равен 5In, то в горячем состоянии автомат сработает за 0,01 секунду и за 0,04 секунды в холодном.

Читайте так же:
Как правильно развести выключатель

График

График функции автомата типа С

Автомат типа С не сработает при токе в 3In, а при токе 5In он отключится за 0,02 секунды в разогретом и за 11 секунд в охлажденном состоянии. По этой причине не стоит устанавливать предохранители типа С в жилом доме, где бытовые приборы не рассчитаны на большое потребление тока и резкие перепады. Автомат типа В с высокой чувствительностью обеспечит надежную защиту проводки и электрооборудования. Если же в большом частном доме используется распределительный автомат, на входе можно разместить выключатель типа С правильно рассчитанной мощности, а для отдельных точек использовать автоматы типа В.

Устройство. Видео

Об особенностях устройства автоматического выключателя АВВ расскажет видео ниже.

Каталог статей

Любой вид токовой защиты (автоматический выключатель, предохранитель, тепловое реле, максимально-токовая защита) может характеризоваться время-токовой характеристикой, которая, как правило, задается графически.

Времятоковые характеристики защит – это зависимость времени срабатывания защиты от тока, протекающего в защищаемом элементе электрической сети (кабеле, шинопроводе, трансформаторе и др.).

Защита может иметь:

· одну непрерывную время-токовую характеристику с одной, двумя или большим числом ступеней, например, автоматический выключатель с электромагнитным (рисунок 1.1б) или тепловым расцепителем (рисунок 1.1а) имеет одну ступень время-токовой характеристики, а автоматический выключатель с комбинированным расцепителем имеет две ступени время-токовой характеристики (рисунок 1.1в);

· две или более время-токовые характеристики (рисунок 1.1г), например у автоматического выключателя с электронным расцепителем при наличии защиты от однофазных замыканий необходимо изображать две время-токовые характеристики: одна характеризует защиту от перегрузки и (или) от токов трехфазного или двухфазного короткого замыкания, другая характеризует защиту от токов однофазного короткого замыкания.

Вся время-токовая характеристика или только одна ее ступень может быть следующих видов:

· зависимая от тока характеристика времени срабатывания (рисунок 1.1а);
· независимая от тока характеристика времени срабатывания (рисунок 1.1б).

У время-токовых характеристик есть определенная зона срабатывания, определяемая погрешностью защит, точностью установки их уставок, внешними факторами. На карте селективности, как правило, показываются две линии, ограничивающие эту зону.

Рисунок 1.1 – Время-токовые характеристики

2 Селективность защит

Селективность заключается в обеспечении такой координации между время-токовыми характеристиками последовательно расположенных защит, чтобы в случае повреждения отключался только выключатель, наиболее близкий к повреждению.

Селективность защит проверяется сопоставлением их характеристик на карте селективности. Время-токовые характеристики не должны накладываться или пересекаться.

Селективность может быть, например, обеспечена между последовательно включенными автоматическими выключателями или предохранителями в сети 0,4 кВ, между защитой со стороны ВН питающего трансформатора и автоматическими выключателями или предохранителями 0,4 кВ, между автоматическим выключателем и магнитным пускателем (контактором с тепловым реле) данного присоединения.

Можно выделить так называемый предельный ток селективности (Iпр). Если ток КЗ меньше этого тока, то отключается только нижний выключатель, если ток КЗ больше этого тока, то отключаются оба выключателя.

Селективность считается полной, если при любой величине тока повреждения оно устраняется только «нижним» выключателем.

Селективность считается частичной, если имеет место быть предельный ток селективности.

