Regione colonna d'arco

Capitolo 1 - Il Plasma ad arco
Sezione 7 - La scarica ad arco

Regione colonna d'arco - Temperatura

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La colonna d'arco o fuso d'arco è caratterizzata da temperature estremamente elevate ed il gas presente in questa regione è termicamente ionizzato, diventando così conduttore.

In questa regione sono possibili punte di temperatura superiori a 20000 K.

Gli elettroni emessi dal catodo sono fortemente accelerati in questa zona; la loro energia cinetica è in grado di rompere il legame atomico del gas presente nella scarica e di ionizzarlo per effetto della collisione tra elettrone e gas.

La distribuzione della temperatura in un punto interno alla colonna d'arco dipende da un particolare equilibrio termico tra la dissipazione di energia elettrica in quel punto e l'asportazione di questo calore per effetto della conduzione e irraggiamento.

Fig 1 - Regione colonna d'arco

Il catodo emette elettroni che si radunano in una nube intorno alla punta dell'elettrodo.

Gli elettroni emessi dal catodo si dirigono verso l'anodo; gli ioni invece si dirigono verso il catodo.

Durante il percorso, la collisione degli elettroni con gli atomi ionizza il gas e promuove la formazione di altri ioni ed elettroni. Il fenomeno perdura per tutta la durata della scarica ad arco.

Poichè il bombardamento elettronico è più intenso di quello ionico, l'anodo viene rapidamente surriscaldato.

L'ugello quindi deve essere adeguatamente raffreddato.

Fig. 2 - Moto delle cariche

Consideriamo una colonna di plasma, a forma cilindrica, con sezione trasversale di raggio r .

Il calore, per unità di lunghezza, entrante nella colonna cilindrica di plasma è espresso da:

s = conduttività elettrica del plasma;
E = campo elettrico della scarica.

Il calore uscente, per unità di superficie, dalla stessa colonna plasma è la somma di due contributi:

L'equilibrio energetico per la colonna cilindrica di arco plasma può quindi essere espresso da (1.10) :

(1.10)

essendo:
q(k) = -K (dT/dR) = perdita di calore per unità di superficie dovuta alla convezione;
K = conduttività termica del plasma;
q(rad) = perdita di calore per unità di superficie dovuta all'irraggiamento.

Se sono noti i valori sperimentali o teorici della conduttività elettrica K del plasma e la loro dipendenza dalla temperatura, trascurando inoltre le perdite per irraggiamento, l'equazione (1.10) può essere integrata fornendo sia la temperatura che la densità di energia nella colonna d'arco plasma.