Казалось бы, что может быть проще электрической дуги? Она уже давно и прочно вошла в нашу жизнь. Однако, на деле все не так просто: физика этого явления до сих пор таит в себе немало тайн и загадок. Пообщавшись с ведущим специалистом ФИАН, доктором физико-математических наук Николаем Михайловичем Зубаревым, мы узнали, насколько сложен и не изведан мир электрической дуги.

    Впервые явление электрической дуги было описано русским ученым В.В. Петровым еще в 1802-1803 гг. Однако более широко ее стали исследовать только 10 лет спустя. И, несмотря на столь почтенный возраст, это явление так до сих пор и остается изученным не до конца.

    Н.М. Зубарев: «Дуговой разряд – это очень распространенное явление, которое не так сложно реализовать даже в комнатных условиях, если не говорить, конечно, о вакуумной дуге. И, тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту, она до сих пор не получила должного теоретического описания.

    Связано это с тем, что данное явление представляет собой сложное пересечение различных областей физики: здесь и квантовая механика, и гидродинамика, и физика плазмы… В процессе рождения и жизни электрической дуги параллельно происходит сразу несколько фазовых переходов: первоначальное твердое тело превращается в жидкость, далее происходит испарение и, наконец, образуется плазма. Все взрывается, во все стороны летят капли. И именно то обстоятельство, что все это происходит одновременно, делает задачу чрезвычайно сложной для теоретического исследования.

    А для экспериментаторов исследование усложняется еще и тем, что характерный пространственный масштаб явления – микроны, а характерные времена – наносекунды, т.е. это все быстропротекающие процессы. Увидеть что-либо,  в основном,  удается уже после того, как дуга потухла, например кратеры на поверхности катода размером в несколько микрон. А вот что было в динамике – это до сих пор непонятно».

    Казалось бы, процесс образования электрической дуги на сегодня достаточно хорошо известен. В результате эмиссии электронов с катода, возникающей по той или иной причине, происходит ионизация газовой среды в прослойке между контактами. Этот процесс ионизации, нарастая лавинообразно, приводит, в свою очередь, к образованию плазмы, которая по сути представляет собой проводник, замыкающий электрическую цепь: катод – плазма – анод. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока (сотни и тысячи А/см²) и возможен только при определенных значениях тока (от единиц ампер и выше) и давлениях газа (не менее 10^-5 мм.рт.ст.).

    Особенностью вакуумного дугового разряда является то, что изначально в межэлектродном промежутке нет заряженных частиц, необходимых для протекания электрического тока. Вещество поступает в промежуток в результате взрывных процессов на катоде.

    Но так легко все выглядит только на первый взгляд. Если же посмотреть на весь процесс глазами физика, то можно увидеть картину невероятной сложности. Изначально в наличии имеется лишь 2 твердых тела со своей кристаллической решеткой – катод и анод. Независимо от первопричины электронной эмиссии, это всегда будет квантовомеханический процесс, с довольно сложными законами протекания.

    Образовавшаяся в результате микровзрывов плазма нагревается, – ее температура может достигать до 50 тыс. К, – что неизбежно приводит к плавлению металла на поверхности контактов. И вот уже мы получили фазовый переход из твердого тела в жидкость. Здесь процесс электронной эмиссии изрядно «подпорчивается» наличием жидкой фазы, которая под давлением плазмы к тому же начинает расплескиваться и взрываться, образуя новые центры взрывов. А далее, новый фазовый переход – жидкий металл с поверхности контактов начинает испаряться, превращаясь в газ… 

    Добавьте ко всему этому еще и сложный характер электромагнитных взаимодействий: столб электрической дуги представляет собой не просто хороший проводник, но подвижный и легко деформируемый под воздействием магнитных полей. К тому же постоянно протекающие процессы ионизации и деионизации плазмы приводят к изменениям характеристик самого электромагнитного поля, что также не добавляет простоты…

     На сегодняшний день не вызывает сомнений, что все эти превращения играют огромную роль в самом процессе образования и поддержания дугового разряда. Немалую роль в понимании этого сыграли ученые школы под руководством акад. Г.А. Месяца , уже долгие годы занимающиеся исследованием этого невероятно сложного явления. Результатом этих работ стало, в частности, понимание огромной роли именно жидкой фазы, что, в свою очередь, привело к необходимости использования гидродинамических методов исследования.

    Н.М. Зубарев: «На протяжении последних нескольких лет Геннадием Андреевичем (акад. Г.А. Месяцем – прим. ред.) с сотрудниками говорилось, что жидкая фаза играет существенную роль в процессе горения дуги, потому что для того, чтобы дуга самоподдерживалась, надо, чтобы появилось микроострие либо микроструя, которая затем может взорваться, и это обеспечит условия для дальнейшего горения дуги. Но конкретный сценарий долго оставался непонятным… В настоящее время мой вклад в общую картину исследований состоит как раз в изучении этой гидродинамической фазы, ее динамики.»

    Для того, чтобы подтвердить, или же опровергнуть, свои предположения группа ученых под руководством Г.А. Месяца в первую очередь занялась оценкой гидродинамических параметров – чисел Вебера и Рейнольдса, определением порога расплескивания расплавленного метала и т.п. – применительно к вакуумной электрической дуге. И первые же исследования привели, с одной стороны, к радости от подтверждения первоначальных догадок, а с другой – к удивлению. Учеными ФИАН была обнаружена весьма очевидная связь между порогом расплескивания жидкого металла и величиной порогового тока, ниже которого существование дуги невозможно.

    Н.М. Зубарев: «Я сильно удивлен тем, что у нас получилось. Вполне могло так оказаться, что этот порог расплескивания будет приходиться на десятки ампер или на какие-нибудь миллиамперы. И тогда… в другом месте нужно было бы искать причины, объясняющие наличие порогов в процессах вакуумного дугового разряда. А тут они как бы совпали. Это позволяет предположить, что действительно наличие порогового тока может быть связано с гидродинамическими процессами, хотя, конечно, там помимо гидродинамики есть очень много другого.

    Конечно, это не может не радовать. Но, с другой стороны, это не упрощает, а скорее усложняет задачу описания процесса дуговых разрядов.»

    Сейчас ученые планируют новую серию экспериментов по исследованию уже сингулярных режимов, циклических процессов в гидродинамической фазе. Такой переход позволит учесть в поисках связи между гидродинамическими показателями и характеристиками дугового разряда не только пространственные, но и временные параметры. Уже первые полученные результаты показывают правильность выбранного направления.

    Н.М. Зубарев: «Существует масса приложений, связанных с применением плазмы, которая получается в результате горения дуги. Но это уже потом. Сначала все-таки надо понять, что там происходит, почему так, а не иначе. Почему именно такие значения токов необходимы для поддержания дуги. Почему такие энергозатратные процессы, как эмиссия электронов и т.п., требующие в других условиях полей до 10⁷ В/см и выше, в плазме «работают» на катодном падении потенциала в 10 В. И таких «почему» великое множество.

    Конечно, наш объект исследования – это не океан, а маленькая лужица, диаметром в 4-5 микрон, в которой все бурлит и выплескивается. Но она дает нам информации к размышлению ничуть не меньше».

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»