Селективность бывает следующих видов:

· токовая селективность предполагает смещение или разнесение время-токовых характеристик последовательно расположенных защит по оси тока (рисунок 2.1а);

· временная селективность обеспечивается за счет смещения или сдвига время-токовых характеристик последовательно расположенных защит по времени (рисунок 2.1б);

· логическая селективность. Этот вид селективности может быть реализован при использовании микропроцессорных защит с функцией логической селективности. Воздействие оказывается только на селективную токовую отсечку и на защиту от замыканий на землю. Эта селективность осуществляется посредством передачи информации по специальной шине данных. В аварийном режиме выключатель, расположенный выше повреждения, обнаруживает его и посылает сигнал блокировки на верхний уровень. В этом случае вышестоящий аппарат будет работать с заданной выдержкой времени. В случае, если вышестоящий выключатель не получает сигнал блокировки, он срабатывает мгновенно.

Рисунок 2.1 – Виды селективности

3 Карта селективности

Карта селективности – это совокупность времятоковых характеристик защит, построенных в одних осях.

Защитные аппараты должны быть расположены в электрической сети последовательно один за другим. Как правило, на одной карте селективности изображаются время-токовые характеристики защит двух-трех защитных аппаратов.

Карты селективности защит обычно строятся на графиках с логарифмическими шкалами. По горизонтальной оси откладывается ток (А), а по вертикальной оси – время (с). Как построить логарифмические оси описано в приложении.

На рисунке 3.1 показан участок электрической сети, для защит которого может быть построена карта селективности.

Рисунок 3.1 – Схема расположения защит

In – номинальный ток автоматического выключателя;

Ir – уставка тока срабатывания защиты от перегрузки;

tr – уставка времени срабатывания защиты от перегрузки;

Isd – уставка тока срабатывания селективной отсечки;

tsd – уставка времени срабатывания селективной отсечки (выдержка времени);

Ii – уставка тока срабатывания отсечки.

При коротком замыкании в точках К2 и К3 должен сработать автоматический выключатель QF2, если автоматический выключатель QF2 не сработал, должен сработать автоматический выключатель QF1 (это называется резервированием защит), т.е. время срабатывания автоматического выключателя QF1 должно быть больше времени срабатывания автоматического выключателя QF2 при токе равном току короткого замыкания в точках К2 и К3. Если указанное условие соблюдается, то защиты называются селективными.

На карте селективности также отмечаются:

· пусковые токи электроприемников;

· минимальные и максимальные значения токов короткого замыкания в различных точках схемы.

По этим токам выбираются некоторые уставки защит.

Читайте так же:
Выключатель открытой установки одноклавишный обозначение

Пример карты селективности построенной для автоматических выключателей QF1 и QF2 (схема на рисунке 3.1) показан на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Карта селективности защит

Судя по карте селективности на рисунке 3.2 условие селективности выполняется для максимального и минимального токов короткого замыкания (в начале и в конце кабельной линии к электродвигателю), т.е. при любом коротком замыкании автоматический выключатель QF2 сработает быстрее автоматического выключателя QF1 и отключит поврежденный участок быстрее. При этом соблюдается условие резервирования защит, т.е. если автоматический выключатель QF2 по какой-либо причине не сработает при КЗ на отходящей линии к двигателю, то сработает автоматический выключатель QF1 с заданной выдержкой времени.

Срабатывания автоматического выключателя QF2 при пуске двигателя не произойдет (время срабатывания больше времени пуска двигателя). Кривая пускового тока двигателя показана на рисунке 3.2 упрощенно. При пуске двигателя ток снижается постепенно до номинального значения.

Приложение А. Построение логарифмических осей для карты селективности

Для построения логарифмической шкалы необходимо найти ее уравнение. В случае построения карты селективности имеется две логарифмические шкалы (время и ток), поэтому нужно найти 2 уравнения. Эти уравнения имеют следующий вид:

где x – координата точки время-токовой характеристики на оси тока, которая соответствует току I;

y – координата точки время-токовой характеристики на оси времени, которая соответствует времени t;

Ось не может начинаться с нулевого значения.

