книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

ную молекулу и газ становиться неэлектропроводным. Этот процесс называется рекомбинацией ионов.

Высокая подвижность молекул газа и значительно меньшая его плотность по сравнению с электропроводящими жидкостями и ме- таллическими проводниками приводит к тому, что законы Ома и Фа- радея в них не соблюдаются (электропроводность ионизированного газа близка к «короткому замыканию» электродов). Поэтому график вольтамперной характеристики (зависимости тока от напряжения) процесса не является наклонной прямой, как у проводников, а имеет участок подъёма, участок горизонтальной прямой или участок тока насыщения (относится к несамостоятельной проводимости), а затем резкого подъёма соответствующего пробою или самостоятельному поддержанию ионизации электрическим полем.

Наибольшее практическое значение имеет самостоятельная про- водимость газов, имеющая характер пробоя газового промежутка между электродами.

Искровой разряд или искровой пробой газа возникает (зажига- ется) при достаточной напряжённости электрического поля (для воз- духа порядка нескольких десятков тысяч в/см) в газовом промежут- ке, когда газ внезапно нагревается до высокой температуры и резко становиться электропроводящим, имея вид светящегося извилистого шнура. Величина напряжённости электрического поля, вызывающая искровой пробой газа (проскакивание искры), у разных газов зависит отдлины газового промежутка,температуры и давления.Чем меньше газовый промежуток, выше температура и меньше давление газа,тем при меньших значениях напряжённости электрического поля у газа возникает искровая ионизация. Напряжение, при котором происхо- дит искровой пробой газа, называется напряжением пробоя. Процесс искрового пробоя называется ударной или лавинообразной иони- зацией. Это самоусиливающийся процесс, заключающийся в увели- чивающемся многократно числе разрушений нейтральных атомов и молекул газа заряженными частицами,разогнанных электрическим полем. Молния это природный искровой разряд в атмосфере.

По максимальной длине искры между стандартными электродами может оцениваться напряжение вызывающее пробой газа (принцип работы искрового вольтметра).

Искровой разряд применяется при высокоточной обработке ме- таллов в технологии электроискровой обработки. Это разновидность электроэрозионных методов обработки металлов, где искровым раз- рядом воздействуют на материал, что позволяет получать изделия с высокой точностью и чистотой поверхности.

Искровой разряд инициируетвзрыва,процессы горения,использу- ется в спектроскопическом анализе металлов.

120

Искровой разряд получают на шарообразных электродах, повы- шая разность потенциалов на электродах. В противоположность шарообразным (близко расположенным) электродам, лавинообраз- ную ионизацию можно создавать и на уединённых телах с большой кривизной поверхности. Например, на тонких и острых электродах (и других заострённых предметах) в очень сильно неоднородном электрическом поле. У поверхности таких электродов в радиальном направлении эквипотенциальные поверхности очень сильно сгуще- ны, следовательно, и напряжённость электрического поля достигает наибольших значений у поверхности тонких и заострённых элек- тродов, а затем уменьшается с удалением от них. Чем тоньше или острее электрод, тем больше такая неоднородность электрического поля.Тонкий или острый электрод образует с окружающими удалён- ными предметами, сообщёнными с Землёй, огромный конденсатор. Чтобы зажечь коронный разряд электрод подключают к отрица- тельному полюсу электрической машины высокого (несколько ты- сяч вольт) напряжения, а положительный полюс машины заземля- ют. Когда напряжённость поля достигает предельного значения (для воздуха около 30 тысяч в/см), вокруг электрода возникает свечение, внешне имеющее вид короны.

Этот тип ионной ионизации воздуха называется коронным раз- рядом. Свечение воздуха указывает на то, что между электродом и окружающимися предметами движутся ионы от электрода, соеди- нённого с отрицательным полюсом электрической машины, к окру- жающим предметам, соединённым с Землёй и положительным по- люсом машины. Ионы в воздухе образуются в результате ударной ионизации заряженными частицами (электронами) под действием электрического поля.

