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【求助】等離子體和電弧有啥區(qū)別？ 已有4人參與
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| 等離子體和電弧有啥區(qū)別？ |
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| 等離子概述 冰升溫至0℃會(huì)變成水，如果繼續(xù)使溫度上升至100%，那么水就會(huì)沸騰成為水蒸氣。我們知道，隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會(huì)呈現(xiàn)出固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。那么對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時(shí)，將會(huì)有什么新變化呢? 由于物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物(蠟燭的火焰就處于這種狀態(tài))。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)，即等離子體(plasma)。因?yàn)殡婋x過(guò)程中正離子和電子總是成對(duì)出現(xiàn)，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等，總體來(lái)看為準(zhǔn)電中性。反過(guò)來(lái)，我們可以把等離子體定義為：正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。 從剛才提到的微弱的蠟燭火焰，我們可以看到等離子體的存在，而夜空中的滿天星斗又都是高溫的完全電離等離子體。據(jù)印度天體物理學(xué)家沙哈(M·Saha，1893-1956)的計(jì)算，宇宙中的99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。而我們居住的地球倒是例外的溫度較低的星球。此外，對(duì)于自然界中的等離子體，我們還可以列舉太陽(yáng)、電離層、極光、雷電等。在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡(jiǎn)便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊等等。給出了主要類(lèi)型的等離子體的密度和溫度的數(shù)值。從密度為106(單位：個(gè)／m3)的稀薄星際等離子體到密度為1025的電弧放電等離子體，跨越近20個(gè)數(shù)量級(jí)。其溫度分布范圍則從100 K的低溫到超高溫核聚變等離子體的108-109K(1-10億度)。溫度軸的單位eV(electron volt)是等離子體領(lǐng)域中常用的溫度單位，1 eV=11 600 K。 通常，等離子體中存在電子、正離子和中性粒子(包括不帶電荷的粒子如原子或分子以及原子團(tuán))等三種粒子。設(shè)它們的密度分別為ne ,ni ,nn ，由于 (準(zhǔn)電中性)，所以電離前氣體分子密度為ne ≈ nn。于是，我們定義電離度β = ne / (ne + nn)，以此來(lái)衡量等離子體的電離程度。日冕、核聚變中的高溫等離子體的電離度都是100%，像這樣β =1的等離子體稱為完全電離等離子體。電離度大于1% (β≥10-2 )的稱為強(qiáng)電離等離子體，像火焰中的等離子體大部分是中性粒子(β <10-3 )，稱之為弱電離等離子體。 若放電是在接近于大氣壓的高氣壓條件下進(jìn)行，那么電子、離子、中性粒子會(huì)通過(guò)激烈碰撞而充分交換動(dòng)能，從而使等離子體達(dá)到熱平衡狀態(tài)。若電子、離子、中性粒子的溫度分別為了Te，Ti，Tn，我們把這三種粒子的溫度近似相等(Te ≈ Ti ≈ Tn)的熱平衡等離子體稱為熱等離子體(thermal plasma)，在實(shí)際的熱等離子體發(fā)生裝置中，陰極和陽(yáng)極間的電弧放電作用使得流入的工作氣體發(fā)生電離，輸出的等離子體呈噴射狀，可用作等離子體射流(plasma jet)、等離子體噴焰(plasma torch)等。 另一方面，數(shù)百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，電子在與離子或中性粒子的碰撞過(guò)程中幾乎不損失能量，所以有Te>>Ti , Te>>Tn。我們把這樣的等離子體稱為低溫等離子體(cold plasma)。當(dāng)然，即使是在高氣壓下，低溫等離子體還可以通過(guò)不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式來(lái)生成。 |
2樓2010-05-27 06:46:58