Для нахождения уравнений логарифмических осей необходимо задать следующие условия:

· минимальные и максимальные значения на осях координат, т.е. минимальные и максимальные ток и время (Iмин, Iмакс, tмин, tмакс);

· координаты точки начала осей (xмин, yмин), которые соответствуют минимальным значениям тока и времени, например (0,0);

· координаты точек с максимальными значениями тока и времени, т.е. границы осей на плоскости (xмакс, yмакс).

Коэффициенты в уравнениях (А.1):

Например, необходимо построить карту селективности на листе А4. Параметры заданы такие:

Подставляем заданные параметры в уравнения (А.2):

Уравнение осей будут такими:

Необходимо разметить шкалы по найденым уравнениям, т.е. найти промежуточные значения тока и времени между максимальными и минимальными значениями и найти координаты этих значений на осях.

Оси для построения карты селективности по указанным выше параметрам показаны на рисунке А.1 (размеры на рисунке указаны в см).

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика

Статическая вольтамперная характеристика является зависимостью напряжения дуги от поступаемого сварочного тока при постоянном значении длины дуги. Эта характеристика напрямую зависит от источника питания. Существует три типа статических характеристик:

  • падающая;
  • жесткая;
  • возрастающая.

Существующие характеристики

Сварку, производимую в обычных условиях или с использованием аргона, характеризует первый тип вольтамперной характеристики. При этом используемый сварочный ток имеет небольшие значения силы тока (до 80 Ампер), позволяя получать сварные швы небольшого размера.

При возрастании силы тока, используемой при сварке в обычных условиях, процесс ионизации активизируется и при этом возрастает площадь получаемого сечения дуги, что значительно облегчает процесс сварки. При сварочной дуге в аргонной среде происходит интенсивная ионизация непосредственно самой газовой среды со значительным повышением температуры защитного газа.

Сварочная дуга, которая возникает при силе тока от 80 до 300 Ампер, характеризуется вторым типом, для которого свойственно сложение низких значений напряжения. При этом площадь получаемого сечения будет пропорциональна значению силы тока, используемого при сварке, что позволяет получать швы необходимого размера и соединять различные конструкции, выполненные из разнообразных материалов. Проводимость сварочной дуги при этом остается постоянной.

При сварке с силой тока, превышающей 300 Ампер, говорят о возрастающей вольтамперной характеристике. При этом возникающее напряжение увеличивается в результате скопления большого количества заряженных частиц на электроде, автоматически вызывая падение напряжений на катоде.

Таким образом, можно сказать, что для падающей статической вольтамперной характеристики свойственно увеличение силы тока при снижении напряжения. Для жесткой – характерна независимость напряжения от силы тока. Для возрастающей – свойственно увеличение напряжения при возрастающем сварочном электрическом токе.

В процессе ручной сварки электродом с легирующим покрытием характеристика будет падающей, при возрастании силы тока она будет переходить в жесткую. При сварке с использованием флюса или в углекислой среде жесткая статическая характеристика будет переходить в растущую. При неизменной силе тока напряжение может меняться только от длины дуги.

2.1.2. Вольт-амперная характеристика дуги (вах)

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характеристика называется волтамперной. Имеет место статическая вольт-амперная характеристика и динамическая вольт-амперная характеристика.

С ростом тока i

увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги
.
Напряжение на дуге равно
.
Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном его изменении называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

а) Статическая вольт-амперная характеристика

,

напряжение на дуге;

сумма околоэлектродного падений напряжений;

напряженность поля в столбе дуги;

l

длина дуги.

Величина l

зависит от тока и условий, в которых горит дуга. Статические вольт-амперные характеристики дуги имеют вид:

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е

и поднимается вольт-амперная характеристика. Охлаждение дуги существенно влияет на эту характеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрастать мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольт-амперная характеристика поднимается. Этим широко пользуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Читайте так же:
Выключатель ва57 с независимым расцепителем

ВАХ дуги (рис.1) приведена для небольших плотностей токов (до 100 А/мм 2 ). При дальнейшем увеличении тока ВАХ становится горизонтальной. Если продолжить увеличение тока – напряжение начнет увеличиваться.

