Некоторые характеристики низкочастотного разряда с жидким электродом

УДК 537.525

Л. Н. Багаутдинова, Аз. Ф. Гайсин, И. Ш. Абдуллин,

Л. Ш. Гасимова, Ф. М. Гайсин, М. А. Леушка, Ал. Ф. Гайсин

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА С ЖИДКИМ ЭЛЕКТРОДОМ

Ключевые слова: низкочастотный разряд, электролит, вольтамперная характеристика, давление.

Работа посвящена исследованию вольтамперных характеристик (ВАХ) низкочастотного электрического разряда переменного тока с частотой 50 Гц между стальным электродом и электролитом из 20 % и 30 % раствора CuSO4 при пониженных давлениях.

Keywords: low-frequency category, electrolyte, voltamperny characteristic, pressure.

The work is devoted to the study of current-voltage characteristics (CVC) of low-frequency electric discharge alternating current with a frequency of 50 Hz between the steel electrode and an electrolyte of 20% and 30% pa CuSO4 solution at low pressures.

В настоящее время электрические разряды переменного тока с электролитическим и твердым электродами представляют большой практический интерес, как генераторы низкотемпературной плазмы. Такие разряды могут использоваться в плазменной технике и технологии для обработки металлических поверхностей, нанесения покрытий различного назначения [1], получения мелкодисперсных металлических порошков [2], а также для нагрева металлов и сплавов в электролите [3]. Настоящая работа посвящена исследованию электрических характеристик низкочастотного разряда между твердым и жидким электродом (20 % и 30 % раствор CuSO4 в очищенной воде) в широком диапазоне давления Р = (1,6^8,0)*103 Па, межэлектродного расстояния I = 5^40 мм,

напряжения разряда и = 560^1000 В и тока разряда I = 120^1250 мА. В качестве твердого электрода служила сталь 3 диаметром 4 мм.

Установка, предназначенная для изучения электрического разряда, состоит из системы электрического питания, вакуумной разрядной камеры с системой регулирования давления, электролитической ванны, аппаратуры контроля и управления работой установки и измерения характеристик электрических разрядов. Система электропитания установки состоит из

высоковольтной и низковольтной частей. Высоковольтная часть предназначена для питания изучаемого электрического разряда. Она состоит из регулятора напряжения и повышающего трансформатора. Низковольтная часть системы

электропитания предназначена для питания

вспомогательного и регулировочного оборудования установки: двигателя вакуумного насоса,

контакторов управления, двигателей подачи электрода, координатного устройства.

Использовался стандартный источник питания переменного тока БП-150 на 7 кВ. Токи напряжения измерялись щитовыми приборами РА1 и РУ1 класса точности 0,5 и 1,5, установленными на пульте управления. Разрядная камера состоит из основания и колпака, изготовленных из оргстекла толщиной 30 мм. В колпаке имеется отверстие диаметром 100 мм, закрываемое крышкой из кварцевого стекла, которое служит для наблюдения за процессом

разряда. Внутри камеры установлены привод регулирования межэлектродного расстояния и координатное устройство для зондовых измерений с зондом и электролитическая ванна. Электролитическая ванна состоит из диэлектрического корпуса, стальной пластины для подвода напряжения к электролиту и стального электрода, подключенного к другой клемме источника питания и закрепленного на устройстве регулирования межэлектродного расстояния.

На рисунке 1 представлены ВАХ объемного разряда переменного тока между твердым и жидким электродами (20 % раствор С^04 в очищенной воде) для различных давлений и межэлектродных расстояний I. Из сравнения графиков 1 и 2 следует, что с ростом межэлектродного расстояния от 30 до 40 мм при Р = 3,3 кПа величина напряжения разряда возрастает. Например, при I = 600 мА с увеличением / от 30 до 40 мм величина и переменного тока возрастает в 1,13 раза. Как видно из рис. 1 напряжение уменьшается с ростом тока разряда почти линейно. Анализ экспериментальных данных кривой 3 рис. 1 показывает, что при I = 20 мм с ростом давления от 3,3 до 4,8 кПа характер зависимости и = 1^1) практически не меняется.

На рисунке 2 представлены ВАХ низкочастотного электрического разряда переменного тока между твердым и жидким электродами (30 % раствор С^04 в очищенной воде) для различных давлений и межэлектродных расстояний I. Анализ зависимости величины и от тока разряда (кривая 1) показывает, что с ростом I от 700 до 725 мА напряжение разряда возрастает до максимального значения, а с дальнейшим ростом тока разряда от 725 до 1325 мА величина и постепенно уменьшается. Возрастающий участок кривой 1 объясняется горением аномального тлеющего разряда переменного тока между твердым и жидким электродами. Из сравнения экспериментальных данных рис. 1 и 2 следует, что ВАХ при Р = 3,3 и 3,5 кПа с ростом концентрации электролита от 20 до 30 % смещаются в сторону больших токов. С понижением давления от 1,6 до 2,1 кПа наблюдается другой характер зависимости и = Щ и кривые 2 и 3 имеют горизонтальный вид. Рост межэлектродного расстояния от 20 до 30 мм

(кривые 2 и 3) приводит к росту напряжения разряда. Как видно из рисунка 3, с ростом давления величина и линейно возрастает.

Рис. 1 - ВАХ объемного разряда (электролит-20% раствор Си804): прямая 1 - I = 40 мм, Р = 3,3 кПа; прямая 2 - I = 30 мм, Р = 3,3 кПа; прямая 3 - I = 20 мм, Р = 4,8 кПа

50 250 450 650 850 1050

1250 I, А

Рис. 2 - ВАХ объемного разряда (электролит -30% раствор Си804): кривая 1 - I = 5 мм,

Р = 3,5 кПа; прямая 2 - I = 30 мм, Р = 1,6 кПа; прямая 3 - I = 20 мм, Р = 2,1 кПа

Рис. 3 - Зависимость напряжения разряда переменного тока от давления при I = 25 мм,

I = 650 мА и Г = 50 Гц

Таким образом, в ходе экспериментальных исследований низкочастотного электрического разряда переменного тока между твердым и жидким электродами были выявлены следующие особенности. В интервале давлений от 3,3 до 4,8 кПа вольтамперные характеристики имеют падающий вид, и увеличение концентрации электролита меняет характер ВАХ. Установлено, что с увеличением концентрации электролита от 20 до 30 % для давлений от 1,6 до 2,1 кПа вольтамперные характеристики низкочастотного разряда приобретают горизонтальный вид.

Литература

1. Гайсин Ф.М. Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами / Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. Фортова В.Е. - М.: Наука. 2000. - 241 с.

2. Способ получения металлического порошка (варианты) / Патент № 2332280 от 30.06.2006.

3. Дураджи В.Н. Электрофизические явления между металлом и электролитом и их применение / В.Н. Дураджи, Ф.М. Гайсин // Казань: Изд-во Казан.гос.техн. ун-та, 2011.- 228 с.

900

850

800

750

700

650

600

© Л. Н. Багаутдинова - к.т.н., доц. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, lilup@bk.ru; Аз. Ф. Гайсин -д.т.н., проф. той же кафедры, gasimova.techph@kstu-kai.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Л. Ш. Гасимова - соиск., вед. инж. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ; Ф. М. Гайсин - д.ф.-м.н., профессор, зав. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ; М. А. Леушка - магистр той же кафедры; Ал. Ф. Гайсин - к.т.н., доц. той же кафедры, almaz87@mail.ru.