Емисия на електрони от повърхността на катода
Лекция 2
Производство на отрицателни йони
Установено е, че халогените по време на йонизация са способни да добавят електрони, за да образуват отрицателни йони (халогени: F, Cl, Br, J). F има най-висок електронен афинитет, който често се въвежда в дъгата под формата на соли (CaF2), за да се потисне порьозността в заваръчния метал. Добавянето на отрицателни йони от F атоми води до намаляване на концентрацията на свободни електрони в дъговата плазма, въпреки че общият брой на заредените частици остава постоянен. Електроните носят основната част от тока. Отрицателните F йони са тежки, бавно движещи се частици, които пренасят ток много по-зле. Следователно, когато в зоната на заваряване се въвеждат вещества, съдържащи F, стабилността на изгарянето на дъгата рязко се влошава, особено при заваряване с променлив ток. Затова при постоянен ток се използват електроди от типа UONI 13/45, съдържащи в състава си значително количество CaF2. Ако заваряването трябва да се извърши на променлив ток, тогава в състава на такива покрития се въвеждат йонизиращи вещества или се използва стабилизация на дъгата с помощта на осцилатори или импулсни генератори.
Емисия на електрони от повърхността на катода
За да извадите електрон от катода, е необходимо да преодолеете силите на привличане на електрона от положителните заряди на катода. За да направите това, трябва да похарчите определено количество работа, което се нарича работна функция. Стойността на работата зависи от материала на катода и състоянието на неговата повърхност (наличието на оксидни и други филми). За процеса в заваръчната дъга от основно значение са два вида електронна емисия: термоелектронна и автоелектронна.
Термионна емисия възниква, когато повърхността на катода се нагрее. В този случай отделните електрони могат да получат енергиядостатъчно, за да изпълни работната функция и да напусне повърхността на катода. При липса на електрическо поле над повърхността на катода се образува електронен облак и по-нататъшният процес на емисия на електрони спира.
С течение на времето отделните електрони от пространствения заряд се връщат в зарядното тяло и се изтеглят в метала. Електроните се излъчват едновременно и се изтеглят обратно в метала. При продължително нагряване на метала при постоянна температура се установява равновесна плътност на излъчване (броят на излъчените електрони е равен на броя на изтеглените).
Плътността на електронния ток може да се изчисли по формулата:
където j е работната функция.
С повишаването на температурата плътността на тока на термоемисия се увеличава. При температурата на заваръчната дъга се установява такава плътност на термоемисия, която е достатъчна за поддържане на стабилен разряд на дъгата.
Автоелектронно излъчване. За да се улесни излъчването на електрони от метала, нагретият метал - катодът се поставя в променливо електрическо поле. Полюсите на полето са разположени както следва: ²-² върху метала, ²+² върху противоположния електрод - анода.
Електрическото поле унищожава напълно или частично пространствения електрически заряд. Това улеснява излъчването на електрони от катода и увеличава равновесната плътност на излъчване, която се изчислява от същата зависимост.
Уравнението за тока на термо- и полевата емисия приема формата:
В електрическо поле работата на един електрон намалява с количеството
Δj= 0 3/2 E 1/2,
където E е напрегнатостта на полето.
Излъчването под въздействието на електрическо поле се нарича автоелектронно. Заваряването се характеризира с двата вида емисии.
Намаляване на работната функция сповърхността на електрода може да служи като един от начините за стабилизиране на дъговия разряд.
Таблица - Работна функция от повърхността на катода за различни материали