《电弧的基本理论》课件

电弧的基本理论电弧是一种高温等离子体，在电极之间流动，具有强烈的电磁场和热效应。课程简介电弧焊接介绍电弧焊接技术的基本原理，包括电弧的产生、特性以及应用。高压输电分析电弧在高压输电线路中的影响，以及如何防止电弧故障。电弧炉探讨电弧炉冶炼的原理，包括电弧的稳定性、温度控制以及材料特性。电弧的定义和特点定义电弧是指在两个电极之间或电极与工件之间，由于气体被电离而形成的持续放电现象。特点电弧具有高温、高能、高电流密度等特点。电弧的产生过程1电极间隙在两个电极之间建立一定电压。2击穿电压当电压达到一定值时，气体介质被击穿。3电子碰撞电子与气体分子发生碰撞，导致气体分子电离。4电离通道形成一条充满等离子体的通道，即电弧。电弧电压的影响因素电极材料电极材料的性质会影响电弧电压，例如，不同材料的电离势和电阻率不同，导致电弧电压的变化。电极间距电极间距越大，电弧电压越高，因为电场强度降低。气体种类不同气体的电离势和热导率不同，会影响电弧的温度和电离度，从而影响电弧电压。电流强度电流强度增加会导致电弧电压降低，因为电流密度增大，电弧的温度和电离度增加。电弧电压-电流特性曲线电弧电压与电流之间的关系是非线性关系，可以用电弧电压-电流特性曲线来描述。该曲线一般呈现下降趋势，表明随着电流增加，电弧电压会降低。电弧电压-电流特性曲线受到多种因素的影响，例如电极材料、电弧长度、气体成分等。影响电弧电压的主要因素电极间距间距越大，电弧电压越高。电流强度电流强度越大，电弧电压越低。气体种类气体种类不同，电离电位不同，影响电弧电压。气体压力气体压力越高，电弧电压越高。电弧电压的数学模型模型公式说明热离子理论模型Ua=a+bla和b是常数，与电极材料、气体成分和压力有关气体动力学模型Ua=f(T,P,V)T为电弧温度，P为气体压力，V为电弧电流等离子体模型Ua=g(n,T,E)n为电子密度，T为电弧温度，E为电场强度热离子理论金属表面电弧中，金属电极表面原子获得能量，克服束缚力，成为带电粒子电离气体高温气体电离形成带电粒子，参与电弧电流的传输离子流带电粒子在电场作用下定向运动，形成电弧电流电离过程1原子吸收能量原子吸收能量，跃迁到激发态2外层电子脱离电子获得足够能量，脱离原子核束缚3形成离子原子失去电子，成为带正电的离子4自由电子脱离的电子成为自由电子电离平衡方程1平衡电离和复合过程达到平衡状态。2方程描述电离度和温度的关系。3影响气体成分和温度影响电离平衡。电离度的影响因素温度温度升高，原子获得能量，更容易发生电离，电离度增大。气压气压越高，原子之间碰撞更频繁，电离难度增加，电离度降低。气体成分不同气体的电离能不同，电离度也会不同。电场强度电场强度越高，原子更容易获得能量，电离度增大。电弧的温度分布电弧的温度分布并非均匀，而是呈现出明显的梯度变化。电弧中心温度最高，可以达到数千甚至上万摄氏度，而靠近电极的区域温度则相对较低。这种温度分布是由于电弧中发生的热量传递和能量平衡所决定的。电弧的热流特性1热流密度电弧的热流密度集中在电极附近和电弧柱的中心区域。2热传导电弧柱通过热传导向周围环境传递热量，热传导速率取决于气体种类、压力和温度。3热对流电弧柱通过气体的对流运动向周围环境传递热量，对流速率取决于气体速度、密度和温度。4热辐射电弧柱通过热辐射向周围环境传递热量，热辐射速率取决于电弧温度和材料的辐射率。