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| 在夏天，我們�？吹教炜罩械拈W電，這是一種氣體放電現(xiàn)象。在兩電極之間的氣體介質(zhì)中，強(qiáng)烈而持久的放電現(xiàn)象稱為電弧。電弧放電時(shí)產(chǎn)生高溫(溫度可達(dá)6000℃)和強(qiáng)光。人類(lèi)認(rèn)識(shí)了這種現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。電弧高熱可用以進(jìn)行電弧切割、碳弧氣刨以及電弧煉鋼等；電弧的強(qiáng)光能照明(如探照燈)或用弧光燈放映電影等。 焊接電弧也是一種氣體放電現(xiàn)象，不過(guò)它發(fā)生在電極與焊件之間而已。電弧焊就是利用焊接中電弧放電時(shí)產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱，熔化焊條(焊絲)和母材，使之形成焊接接頭。電弧是電弧焊接的熱源。 焊接電弧的產(chǎn)生 氣體原子的激出、電離和電子發(fā)射 中性氣體原來(lái)是不能導(dǎo)電的，為了在氣體中產(chǎn)生電弧而通過(guò)電流，就必須使氣體分子(或原子)電離成為正離子和電子。而且，為了使電弧維持燃燒，要求電弧的陰極不斷發(fā)射電子，這就必須不斷地輸送電能給電弧，以補(bǔ)充能量的消耗。氣體電離和電子發(fā)射是電弧中最基本的物理現(xiàn)象。 1.氣體原子的激發(fā)與電離 如果氣體原子得到了外加的能量，電子就可能從一個(gè)較低的能級(jí)跳躍到另一個(gè)較高能級(jí)，這時(shí)原子處于“激發(fā)”狀態(tài)。使原子躍為“激發(fā)”狀態(tài)所需的能量稱為激發(fā)能。氣體原子的電離就是使電子完全脫離原子核的束縛，形成離子和自由電子的過(guò)程。由原子形成正離子所需的能量稱為電離能。 在焊接電弧中，根據(jù)引起電離的能量來(lái)源，有以下3種形式： (1)撞擊電離。是指在電場(chǎng)中，被加速的帶電粒子(電子、離子)與中性點(diǎn)(原子)碰撞后發(fā)生的電離。 (2)熱電離。是指在高溫下，具有高動(dòng)能的氣體原子(或分子)互相碰撞而引起的電離。 (3)光電離。是指氣體原子(或分子)吸收了光射線的光子能而產(chǎn)生的電離。 氣體原子在產(chǎn)生電離的同時(shí)，帶異性電荷的質(zhì)點(diǎn)也會(huì)發(fā)生碰撞，使正離子和電子復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)，即產(chǎn)生中和現(xiàn)象。當(dāng)電離速度和復(fù)合速度相等時(shí)，電離就趨于相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)平衡狀態(tài)。一般地，電弧空間的帶電粒子數(shù)量越多，電弧越穩(wěn)定，而帶電粒子的中和現(xiàn)象則會(huì)減少帶電粒子的數(shù)量，從而降低電弧的穩(wěn)定性。 2．電子發(fā)射 在陰極表面的原子或分子，接受外界的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為電子發(fā)射。電子發(fā)射是引弧和維持電弧穩(wěn)定燃燒的一個(gè)很重要的因素。按其能量來(lái)源不同，可分為熱發(fā)射、光電發(fā)射、重粒子碰撞發(fā)射和強(qiáng)電場(chǎng)作用下的自發(fā)射等。 (1)熱發(fā)射。物體的固體或液體表面受熱后，其中某些電子具有大于逸出功的動(dòng)能而逸出到表面外的空間中去的現(xiàn)象稱為熱發(fā)射。熱發(fā)射在焊接電弧中起著重要作用，它隨著溫度上升而增強(qiáng)。 (2)光電發(fā)射。物質(zhì)的固體或液體表面接受光射線的能量而釋放出自由電子的現(xiàn)象稱為光電發(fā)射。對(duì)于各種金屬和氧化物，只有當(dāng)光射線波長(zhǎng)小于能使它們發(fā)射電子的極限波長(zhǎng)時(shí)，才能產(chǎn)生光電發(fā)射。 (3)重粒子撞擊發(fā)射。能量大的重粒子(如正離子)撞到陰極上，引起電子的逸出，稱為重粒子撞擊發(fā)射。重粒子能量越大，電子發(fā)射越強(qiáng)烈。 (4)強(qiáng)電場(chǎng)作用下的自發(fā)射。物質(zhì)的固體或液體表面，雖然溫度不高，但當(dāng)存在強(qiáng)電場(chǎng)并在表面附近形成較大的電位差時(shí)，使陰極有較多的電子發(fā)射出來(lái)，這就稱為強(qiáng)電場(chǎng)作用下的自發(fā)射，簡(jiǎn)稱自發(fā)射。電場(chǎng)越強(qiáng)，發(fā)射出的電子形成的電流密度就越大。自發(fā)射在焊接電弧中也起著重要作用，特別是在非接觸式引弧時(shí)，其作用更加明顯。 綜上所述，焊接電弧是氣體放電的一種形式，焊接電弧的形成和維持是在電場(chǎng)、熱、光和質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能的作用下，氣體原子不斷地被激發(fā)、電離以及電子發(fā)射的結(jié)果。同時(shí)，也存在負(fù)離子的產(chǎn)生、正離子和電子的復(fù)合。顯而易見(jiàn)，引燃焊接電弧的能量來(lái)源主要靠電場(chǎng)及由其產(chǎn)生的熱、光和動(dòng)能，而這個(gè)電場(chǎng)就是由弧焊電源提供的空載電壓所產(chǎn)生的。 焊接電弧的引燃 焊條與焊件之間是有電壓的，當(dāng)它們相互接觸時(shí)，相當(dāng)于電弧焊電源短接。由于接觸點(diǎn)很大，短路電流很大，則產(chǎn)生了大量電阻熱，使金屬熔化，甚至蒸發(fā)、汽化，引起強(qiáng)烈的電子發(fā)射和氣體電離。這時(shí)，再把焊絲與焊件之間拉開(kāi)一點(diǎn)距離,這樣，由于電源電壓的作用，在這段距離內(nèi)，形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，又促使產(chǎn)生電子發(fā)射。同時(shí)，加速氣體的電離，使帶電粒子在電場(chǎng)作用下，向兩極定向運(yùn)動(dòng)。弧焊電源不斷的供給電能，新的帶電粒子不斷得到補(bǔ)充，形成連續(xù)燃燒的電弧。 |
3樓2010-05-27 06:49:38
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