Эластичность сварной дуги.

При проведении сварки необходимо учитывать длину дуги, используемой при сварке, так как от неё напрямую зависит такая важная характеристика как эластичность.

Для получения качественного сварного шва необходимо бесперебойное горение сварочной дуги, которое характеризуется эластичностью сварной дуги. Говорят, что дуга достаточно эластична, если сварочный процесс остается устойчивым при увеличении длины сварной дуги.

Получаемая эластичность находится в прямой пропорциональной зависимости от значения силы тока. При высоких изменяющихся параметрах источника питания происходит сокращения переходного периода при различных изменениях в электрической системе, что позволяет получать качественное соединение за короткий промежуток времени.

Вольт-амперная характеристика дуги

В начальный момент для возбуждения дуги необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации невысокая и необходимо напряжение, способное сообщить свободным электронам такую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация. Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение падает до значения, необходимого для устойчивого горения дуги.

Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 8, а) имеет три области: падающую 1, жесткую 2 и возрастающую 3. В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100. 1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока. В области 3 напряжение возрастает вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга области 1 горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области 2 горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали (рис. 8, б) представлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит: от рода тока (постоянный или переменный), длины дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2. 4 мм, находятся в пределах 40. 70 В.

Коэффициент полезного действия.

Сварка всегда сопровождается выделением большого количества теплоты, которое используется для расплавления свариваемых деталей. Практически вся потребляемая электрическая энергия трансформируется в тепловую энергию, при помощи которой происходит плавление металла и нагревание окружающего воздуха.

КПД при любых сварочных работах имеет различные значения и во много зависит от марки электродов, химического состава флюса, типа сварного соединения и скорости производимой сварки.

Для получения качественных сварных швов при организации процесса сварки обязательно следует учитывать все характеристики сварочной дуги и контролировать их в процессе работы. Это позволит оптимизировать весь процесс и максимально сократить побочные энергетические затраты. Соблюдение всех параметров сварочной дуги при выбранном типе сварки является необходимым условием обеспечения высокого качества работ. К тому же это позволит обеспечить длительный срок эксплуатации соединяемых конструкций.

Классификация источников питания сварочной дуги

По типу сварочного тока

Итак, мы уже разобрали, что источником питания может быть трансформатор, выпрямитель и генератор. Но в более широком смысле все эти источники можно поделить еще на несколько подгрупп. Одна из них — тип тока, который генерирует источник.

Источник может генерировать постоянный или переменный ток. Классический трансформатор и генератор повышенной частоты зачастую генерирует переменный ток. Сварочный выпрямитель генерирует постоянный ток.

Чем отличается источник питания на постоянном токе и на переменном?

Сварочный аппарат переменного тока и постоянного в чем разница? Давайте разбираться.

Аппарат на переменном токе очень прост: он собирается из понижающего трансформатора и специального механизма, который регулирует силу сварочного тока. При применении сварочной дуги переменного тока сварка ведется на переменном токе соответственно.

трансформатор

Аппарат на постоянном токе более технологичен. Его основные компоненты — это понижающий трансформатор, устройство, выпрямляющее ток (выпрямитель), которое преобразовывает поступающий переменный ток в постоянный, и устройство, регулирующее силу тока. Соответственно, здесь сварка ведется на постоянном токе.

Это основные конструктивные различия. Есть еще различия эксплуатационные. Сварка постоянным током предпочтительнее, поскольку у этого источника тока больше преимуществ. Аппараты на постоянном токе намного компактнее и проще в применении, они технологичнее, и в целом считаются более современными. Сварка переменным током сложнее и характеризуется нестабильностью горения дуги.