Ионизационные процессы происходят только вблизи коронирую- щей поверхности электрода при атмосферном давлении воздуха.

Если коронирующий электрод является катодом, то такую коро- ну называют отрицательной, где ионная лавина направлена от него. В удалении от него напряжённость электрического поля являет- ся недостаточной, чтобы обеспечивать лавинообразную ионизацию, электроны «прилепляются» к нейтральным молекулам, образуя от- рицательные ионы, благодаря чему они становятся носителями тока к окружающим предметам, сообщёнными с Землёй.

Если коронирующий электрод является анодом, то такую коро- ну называют положительной, где электроны притягиваются к аноду, а положительные ионы, отталкиваясь от него, являются носителями тока к окружающим предметам, сообщёнными с Землёй.

В отличие от ровного свечения отрицательной короны, в положи- тельной короне иногда наблюдаются разбегающиеся от коронирую-

121

щей поверхноститускло светящиеся извилистые каналы,которые при увеличении напряжения превращаются в искровые каналы.

Во время гроз у поверхности земли появляется сильное электри- ческое поле. Напряжённость поля особо значительна у острого конца молниеотвода, на нём зажигает коронный разряд, иногда видимый с земли.

На ЛЭП молниезащита осуществляется с помощью заземлённого на опорах тросового молниеотвода протянутого над фазными прово- дами.

Коронный разряд на фазных проводах высоковольтных ЛЭП вы- зывает значительные потери энергии.Для сокращения потерь на «об- щую корону» применяется расщепление проводов ЛЭП на несколько составляющих (снижая этим кривизну поверхности провода), в зави- симости от номинального напряжения линии.

Коронный разряд применяется в электростатических фильтрах, в копировальных аппаратах (ксероксах).

Коронный разряд происходитпри атмосферном давлении воздуха,

иможет происходить в любом другом газе как ниже, так и выше ат- мосферного давления.

Спомощью коронного разряда можно определять давление газа внутри лампы накаливания (стало неактуально из-за появления све- тодиодных ламп).

В изобретении а. с. 427423 на «Способ определения давления газа в электрических лампах накаливания» предложен косвенный метод определения давления газа в лампах накаливания с помощью корон- ного разряда. Он предназначался не допустить снижение качества ламп в случае недобора в них наполняемого газа, а так же устранить перерасход наполняемого газа в случае завышенного давления в лам- пе. Ранее давление в лампе определялось непосредственно: путём разбивания контролируемой лампы в герметичной камере, сообщён- ной с U — образным манометром, отградуированным на стандартные значения давлений в лампе.

Определение давления необходимо для того, чтобы оценить пол- ноту наполнения стеклянной колбы лампы инертным газом и, тем самым, внести коррективы в технологический процесс наполнения, чтобы вовремя исключить перерасход или недобор газа.Величина на- пряжения разряда зависит от диаметра нити накала и давления газа вокруг неё. Для всех ламп одного типа нить накала практически одна

ита же. Поэтому разброс значений коронного разряда в таких лампах будет незначительным и зависеть только от давления инертного газа внутри стеклянной колбы.

Для способа определения давления с помощью коронного разряда техническим преимуществом являлосьто,что контролируемая лампа

122

остаётся целой, будь она годной или нет, в противоположность тому, что при непосредственном определении давления контролируемая лампа подлежала безвозвратному уничтожению, будь она годной или нет.

Коронный разряд применяется и в электростатических сепарато- рах аэрозольной влаги. Взамен обычным механическим сепараторам влаги предложен авиационный сепаратор влаги (рисунок ниже), в ко- тором аэрозоль влаги электризуется с помощью коронного разряда, получаемого от собственного источника электрических зарядов — трибоэлектрического генератора (проект разработки технического решения).

Аэрозоль влаги, практически, не несет на себе какого-либо заряда, он нейтрален,но поддается электризации (переходу к противополож- ному состоянию аэрозоля),что позволяетполучитьтехническое преи- мущество в сравнении с обычной механической сепарацией влаги.

