Характеристики дугового разряда - температура, напряжение, скорость движения, интенсивность излучения и другие - зависят от условий горения разряда в плазмотроне, силы тока, напряженности магнитного поля, интенсивности обдува газом, давления окружающей среды, геометрических размеров канала и т. д. Характеристики элек­трической дуги в плазмотронах с вихревой стабилизацией разряда достаточно хорошо описаны в монографиях [7, 8, 10]. Характеристики электрической дуги, движущейся под действием магнитного поля, ме­нее изучены. В то же время движение под действием магнитного поля электрической дуги в целом или ее приэлектродных частей осущест­вляется практически во всех плазмотронах большой мощности для предотвращения сильной эрозии электродов.

3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ,

ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ

3.1.1. Описание дугового разряда

Будем рассматривать плазмотроны большой мощности, для которых сила тока в разряде достаточно велика (от сотен до десятков тысяч ампер), а давление среды составляет 0,1... 10 МПа. В этих условиях проводящий канал дугового разряда, движущегося под действием маг­нитного поля, является достаточно узким (контрагированным). Плазма внутри проводящего канала изотермична, температура электронов, ионов и нейтральных частиц одинакова. Электрическая дуга в маг­нитном поле перемещается под действием силы Ампера.

Движение электрической дуги в магнитном поле многие исследо­ватели изучали с помощью устройства, называемого ’’рельсотроном”.

Нами были проведены эксперименты на аналогичном устройстве, показанном на рис. 3.1, при этом дуга между электродами горела в замкнутом объеме, где можно было поднимать давление до 10 МПа. Магнитное поле создавалось двумя соленоидами. Напряженность маг­нитного поля в межэлектродном зазоре могла достигать 1,5 кА/см. При этом учитывалось и магнитное поле, создаваемое током, прохо­дящим по электродам. Силу тока в электрической дуге можно было увеличивать до 800 А. Электрическая дуга в большинстве случаев инициировалась с помощью медной проволочки, закорачивающей элек-

троды. Чтобы выяснить влияние парс» материала проволочки на пара­метры дуги, в ряде экспериментов поджиг осуществляли путем • раз­мыкания специальных контактов в начальной части электродов, как показано на рис. 3.1. Контакты размыкались после подачи напряжения в цепь дуги. Оказалось, что скорость движения дуги, напряжение на ней и интенсивность излучения не зависели от способа поджига дуги, поэтому в основном использовался более простой метод поджига с помощью проволочки. После однократного пробегания по рельсотрону дуга выходила на расходящиеся части электродов и погасала. Элек­троды изготовлялись из меди марки Ml. Верхний электрод имел ширину 1 мм и высоту 10 мм, его поверхность от пуска к пуску не обра­батывалась. Нижний электрод имел такую же форму, как и верхний, но в ряде случаев, когда он был объектом исследования, его форма соответственно менялась.

Скорость перемещения дуги определялась с помощью трех зондов диаметром 0,3 мм, расположенных на расстояниях 100 мм друг от друга. Измерялись напряжения и сила тока разряда.

Поперечный размер проводящего Канада дугового разряда опреде­лялся в основном методом фотографирования. В. К. Ивановым проведено исследование распределения тока в проводящем канале дуги с помощью пояса Роговского. Схема измерений показана на рис. 3.2. Пояс вы­полнен в виде рамки 40x50 мм, на которую намотана медная проволока диаметром 0,06 мм.

Пояс фиксирует изменение магнитного поля, связанное с измене­нием силы тока разряда внутри рамки. ЭДС пояса пропорциональна изменению силы тока в рамке где L - индуктивность пояса. ЭДС фиксировалась на осциллографе. С осциллограмм бралась фактически протяженность сигнала, которая

Рис. 3.2. Схема измерения зоны
основной проводимости с помощью
пояса Роговского:

1 — пояс Роговского; 2 — осцилло­граф; 3 — переходный трансформа­

тор; 4 — запускающий зонд

связана с временем прохождения разряда через одну из сторон пояса внутрь рамки или из нее. При известной скорости движения разряда можно определить размер проводящей зоны разряда вдоль направления движения 6. Измерения проводились при атмосферном давлении и рас­стоянии между электродами 25 мм.

Результаты измерений поясом Роговского приведены на рис. 3.3. Применив наклон рамки пояса к направлению движения и зная размер разряда вдоль направления движения, определили и поперечный размер d. Результаты этих измерений также приведены на рис. 3.3.