Также упомянем инверторные источники питания, которые на данный момент считаются самыми технологичными и распространенными. Это сложные аппараты, которые многократно преобразовывают ток, сглаживая его с помощью специальных фильтров, и впоследствии выпрямляют. В результате сварщик получает постоянный ток, а значит крайне стабильную дугу, которая легко поджигается. Также инверторные аппараты снабжаются электронным блоком управления, который прост в применении.

Читайте так же:
Беспроводная клавиатура с выключателем питания

инвертор

Инверторный источник сварочного тока — самый распространенный тип на данный момент. Такие аппараты самые компактные и легкие (в продаже есть модели весом не более 3-5 кг), при этом они оснащаются дополнительным функционалом, упрощающим сварку.

По количество постов и способу установки

Здесь все намного проще. Вне зависимости от типа источника питания, будь он переменный или постоянный, трансформатор или инвертор, в любом из них может быть либо один разъем для сварки, либо 3 и более.

Аппараты с одним разъемом называются однопостовыми и предназначены для генерирования одной сварочной дуги. Т.е., для применения одним сварщиком. Аппараты с большим количеством разъемов называются многопостовыми, и сразу несколько сварщиков могут производить сварку от одного аппарата.

Источники питания по способу установки могут быть мобильными (переносными) или стационарными.

Вольт амперная характеристика автоматического выключателя

В электронных приборах движение электронов происходит без столкновений, или без соударений их с атомами газа. В ионных приборах, наоборот, при движении электронов происходит соударение их с атомами или молекулами газа или ртутного пара, которым заполняются баллоны приборов.

Кинетическая энергия электрона зависит от его скорости. При соударении электроны передают часть своей кинетической энергии атомам или молекулам газа.

При малой скорости движения электрона соударение с атомами будет упругим, при котором происходит только изменение скорости движения соударяющихся частиц. При больших скоростях движения электронов соударения становятся неупругими, при которых энергия, получаемая атомом газа, достаточна для ионизации или для возбуждения атома.

Ионизация газа состоит в расщеплении его атомов на электроны и положительные ионы.

Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы электрически заряженных частиц. Поэтому для отделения электрона надо совершить работу по преодолению сил взаимного притяжения. Эта работа называется работой ионизации (Ли). Она характеризуется потенциалом ионизации или разностью потенциалов между двумя точками пути движения электрона в электрическом поле, на котором энергия его увеличивается до значения работы ионизации

Значения потенциалов ионизации для некоторых газов даны в табл. 15-1.

Таблица 15-1 Потенциалы возбуждения и ионизации для некоторых газов

Таким образом, для ионизации газа необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была равна или больше работы ионизации, т. е.

Если кинетическая энергия электрона недостаточна для ионизации газа, то он может вызвать возбуждение атома газа. При возбуждении атома газа один из его электронов, получив некоторую порцию энергии, переходит на более высокий неустойчивый энергетически уровень, но через короткое время (примерно возвращается на свой прежний энергетический уровень, выделяя при этом избыточную энергию в виде светового излучения (квант света). Таким образом, возникает свечение газа. Атомы газа, которые могут находиться в возбужденном состоянии более продолжительное время, называются метастабильными.

Для возбуждения атома газа необходима энергия, определяемая потенциалом возбуждения т. е.

Значения потенциалов возбуждения для некоторых газов даны в табл. 15-1.

Соударение свободного электрона с возбужденным атомом может привести к его ионизации, которая в этом случае называется ступенчатой и для которой нужна меньшая кинетическая энергия свободного электрона.

Газ в обычных условиях является хорошим диэлектриком, так как содержит ничтожное количество свободных электронов и ионов. Наблюдающаяся ничтожная проводимость газа вызывается, постоянной ионизацией его лучами радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в атмосфере, и космическими лучами. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, сильное электрическое, поле и высокие температуры также вызывают ионизацию газа.