Электрический сепара-

тор содержит: 1 — трибо­

электрический генератор;

2, 8 — выходной и входной патрубки; 3 — ротор; 4 — крыльчатку; 5 — щель; 6 — камеру сбора влаги; 7 — дренажный штуцер; 9 — коронирующие катод- ныеэлектроды;10 —сфери- ческий анодный электрод.

Для создания активного электрического заряда на поверхности частиц аэрозольной влаги использованы коронирующие электроды 9 в виде электрически изолированных острых игл, установленных во входном патрубке 8. Чтобы обеспечивать лавинообразную иониза- цию, катодами являются данные коронирующие иглы. С острия коро- нирующих катодных электродов 9 стекают электроны, которые «при- лепляются» к нейтральным молекулам аэрозольной влаги, образуя отрицательные ионы. Отрицательные ионы становятся носителями тока к сферическому анодному электроду 10.

Трибоэлектрический генератор 1 размещен на выходном патрубке 2 в торообразной защищённой камере, где обеспечены нормальные условия его работы.Болеетого,что важно,в выходном патрубке 2 осу- шенный воздух имеет свойства изолятора с трудом поддающийся ио- низации.

Ротор 3 трибоэлектрического генератора 1 выполнен из диэлек- трических материалов.На оси ротора 3 установлена крыльчатка 4 вы-

123

полненная из сеточного материала. Периферия крыльчатки 4 через кольцевую щель5 входитв камеру сбора влаги 6 имеющейдренажный штуцер 7. Коронирующие электроды 9 электрически соединены с по- люсом «минус» трибоэлектрического генератора 1. Расстояние между электродами 9 и сферическим анодным электродом 10, подключён- ным к полюсу «плюс» трибоэлектрического генератора 1, пропорци- онально скорости воздушного потока. Воздух с аэрозольной влагой через входной патрубок 8 поступает на крыльчатку 4 и насыщает её сеточную структуру влагой. Крыльчатка 4 совместно с ротором 3 три- боэлектрического генератора 1 приводится воздушным потоком во вращение с увеличивающейся скоростью. Механическая энергия вращения ротора 3 трибоэлектрического генератора 1 преобразуется в электрическую энергию. Частицы аэрозольной влаги, следуя через зону коронирующих электродов 9, приобретают отрицательный элек- трический заряд и под действием электрического поля устремляют- ся к сферическому анодному электроду 10, на поверхности которого частицы влага коагулируют (сливаются), теряя заряд, и формируют пленку влаги. Под действием скоростного напора воздуха пленочная влага сбрасывается с поверхности сферического анодного электрода 10 на сеточную структуру крыльчатки 4.Влага внутри сеточной струк- туры крыльчатки 4 под действием центробежных сил и сил капилляр- ности перемещается к её периферии и крупными каплями сбрасы- вается в камеру сбора влаги 6. Жидкость, собранная в камере сбора влаги 6,через дренажный штуцер 7 удаляется за пределы летательно- го аппарата (ЛА). Осушенный воздух через выходной патрубок 2 на- правляется в отсеки ЛА.

При поступлении в сепаратор сухого воздуха сеточная структура крыльчатки 4 остается свободной от влаги, а, значит, проницаемой для воздуха. Скорость вращения крыльчатки 4 снижается до уровня достаточного для обеспечения энергией возбудителя трибоэлектри- ческого генератора 1.

В противоположность искровому и коронному разряду по многим параметрам,мощнуюударнуюионизациюввоздухеприатмосферном давлении получил русский физик В. В. Петров (1761–1834 гг.) в зазоре между угольными электродами, подключёнными к большой электри- ческой батареи (из 4200 медных и цинковых кружков). После сопри- косновения электродов, когда в контакте создалось очень большое электрическое сопротивление и электроды раскались добела, при по- следующем их размыкании в образовавшемся зазоре вспыхивает яр- кое пламя или дуговой разряд (плазма),зажигается мощная электри- ческая дуга или «вольтова» дуга. Ярко светящиеся концы угольных электродов затеняют свет самой дуги. Мощная ионизация образуется в результате того, что катод, накалённый до очень высокой темпера-