电弧温度的测定方法光谱法利用电弧发射的光谱，分析不同波长光线的强度，推算出电弧的温度。热电偶法将热电偶插入电弧中，利用热电偶的温差电势来测量电弧温度。快速热电偶法用快速热电偶测量电弧温度，可获得电弧温度随时间变化的曲线。辐射法利用电弧辐射的能量，通过计算推算出电弧的温度。电弧电导的概念电弧电导是指电弧对电流的导通能力。电弧电导的倒数为电弧电阻。电弧电导的计算公式电弧电导是电弧中电流和电压的比值，它反映了电弧传导电流的能力。电弧电导的影响因素电流强度电流强度越高，电弧电导越大。因为电流强度越大，电弧的温度越高，电离度越高，电子浓度越高，电弧的导电能力就越强。气体成分不同的气体成分对电弧电导有不同的影响。例如，氮气和氢气的电弧电导比空气高。电极材料电极材料的性质也会影响电弧电导。例如，钨电极比铜电极的电弧电导高。电弧稳定性的概念持续燃烧电弧稳定性是指电弧能够持续稳定地燃烧的能力。它对于电弧装置的正常工作至关重要。影响因素电弧的稳定性受多种因素影响，包括电弧电流、电极材料、气体环境等。电弧稳定性的影响因素电流大小电流强度会影响电弧的温度和电离程度，进而影响电弧的稳定性。电压电压会影响电弧的长度和电场强度，进而影响电弧的稳定性。气体成分气体的热导率、电离势等特性会影响电弧的温度和电离程度，进而影响电弧的稳定性。电弧稳定性的评价指标指标描述熄弧电压电弧熄灭所需的最低电压再燃电压电弧重新点燃所需的最低电压电弧长度电弧的长度电弧电流电弧中流过的电流电弧的能量平衡能量输入电弧的主要能量来源是电流通过电弧所产生的焦耳热。能量输出电弧能量主要以热能、光能和电离能的形式散发出去。能量平衡电弧能量平衡指的是电弧的能量输入和能量输出之间的关系。电弧的热效应高温电弧温度极高，可达数千摄氏度，并能有效地传递热量。熔化电弧的热量可以熔化金属，并能进行焊接、切割、熔炼等操作。加热电弧的热量可用于加热金属材料，提高其可塑性和加工性能。阳极和阴极附近的特殊现象电弧在阳极和阴极附近会出现一些特殊的现象，这些现象会影响电弧的稳定性、热量分布以及材料的熔化和蒸发。在阳极附近，由于电弧的热量集中，阳极表面温度会急剧升高，导致材料的熔化和蒸发。阳极表面会形成一个熔池，熔池中的金属蒸汽会向电弧中扩散，形成阳极斑点。在阴极附近，由于阴极材料释放电子，阴极表面会形成一个阴极斑点。阴极斑点是一个高温、高电流密度的区域，它会发射大量的电子，导致阴极材料的溅射和蒸发。气体成分对电弧特性的影响惰性气体惰性气体，例如氩气和氦气，可以稳定电弧，提高焊接质量。活性气体活性气体，例如二氧化碳，会影响电弧的稳定性和熔池的特性。混合气体混合气体可以优化电弧特性，满足不同的焊接需求。电弧模型的应用1电弧焊接电弧模型用于优化焊接参数，如电流、电压和焊接速度，以提高焊接质量和效率。2电弧等离子体技术电弧模型用于分析和控制等离子体特性，用于材料加工、表面处理和医疗等领域。3高压输电电弧模型用于研究高压输电线上的电弧故障，为预防和处理故障提供理论依据。电弧装置的设计原则稳定性电弧装置设计应确保电弧稳定燃烧，避免电弧熄灭或过早断路，提高焊接效率和质量。安全性电弧装置应具备完善的保护措施，防止电击、过载、短路等安全事故发生，保障操作人员的安全。可控性电弧装置的设计应便于控制电弧参数，如电流、电压、焊接速度等，以满足不同的焊接工艺要求。本课程的小结与思考1知识回顾回顾电弧的基本理论，包括电弧的定义、产生过程、电压特性、热离子理论、温度分布、电导、稳定性等。2应用