При непрерывной ионизации газа с постоянной интенсивностью происходит не только расщепление молекул на электроны и положительные ионы, но и образование отрицательных ионов в результате соединения свободных электронов с нейтральными атомами. В то же время происходит процесс воссоединения (рекомбинация) некоторой части ионов с электронами с образованием нейтральных молекул, так что число ионов и свободных электронов в единице объема газа остается постоянным.

Рис. 15-1. Схема соединения для получения вольт-амперной характеристики газового промежутка.

Если между электродами газоразрядного прибора (рис. 15-1), к которым приложено напряжение, находится газ, ионизируемый с постоянной интенсивностью, то под действием сил электрического поля положительные ионы перемещаются в направлении доля, а электроны и отрицательные ионы в обратном направлении, таким образом в цепи проходит электрический, ток.

Совокупность явлений, происходящих в газе при прохождении через него электрического тока, называется электрическим разрядом в газе.

При увеличении напряжения между электродами (рис. 15-1) вначале ток растет пропорционально напряжению. Начальная часть ОА вольт-амперной характеристики (рис. 15-2) прямолинейна.

При дальнейшем увеличении напряжения рост тока замедляется (участок АБ), а затем совсем прекращается (участок БВ). В этом случае все ионы, образовавшиеся под действием ионизатора, переносятся от одного электрода к другому без рекомбинаций. Максимальный ток, возможный при данной интенсивности ионизации, называется током насыщения.

Электрический разряд в газе, Для возникновения и поддержания которого необходимо воздействие на газ внешнего (постороннего) ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Рис. 15-2. Вольт-амперная характеристика газового промежутка.

Сильное электрическое поле может вызвать в газовой среде самостоятельный разряд, т. е. такой, который возникает и поддерживается без действия других внешних факторов. Очевидно, для его существования необходимо непрерывное образование свободных заряженных частиц. Источником их является ударная ионизация газа.

Читайте так же:
Как правильно выбрать выключатель или розетку

При увеличении напряжения между электродами (рис. 15-1) при некотором его значении, называемом напряжением зажигания ток в газе резко возрастает (участок ВГ на рис. 15-2) в результате ударной ионизации и возбуждения атомов газа. Газ начинает слабо светиться. Вновь полученные вторичные заряды в свою очередь также ионизируют нейтральные атомы газа. Процесс образования ионов развивается лавинообразно. Разрядный промежуток оказывается заполненным ионизированным газом, содержащим примерно одинаковое количество положительных и отрицательных заряженных частиц — газовой плазмой. Тазовая плазма обладает большой проводимостью, которая увеличивается с повышением температуры. Сила тока в этом случае ограничивается балластным сопротивлением (рис. 15-1), соединенным последовательно с разрядным промежутком.

При нормальном и пониженном давлении в газах наблюдаются три различных стадии самостоятельного разряда: темный, тлеющий и душей. Характер разряда зависит от напряжения, формы и расположения электродов, расстояния между ними, от состава газа, температуры, давления и т. д.

Темный (тихий) разряд. Как показывает само название, этот разряд сопровождается весьма слабым испусканием света и звука. Он представляет собой начальную стадию самостоятельного разряда и характеризуется незначительными плотностями тока (примерно ). Темному разряду соответствует участок ВГ вольт-амперной характеристики газового разряда (рис. 15-2). Ионизация газа за счет космических лучей и естественной радиоактивности Земли происходит вдоль всего междуэлектродного промежутка. Электроны перемещаются к аноду, а положительные ионы — к катоду. Когда число ионов, падающих на катод, становится достаточным для того, чтобы выбитые ими электроны могли поддерживать разряд без внешнего ионизатора, разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный.