124

туры (до 3500 0 С в зависимости от материала), испускает огромное количество электронов, разгоняемые электрическим полем дуги. Мощная электронная эмиссия с катода создаёт ударную ионизацию

вразрядном промежутке.Анод, принимая удары ионов и электронов, имеет более высокую температуру (до 4000 0 С), чем катод, и сгорает быстрее. Из-за сильной возгонки угля на конце анодного электрода образуется углубление — положительный кратер, который является самой горячей частью этого электрода. Столб раскалённого воздуха, образовавшийся в зазоре, очень хороший проводник электричества. В результате непрерывной электронной и ионной бомбардировки молекул воздуха плазма, образующаяся в промежутке, имеет более высокую температуру, чем концы угольных электродов. Поэтому поч- ти все известные вещества в дуге плавятся или превращаются в пар. Для поддержания дугового разряда в отличие от искрового и корон- ного разряда необходимо небольшое напряжение (40 ÷ 45 в), однако ток протекает довольно значительный. Катод поддерживается в на- калённом состоянии током, проходящим через дугу, во что основную лепту вносят положительные ионы, падающие на него при электрон- ной бомбардировке. В промышленности у мощных дуг ток достигает сотни ампер. В дуговом разряде увеличение силы тока сопровождает- ся уменьшением напряжения на электродах (поэтому у процесса па- дающая вольтамперная характеристика), что связано с уменьшением электрического сопротивления в дуговом промежутке.Для поддержа- ния устойчивого горения дуги последовательно с ней включается ре- гулируемое балластное сопротивление (например, реостат).

Дуговой разряд имеет как полезное применение, так и неизбеж- ные нежелательные проявления.

Например, при эксплуатации высоковольтных электроустановок

вконтактных коммутационных устройствах при размыкании кон- тактов неизбежно появление электрической дуги, которая поврежда- ет контакты и способствует «коротким замыканиям». С чем ведётся борьба различными способами: применяются масляные и вакуумные выключатели, дугогасительные камеры, автоматические выключате- ли и т. п.

Открытая дуга имеет сильное световое излучение в ультрафиолето- вом диапазоне, которое опасно для зрения и кожи человека, поэтому, например, сварщикам для работы обязательным является использова- ние специальной защитной маски с затемнёнными светофильтрами.

Бактерицидные свойства УФ-излучения используются в меди- цине для стерилизации воздуха, дистиллированной воды и опера- ционных помещений. Источником УФ-излучения являются ртутные кварцевые лампы (колбы ламп изготовлены из плавленого кварца, обычное стекло задерживаетУФ).

125

Учитывая, что электрическая дуга плавит практически все извест- ные материалы и создаёт световое излучение ярче солнечного, она используется при электросварке металлов, для выплавки стали в ду- говых печах и в освещении с помощью мощных дуговых электроламп (для получения видимого света используется люминофор,преобразу- ющий УФ в белый свет), служит источником плазмы в плазмотронах.

В изобретении а. с. 258490 на «Способ автоматической дуговой сварки» ленточным электродом предложено для широкого регулиро- вания формы и размеров сварочной ванны (расплавленного металла между кромками свариваемых частей изделия) изгибать ленточный электродвдольегообразующей,придаваяемукриволинейнуюформу, которую изменяют в процессе сварки.

На рисунке слева ленточный электрод 3 изогнут под определён- ную форму и размеры сварочной ванны. Справа показаны изменения формы поперечного сечения ленточного электрода в процессе изги- бания.

Сварка ленточным электродом прямоугольного сечения посто- янной ширины не позволяла регулировать тепловой режим, форму

иразмеры сварочной ванны формирующегося сварного шва, и тре- бовала подбора размеров сечения ленточного электрода. Техниче- ским преимуществом предложенного способа является широкое ре- гулирование формы и размеров сварочной ванны при постоянной ширине ленточного электрода (без нарушения симметрии теплового

игазового потоков,формы ванны относительно оси шва),которое до- стигаетсяпутёмприданияпоперечномусечениюленточногоэлектро- да криволинейной формы, симметричной относительно оси шва, из- меняемой в процессе сварки.

