Файл: Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи.pdf

При перемещении в электрическом поле электрон приобретает кинетическую энергию

v — его скорость.

Очевидно, электрон только тогда ионизирует атом (или молекулу), когда его кинетическая энергия в момент соударения с атомом будет равна или больше работы ионизации:

ak => at,

Если кинетическая энергия движущегося электрона настолько мала, что его сближение (соударение) с нейтральной частицей не вызывает изменения величины их внутренней энергии, то соударе­ ние называют упругим.

Но соударение может быть и неупругим и привести либо к воз­ буждению нейтральной частицы, либо, если соблюдено условие (II-17), к ее ионизации.

Очевидно, что чем больше скорость электрона, тем больше его кинетическая энергия и, следовательно, тем больше число нейтраль­ ных частиц он ионизирует на единице длины пути своего пробега. Число нейтральных частиц, ионизированных одним электроном при

ная ионизация при увеличении энергии электрона сначала растет почти прямолинейно, а потом падает, асимптотически приближаясь к некоторой постоянной величине. Это объясняется тем, что с уве­ личением скорости электрона уменьшается время его пребывания в зоне воздействия на нейтральную частицу и вследствие этого уменьшается вероятность ионизации.

40

равны. Значит, при воздействии одинаковой разности потенциалов электрическое поле сообщает и электронам и ионам одинаковую

этого вида играет исключительно важную роль в дуговых разрядах: поэтому остановимся подробнее на процессе ее протекания.

Если газ находится в замкнутом объеме и не подвергается воз­ действию внешних ионизирующих факторов (облучение, электри­ ческое поле и т. д.), то в этом газе возможны следующие иониза­ ционные процессы:

1) расщепление нейтральных частиц при соударении их друг

сдругом;

2)фотоионизация частиц, обусловленная тепловым излучением стенок, ограничивающих объем газа;

3)ионизация вследствие соударения нейтральных молекул и электронов, возникающих в газе благодаря первым двум процессам.

Теоретически все эти процессы должны происходить при любой

температуре, практически же они начинают играть роль при темпе­ ратурах газа выше 2000— 3000 К.

Параллельно с ионизацией в газовом объеме происходит процесс деионизации — рекомбинация ионов и электронов в нейтральные частицы.

При установившемся состоянии процессы ионизации и рекомби­ нации уравновешивают друг друга и при данной температуре число свободных электронов, ионов и нейтральных молекул является вполне определенным. Процесс ионизации и рекомбинации в газовом объеме можно выразить одним уравнением

вызывает некоторые трудности из-за отсутствия ряда констант про­ цессов рекомбинации, которые будут рассмотрены ниже.

Так как по своему характеру процесс тепловой ионизации газов аналогичен процессу диссоциации, то обычно для расчета тепловой ионизации пользуются методами термодинамического расчета, при­ меняемыми в расчетах химических реакций.

Согласно этой теории, процесс тепловой ионизации рассматри­ вают как химическую реакцию, которую можно выразить следующим

41

где х — степень ионизации, т. е. отношение числа ионизированных молекул к полному числу молекул до ионизации в единице объема.

Однако в приведенном виде уравнение Саха имеет существенный недостаток. Оно не учитывает квантовых статистических весов состоя­ ния молекул gg и образующихся ионов g p. Неучет этих факторов может вызвать ошибку в определении степени ионизации в не­ сколько раз.

На рис. 19, 20 приведено решение этого уравнения с исправле­ ниями, сделанными В. Л. Грановским.

Если обозначить левую часть уравнения (П-20) через z, то

Такие графики для различных значений потенциала ионизации построены на рис. 19.

Зная g g и g p и задаваясь температурой и потенциалом ионизации, можно подсчитать величину г.

При малых значениях степени ионизации (х <С 1), можно пре­ небречь значением х2 в знаменателе средней части уравнения (П-21)

иположить

Z m х 2р ,

откуда

х *=» ]/'zip.

ному потенциалу ионизации (1У,- В) и температуре (К) по первой

42

кривом определяют z g g/gp; по данным gg и gp вычисляют г и отно­ шение p/z для заданного значения давления. Наконец, из кривой на рис. 20 определяют х. К сожалению, величины gp и ge для раз­ личных условий изучены мало, и это затрудняет использование приведенных выше номограмм.

По рис. 20 можно определить значение степени ионизации х при любом давлении.

Уравнение Саха дает приемлемые результаты для малых и сред­ них значений степени ионизации, но оно становится непригодным, когда степень ионизации приближается к единице.

Втабл. 4 приведены значения наименьших потенциалов ионизации

ивозбуждения для элементов, с которыми чаще всего приходится встречаться в руднотермических процессах.

На рис. 21 приведены графики степени ионизации некоторых элементов в зависимости от температуры. На рис. 22 показаны настадии ионизации этих же элементов, так как для рудно­ термических процессов наиболь­ шее значение имеет именно

начальная стадия.

Так как в руднотермичес­ ких печах дуга обычно горит при давлении, близком к одной атмосфере, для всех кривых давление принято равным

1,033 кгс'/см2 (760 мм рт. ст.).

Однако надо иметь в виду, что давление весьма существенно влияет на степень ионизации. Как видно из формулы Саха, степень ионизации обратно про­ порциональна давлению. Следо­ вательно, с повышением давле­ ния степень ионизации пони­ жается. При неправильной эксплуатации руднотермичес-

Ер

43

ТАБЛИЦА 4

НАИМЕНЬШИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ ИОНИЗАЦИИ И ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Наименьший потенциал, В

ких печей иногда под слоем шихты образуются газонепроницае­ мые корки. Вследствие этого газы скапливаются в тигле, дав­ ление внутри тигля повышается, степень ионизации газов падает и дуга либо горит ненормально, либо совсем гаснет. Такие отклоне­ ния от режима обычно кончаются появлением на колошнике печи

Рис. 21. Зависимость степени ионизации некоторых элементов от темпера­ туры

44