Емісія електронів із поверхні катода
Лекція 2
Утворення негативних іонів
Встановлено, що при іонізації галогени здатні приєднувати електрони з утворенням негативних іонів (галогени: F, Cl, Br, J). Найбільше спорідненість з електроном має F, який часто вводиться в дугу у вигляді солей (CaF2) з метою придушення пористості в металі шва. Приєднання атомами F негативних іонів призводить до того, що в дуговій плазмі зменшується концентрація вільних електронів, хоча загальна кількість заряджених частинок залишається постійною. Електрони переносять основну частину струму. Негативні іони F – важкі малорухливі частинки, які здійснюють перенесення струму значно гірше. Тому при введенні в зону зварювання речовин F, стабільність горіння дуги різко погіршується, особливо при зварюванні на змінному струмі. Тому електроди типу УОНІ 13/45, що містять у своєму складі значну кількість CaF2, застосовуються на постійному струмі. Якщо зварювання необхідно проводити на змінному струмі, тоді до складу таких покриттів вводяться іонізуючі речовини, або застосовується стабілізація дуги за допомогою осциляторів або імпульсних генераторів.
Емісія електронів із поверхні катода
Для виривання електрона з катода необхідно подолати сили тяжіння електрона позитивними зарядами катода. Для цього необхідно витратити певну кількість роботи, яка називається роботою виходу. Величина роботи виходу залежить від матеріалу катода та стану його поверхні (наявність окисних та інших плівок). Для процесу у зварювальній дузі основне значення мають два види емісії електронів: термоелектронна та автоелектронна.
Термоелектронна емісія виникає при нагріванні поверхні катода. При цьому окремі електрони можуть отримати енергію.достатню для виконання роботи виходу та залишити поверхню катода. За відсутності електричного поля над поверхнею катода утворюється електронна хмара і подальший процес емісії електронів припиняється.
З часом окремі електрони з просторового заряду повертаються до тіла заряду і втягуються в метал. Відбувається одночасно емісія електронів і втягування їх у метал. При тривалому нагріванні металу з постійною температурою встановлюється рівноважна щільність емісії (кількість емітованих електронів дорівнює кількості втягнутих).
Щільність електронного струму може бути підрахована за такою формулою:
де j – робота виходу.
Зі збільшенням температури щільність струму термоелектронної емісії зростає. При температурі дуги зварювальної встановлюється така щільність термоелектронної емісії, яка достатня для підтримки стійкого дугового розряду.
Автоелектронна емісія. З метою полегшення емісії електронів із металу, розігрітий метал – катод поміщають у електричне змінне поле. Полюси поля мають таким чином: ²-² на металі, ²+² на протилежному електроді – аноді.
Електричне поле повністю чи частково руйнує просторовий електричний заряд. Це полегшує емісію електронів з катода та збільшує рівноважну щільність емісії, яка розраховується за такою самою залежністю.
Рівняння для струму термо- та автоелектронної емісії набуває вигляду:
В електричному полі зменшується робота виходу електрона на величину
Δj= 0 3/2 Е 1/2,
де Е – напруженість поля.
Емісія під впливом електричного поля називається автоелектронною. Для зварювання властиві обидва види емісії.
Зменшення роботи виходу зповерхні електрода може бути одним із способів стабілізації дугового розряду.
Таблиця - Робота виходу з поверхні катода для різних матеріалів