Действительно, ширина ленточного электрода всё время должна соответствовать ширине сварного шва — это аксиома для сварщика.

При прямой полярности плавящийся электрод (самый распростра- нённый способ сварки) подключён к отрицательному полюсу источ-

126

ника постоянноготока,а свариваемые части изделия —к положитель- ному полюсу. Дуговая сварка под флюсом и в среде защитных газов обычно производится на обратной полярности.

Важное свойство электрической дуги это её саморегулирование,на- пример,принарушенииустановившегосяравновесиямеждускоростью подачи плавящегося электрода и скоростью его плавления.Увеличение длины дуги вызывает в электрической цепи уменьшение сварочного тока, а, значит, и скорости плавления электрода, следовательно, ско- рость его подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости его плавления.Возникшее несоответствие приводит к восстановлению длиныдугизасчётопереженияскоростиподачиэлектрода.Приумень- шении длины дуги скорость плавления электрода становится больше скорости его подачи,это приводит к восстановлению нормальной дли- ныдуги за счётбыстрого растекания расплавленного электрода.На эф- фективность саморегулирования дуги влияет форма вольтамперной характеристики источника постоянного тока. Быстродействие колеба- ний длины дуги осуществляется автоматически и оно тем выше, чем жестче вольтамперная характеристика всей цепи.

Вотличиеотискрового,коронного,дуговогоразрядов,получаемых при атмосферном давлении воздуха, существует иной тип разряда

вгазах, возникающий при пониженном давлении воздуха.

Врассмотренном выше изобретении а. с. 177497 показан радио- прозрачный молниеотвод, из диэлектрической трубы которого от- качивался воздух, чтобы электрическое поле развивающейся молнии могло вызывать его ионизацию.

Подобное можно осуществитьи вдлинной стекляннойтрубке с по- мощью электродов, подключённых к источнику постоянного тока

снапряжением в несколько тысяч вольт. Откачивая из трубки воздух, при достаточно низком его давлении вспыхивает светящийся разряд, который при дальнейшем понижении давления (до нескольких де- сятых мм рт. ст. или до 100 Па) расширяется и заполняет почти весь объём трубки. Этот тип самостоятельного разряда в газах называется тлеющим разрядом.В нём поддерживается сильная ионизация газа,

хорошо проводящая электричество. В противоположность дуговому разряду катод и анод у тлеющего разряда находятся в холодном со- стоянии.

Вблизи катода расположено несветящееся пространство или тём- ное катодное пространство. Разность потенциалов между катодом и ближайшей границей тёмного пространства (разность потенциалов приходится на тёмное пространство) называют катодным падением потенциала (это сотни, иногда и тысячи вольт). Без катодного паде- ния потенциала тлеющий разряд не может существовать. Катодное падение потенциала зависит от материала катода и от рода газа, на-

127

пример, покрытие катода барием облегчает выбивание электронов и, тем самым, снижает катодное падение. От границы тёмного про- странства вплоть до анода светящийся столб воздуха, длина которо- го зависит от давления, получил название положительный столб. Действительно, газ в светящемся столбе ионизирован ударами элек- тронов, испускаемыми катодом, до положительных ионов, которые, падая на катод, выбивают из него новые электроны. Свет тлеющего разряда исходит из положительного столба, при этом цвет излучения зависит от рода газа. При некотором давлении положительный столб может распадаться на чередующие светлые и тёмные слои, называе- мые стратами.

Трубки с тлеющим разрядом нашли практическое применение в освещении как наиболее экономичные. Люминесцентные лам- пы дневного света широко используются в служебных помещени- ях и на производстве, а газосветные лампы, наполненные газами с красивым цветом свечения (аргон, неон), используют в рекламных оформлениях.