Размеры, полученные по фотографиям дуги, движущейся под дейст­вием магнитного поля, сделанным с малой выдержкой и малым световым потоком, как видно из рис. 3.3, близки к размерам, определенным поясом Роговского. Поперечные размеры дуги растут при увеличении силы тока. Размер d несколько уменьшается при увеличении напряжен­ности магнитного поля. Уменьшения продольного размера, полученного методом фотографирования, не замечено. При этом не учтен сдвиг изображения светящегося канала за время экспонирования, который растет от 0,4 до 1,5 мм при увеличении скорости движения дуги. Если учесть сдвиг изображения за время экспонирования, то проявит­ся зависимость продольного размера Ь от напряженности магнитного поля и будет более полное согласо - вание с измерениями поясом Ро­говского. Интересно отметить, что поперечный размер дорожки от пя­тен, оставляемых дугой на электродах, как видно из рис. 3.3, также близок к поперечному размеру дуги.

Наиболее важный вывод из этих измерений состоит в том, что разряд образует весьма узкий канал с большой плотностью тока

Лоренцева сила приложена только к заряженным частицам - элек­тронам и ионам, однако при рассматриваемых высоких давлениях эти частицы передают свой направленный импульс окружающим частицам и поэтому можно считать, что лоренцева сила приложена ко всему про­водящему каналу. При этом проводящий канал практически непроницаем для частиц окружающего холодного газа и движется, расталкивая его, подобно твердому телу. На границах проводящего канала происходит тепло - и массообмен с окружающим холодным газом. За проводящим каналом остается след нагретого газа, имеющего температуру, су­щественно меньшую, чем в дуговом канале, и практически не прово­дящего тока.

Согласно фотографиям, снятым в направлении вдоль канала дуги, поперечное сечение проводя­щего канала представляется близким к полуокруж­ности, как показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Форма дугового канала и расчетное из-
менение параметров

Распределение давления по передней части канала можно принять как для идеальной жидкости:

Давление в донной области примем равным давлению на краях цилиндра (х = 0). Тогда разность давлений в передней и донной частях р =

= 4х - Щ-— уравновешивается электромагнитной силой F = J Bjdx.

0

Приравнивая эти силы, можно найти, что / = fee, т. е. плотность тока должна линейно изменяться по х с максимумом в передней критической точке, как показано на рис. 3.5.

В приведенных выше рассуждениях дуговой канал представлялся в виде жесткого обтекаемого тела. Действительное течение сопровож­дается интенсивным взаимодействием между горячим газом в дуге и обтекающим холодным газом, который увлекает горячий газ из столба в передней части дуги и уносит его на края. Такие поперечные пе­ремещения в проводящем канале дуги можно наблюдать по следам, оставляемым на электроде дугой, движущейся в магнитном поле (под­робнее об этом см. в гл. 8).

Даже упрощенная картина дугового разряда, движущегося под действием магнитного поля, демонстрирует сложность рассматри­ваемого явления. При этом не учитывается нестационарность обте­кания проводящего канала, связанная с вихрями (дорожками Кармана), образующимися в отрывных зонах за плохообтекаемым телом, которое представляет собой движущийся проводящий канал. Обычно вихри за плохообтекаемыми телами мало влияют на траекторию движения тела ввиду значительной инерционности самого тела. Обтекаемый канал электрической дуги, движущейся под действием магнитного поля, имеет незначительную инерционность, поэтому сход вихрей приводит к поперечным перемещениям и неравномерному продольному движению от­дельных участков канала. Это вызывает существенные колебания па­раметров, изменяется длина дуги, и напряжение колеблется в диа­пазоне ± 15 % с частотой, близкой к частоте схода вихрей за ци­линдрическим твердым телом |st = = 2—4J.

Горение дуги, движущейся под действием магнитного поля, сопро­вождается интенсивным излучением. Однако, как будет показано в
разд. 3.1.4, в энергетическом балансе излучение рассматриваемой дуги играет незначительную роль. По-видимому, невелико влияние излучения и на структуру дугового столба. Силы, вызванные взаимо­действием тока дуги с собственным магнитным полем, вероятно, ока­зывают существенное влияние на структуру столба дуги, движущейся под действием магнитного поля, так как они соизмеримы с силами, движущими дугу. Эти силы препятствуют расщеплению дуги на отдель­ные каналы.

Отметим еще одну важную особенность дуги, движущейся под дей­ствием магнитного поля. В районе электродов дуга существенно сжи­мается, в большинстве случаев разбиваясь на отдельные токопрово­дящие каналы. Суммарная площадь поперечного сечения проводящих каналов в районе электродов существенно уменьшается, отчего на­пряженность электрического поля значительно растет.