Высокочастотные разряды в электротермии - Дашкевич И.П.
Скачать (прямая ссылка):
Плазма, содержащая свободные заряженные частицы, может проводить электрический ток. Электропроводность плазмы зависит, естественно, от температуры. Чем выше температура плазмы, тем больше в ней содержится заряженных частиц и тем больше ее электропроводность (рис. 2).
Теперь рассмотрим один из случаев, при котором в ионизованном газе возможно протекание электрического тока.
Из теории индукционного нагрева [20] известно, что при размещении в переменном магнитном поле проводящего электрический ток тела в последнем в соответствии с законом электромагнитной индукции возникает электрический ток. В рассматриваемом случае таким электропроводящим телом является ионизованный газ, или плазма.
Поместим сосуд, в котором получена плазма, внутрь катушки, состоящей из нескольких витков проводника, по которому протекает переменный ток от какого-либо источника. Такая катушка называется индуктором. Вокруг индуктора с током возникнет переменное магнитное поле. Напряженность магнитного поля будет наибольшей внутри индуктора, т. е. там, где находится сосуд с плазмой. В силу электромагнитной индукции в плазме возникнет электрический ток, который будет протекать по пути, имеющем форму кольца, т. е. будет замыкаться сам на себя. Кольцо с током будет располагаться в плоскости витков индуктора и иметь ширину, примерно равную ширине индуктора. В целом такую систему можно сравнить с трансформатором без сердечника, роль первичной обмотки которого играет индуктор, а вторичной обмоткой является плазменное кольцо с током. Такой ток в плазме называют безэлектродным или индукционным разрядом, так как он возникает в силу индукции и для его существования не требуется наличия электродов. Этим безэлектрод-ный разряд отличается, например, от дугового разряда, возникающего между двумя электродами.
Итак, при нагревании до высоких температур газ превращается в плазму, в которой при определенных условиях может
2 И. П. Дашкевич 5
б • Щд0м~1м~1
Рис. 2. Удельная электрическая проводимость плазмы аргона
протекать электрический ток. Однако на практике для получения плазмы используют различные виды электрических разрядов п газе. При электрическом разряде через газ протекает ток, носителями которого являются электроны и ионы, непрерывно образующиеся в процессе разряда.
Электрический ток, протекая в плазме, вызывает ее нагрев до установившегося значения температуры. В табл. 1 приведены некоторые характерные для индукционного разряда параметры плазмы различных газов при атмосферном давлении. Предполагается, что мощности разряда, которым соответствуют эти параметры, лежат в пределах от единиц до сотен киловатт [4, 21]. Рассмотренный процесс нагрева газа в принципе такой же* как и для индукционного нагрева металла. Но в нашем случае сразу можно отметить и первое существенное отличие, заключающееся в большой подвижности всех частиц плазмы. Благодаря этому плазма не имеет фиксированной формы и ее геометрию можно довольно легко изменять. Это свойство плазмы
1. Характеристики плазмы индукционного разряда и различных газах при атмосферном давлении
Газ Температура, К Удельная эле ктрическаи проводимость Ом-1 -м~1 Энтальттия 10 4, ка л/г
Азот Аргон Воздух Кислород Ксенон 7 800— 9 200 9 600-10 600 7 200— 8 500 8 100- 9 400 6 000— 7 000 700-2000 3000-4500 500-1500 600—2000 600-700 1,60-2,31 0,14-0,24 0,68-0,98 0,62-0,77
как объекта индукционного нагрева определяет ее особые характеристики.
Рассмотрим более подробно свойства плазмы индукционного разряда. Большое значение для правильного понимания индукционного разряда, для оптимального его использования в технике имеют измерение и исследование температурных характеристик. Обычные методы измерения температуры вследствие ее весьма высоких значений непригодны. Как правило, применяют спектральные методы, основанные на измерении интенсивности оптического излучения низкотемпературной плазмы, а также калориметрические методы. Они являются достаточно сложными и применяются обычно только в лабораторной практике. Методы и техника спектральной диагностики подробно описаны в работе [21]. Здесь ограничимся только изложением результатов измерения температуры плазмы [10].
Предполагаем, что индукционная плазма находится в состоянии локального термодинамического равновесия, т. е. что температура электронов Те равняется температуре тяжелых атомов и ионов Т. Согласно работам, посвященным исследованию наличия локального термодинамического равновесия в индукционой плаз-
6
ме при характерных температурах, указанных в табл. 1, и давлении, близком к атмосферному’ термодинамическое состояние в молекулярных газах (N2, О2 и др.) близко к равновесному. В аргоне наблюдается превышение температуры электронов над температурой тяжелых частиц 7’е > 7’. Однако это превышение не очень велико и наблюдается при небольших уровнях мощности, подводимой к плазме, поэтому с некоторым допущением будем считать и для плазмы аргона Те ж Т.
В каждом поперечном сечении индукционного разряда (т. е. в сечении, совпадающем с плоскостью витков индуктора) и вдоль тмя ./ оси цилиндрической разрядной ка-