У люминесцентных ламп есть недостаток — это мерцание с часто- той питающего напряжения. Оно неприятно и сильно утомляет, бо- лее того, сопряжено с опасным стробоскопическим эффектом: если частота мерцания лампы совпадёт с частотой вращения обрабаты- вающего механизма, то механизм человеку кажется «неподвижным» или «выключенным», что при его невнимательности может привести к травме.

Если продолжать откачивать из разрядной трубки воздух (пример- но до 0,001 мм рт. ст.), то светящийся столб, делаясь короче, исчезнет и его место заполнит тёмное пространство, при этом поверхность стекла будет светиться ярким светом. Свечение стекла вызывают осо- бые лучи, названные катодными. Катодные лучи это излучаемый катодом поток электронов, в котором значительная часть электронов проходит путь до стенок трубки практически без соударения с моле- кулами газа. Причина возникновения катодных лучей такая же, как и у тлеющего разряда — бомбардировка катода положительными ио- нами воздуха, которые выбивают из него электроны. Поэтому для по- лучения катодных лучей в трубке должно находиться минимальное количество газа,так как при сильном разряжении не будут образовы- ваться положительные ионы, а, значит, не будет ни какой бомбарди- ровки катода (фактически, будет сформирован хороший изолятор).

Высокий вакуум — хороший изолятор, однако электроны могут ис- пускаться нагретым катодом (явление термоэлектронной эмиссии) и, в результате, можно получить электронную проводимость, имею- щую несамостоятельный характер. Приборы с такой проводимостью относят к вакуумным электронным приборам, рентгеновским ап-

128

паратам. Электронный луч, сформированный электронной пушкой, применяется в электроннолучевой сварке и плавке.

Катодные лучи имеют ряд уникальных свойств годных для полу- чениятехнических преимуществ.Например,катодныелучи вылетают из катода перпендикулярно поверхности катода и распространяются прямолинейно, поэтому вогнутые катоды позволяют фокусировать лучи в центре (в фокусе) этой сферы, при этом положение и форма анода в трубке на это не влияет.

Катодные лучи, как поток самых лёгких и подвижных частиц, бом- бардирующих тела, нагревают эти тела и оказывают давление на под- вижные лёгкие тела, приводя их в движение.

Катодные лучи отклоняются электрическими и магнитными поля- ми, что получило широкое применение в электроннолучевых трубках (кинескопах телевизоров, мониторах компьютеров, осциллографах и радиотехнике). Катодные лучи используются в электроннолучевой литографии, в электроннолучевых испарителях для нанесения плё- ночных покрытий.

Электропроводимость жидких электролитов

Тщательно очищенная дистиллированная вода и электротехниче- скиемасла —хорошиеизоляторы.Незначительныеследызагрязнений делают их электропроводящими. В противоположность им, к прово- дникам 2 класса (то есть,с ионной проводимостью) или электролитам (с греч. «разлагаемый электричеством») относят растворы веществ, вкоторыхпроходящийчерезнихэлектрический(гальванический)ток производит химическое действие по разложению их на составные ча- сти.Явлениехимическогоразложенияэлектрическимтокомрастворов веществ на составные части называют электролизом.Например,ток, проходя через слабый водный раствор серной кислоты H2SO4,разлага- ет воду на водород и кислород: на платиновой (инертной) пластинке анода выделяется кислород, а на платиновой пластинке катода — во- дород. Ионы водорода и группы SO4 (кислотный остаток) устремля- ются под действием разности потенциалов соответственно к катоду и аноду.Если с выделением водорода на катоде всё ясно —ионы водо- рода, получив недостающие электроны, восстанавливаются до элек- трически нейтральной молекулы водорода, то с кислотной группой SO4 происходит химическое превращение: на аноде эта группа сразу вступает в реакцию с водой, образуя серную кислоту H2SO4 с выделе- нием из воды на аноде кислорода O2. В результате, количество серной кислоты в растворе остаётся неизменным, а количество воды убыва- ет (идёт электролиз воды). Наука, изучающая электрические явления, сопровождающие химические процессы, называется Электрохимией

129