Тлеющий разряд. Темный разряд переходит в тлеющий, который сопровождается свечением газа и для которого характерны значительно большие плотности тока (более 103 А/см2) и большая интенсивность ионизации, в связи с чем уменьшается напряжение на электродах (участок ГД характеристики рис. 15-2). Нормальный тлеющий разряд характеризуется постоянной плотностью тока на катоде (участок кривой ГД, расположенный параллельно оси тока). Это означаем, что площадь поверхности катода, через которую проходит ток (светящийся участок поверхности), изменяется пропорционально току. После того как ток начнет проходить через всю поверхность катода, что соответствует точке Д характеристики, нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный тлеющий разряд, при котором плотность тока, проходящего через поверхность катода, начнет нарастать. Это требует повышения напряжения между электродами, при этом увеличивается и напряжение на прикатодном участке разрядного промежутка, где положительные ионы образуют объемный заряд. Увеличение этого катодного падения напряжения означает возрастание на этом участке напряженности поля, ускоряющего электроны, и увеличение интенсивности ионизации.

Тлеющий разряд используется в газосветных (неоновых) лампах, в газотронах, тиратронах, стабилитронах и других приборах.

Дуговой разряд (электрическая дуга). Для него характерны очень большие плотности тока на катоде (до А/см2 и выше) при относительно низком напряжении (примерно 15—30 В).

Дуговой разряд может развиваться и поддерживаться как при разреженном газе, так и при нормальном атмосферном давлении.

Дуговой разряд можно получить различными путями:

1. При повышении напряжения на разрядном промежутке до некоторого значения, называемого напряжением зажигания дуги (точка Д на рис. 15-2), тлеющий разряд переходит в дуговой (участок ЕЖ на рис. 15-2). При этом поддержание дуги происходит за счет термоэлектронной эмиссии катода, раскаленного ударами ионов. Такой дуговой разряд-называется самостоятельным. Термоэлектронная эмиссия вызывает увеличение числа электронов, т. е. силы тока в дуге, а следовательно, увеличение падения напряжения на балластном сопротивлении и уменьшение напряжения на электродах.

Если термоэлектронная эмиссия катода вызывается нагреванием катода током от внешнего источника питания, то дуговой разряд будет несамостоятельным.

Рис. 15-3. Вольт-амперная характеристика электрической дуги.

2. При электросварке дуговой разряд получают сближением электродов до их соприкосновения.

Сильное нагревание током места соприкосновения электродов обеспечивает ионизацию междуэлектродного промежутка и образование электрической дуги при их раздвигании. Газоразрядная плазма между электродами имеет очень высокую температуру (выше 4 000° С) и обладает большой проводимостью. При увеличении тока температура и проводимость плазмы увеличиваются, а напряжение между электродами падает, так что характеристика дуги имеет падающий характер (рис. 15-3).

Наряду с дуговым разрядом, обусловленным термоэлектронной эмиссией с твердого металлического катода, возможен дуговой разряд с электростатической эмиссией, получаемой с поверхности ртутного (жидкого) катода, например в ртутных вентилях. Дуговой разряд в них происходит в парах ртути. Основанием дуги является светящееся пятно на поверхности ртутного катода, эмиттирующее электроны, ионизирующие пары ртути, получаемые с поверхности того же катодного пятна. Электрическая дуга открыта в 1802 г. русским академиком В. В. Петровым.

Наряду с тремя основными видами газового разряда, рассмотренными выше, различают еще две разновидности разряда:

1. Коронный разряд (корона). На поверхности круглых проводов малого диаметра или на заостренных частях проводов (на остриях) имеют место значительные напряженности электрического поля. Если они достигают некоторого критического значения, то в этих местах появляется разряд, который сопровождается слабым свечением, заметным в темноте, называемым короной, вызванной ионизацией и возбуждением газа.

2. Искровой разряд или просто искра. Если напряжение между двумя электродами достигнет значения пробивного напряжения, а напряженность поля между электродами пробивной напряженности (§ 1-7), то произойдет искровой разряд. Он имеет вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего электроды. Лавина электронов и ионов, перемещающаяся в канале по пути наименьшего сопротивления, вызывает резкое повышение температуры и давления, отчего он сопровождается характерным треском.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector