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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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- 專業(yè): 凝聚態(tài)物性 II ：電子結(jié)構(gòu)
| 在夏天，我們常看到天空中的閃電，這是一種氣體放電現(xiàn)象。在兩電極之間的氣體介質(zhì)中，強烈而持久的放電現(xiàn)象稱為電弧。電弧放電時產(chǎn)生高溫(溫度可達6000℃)和強光。人類認識了這種現(xiàn)象，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。電弧高熱可用以進行電弧切割、碳弧氣刨以及電弧煉鋼等；電弧的強光能照明(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產(chǎn)生的熱量來加熱，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 中性氣體原來是不能導電的，為了在氣體中產(chǎn)生電弧而通過電流，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，電子就可能從一個較低的能級跳躍到另一個較高能級，這時原子處于“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)引起電離的能量來源，有以下3種形式： (1)撞擊電離。是指在電場中，被加速的帶電粒子(電子、離子)與中性點(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，帶異性電荷的質(zhì)點也會發(fā)生碰撞，使正離子和電子復(fù)合成中性質(zhì)點，即產(chǎn)生中和現(xiàn)象。當電離速度和復(fù)合速度相等時，電離就趨于相對穩(wěn)定的動平衡狀態(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)定燃燒的一個很重要的因素。按其能量來源不同，可分為熱發(fā)射、光電發(fā)射、重粒子碰撞發(fā)射和強電場作用下的自發(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。 (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。對于各種金屬和氧化物，只有當光射線波長小于能使它們發(fā)射電子的極限波長時，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)射越強烈。 (4)強電場作用下的自發(fā)射。物質(zhì)的固體或液體表面，雖然溫度不高，但當存在強電場并在表面附近形成較大的電位差時，使陰極有較多的電子發(fā)射出來，這就稱為強電場作用下的自發(fā)射，簡稱自發(fā)射。電場越強，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，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、熱、光和質(zhì)點動能的作用下，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，也存在負離子的產(chǎn)生、正離子和電子的復(fù)合。顯而易見，引燃焊接電弧的能量來源主要靠電場及由其產(chǎn)生的熱、光和動能，而這個電場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，當它們相互接觸時，相當于電弧焊電源短接。由于接觸點很大，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，引起強烈的電子發(fā)射和氣體電離。這時，再把焊絲與焊件之間拉開一點距離,這樣，由于電源電壓的作用，在這段距離內(nèi)，形成很強的電場，又促使產(chǎn)生電子發(fā)射。同時，加速氣體的電離，使帶電粒子在電場作用下，向兩極定向運動。弧焊電源不斷的供給電能，新的帶電粒子不斷得到補充，形成連續(xù)燃燒的電弧。 |
3樓2010-05-27 06:49:38
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| 等離子概述 冰升溫至0℃會變成水，如果繼續(xù)使溫度上升至100%，那么水就會沸騰成為水蒸氣。我們知道，隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會呈現(xiàn)出固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。那么對于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時，將會有什么新變化呢? 由于物質(zhì)分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運動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)。因為電離過程中正離子和電子總是成對出現(xiàn)，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等，總體來看為準電中性。反過來，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)印度天體物理學家沙哈(M·Saha，1893-1956)的計算，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，對于自然界中的等離子體，我們還可以列舉太陽、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便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊等等。給出了主要類型的等離子體的密度和溫度的數(shù)值。從密度為106(單位：個／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個數(shù)量級。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)等三種粒子。設(shè)它們的密度分別為ne ,ni ,nn ，由于 (準電中性)，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行，那么電子、離子、中性粒子會通過激烈碰撞而充分交換動能，從而使等離子體達到熱平衡狀態(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)，在實際的熱等離子體發(fā)生裝置中，陰極和陽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，電子在與離子或中性粒子的碰撞過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)。當然，即使是在高氣壓下，低溫等離子體還可以通過不產(chǎn)生熱效應(yīng)的短脈沖放電模式來生成。 |
2樓2010-05-27 06:46:58
changle9139
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4樓2010-05-29 15:29:49
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5樓2010-06-29 15:26:19
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