Молекулы элегаза состоят из большого числа атомов, вследствие чего реакции диссоциации, протекающие при высоких температурах в стволе дуги, исключительно сложны. С помощью спектрометрических методов анализа [43, 44] установлено, что под действием дуги элегаз диссоциирует на одно- и двухатомные газы. Полученная в результате таких исследований зависимость состава газа в дуге от температуры приведена на рис. 23, из которого видно, что уже при температурах около 1000° К начинается диссоциация молекул элегаза. Особенно интенсивно она идет при температуре 2000° К (в [46] указывается температура 2100° К), и уже при сравнительно низкой температуре (около 4000° К) диссоциация элегаза в основном заканчивается. При этой и более высоких температурах пространство, в котором горит дуга, заполнено атомами фтора и серы с небольшим содержанием двухатомных соединений. Эти атомы и соединения диффундируют в область более низких температур, где вновь рекомбинируют с образованием молекул элегаза и выделением затраченной на диссоциацию энергии. Диффузия атомов является важным дополнительным фактором, существенно увеличивающим нормальный процесс теплопроводности.
Рис. 24. Зависимости теплоемкости элегаза и воздуха и электрической проводимости элегаза от температуры
1 — удельная электрическая проводимость элегаза; 2 - удельная теплоемкость элегаза; 3 — удельная теплоемкость воздуха.
Затратой энергии на диссоциацию молекул объясняется и наличие максимумов в зависимостях удельной теплоемкости ср элегаза и воздуха от температуры, показанных на рис. 24.
В молекуле элегаза связь между атомом серы и фтором сравнительно слабая. Энергия, необходимая для нарушения S—F-связи и отделения таким образом атомов фтора, равна 76 ккал/моль [46]. Для разрушения связи N—N в азоте необходима энергия 170 ккал/моль. Вследствие сравнительно слабых внутримолекулярных связей максимум удельной теплоемкости в элегазе наблюдается при 2000° К. Он на порядок выше максимума в воздухе. При малых же температурах удельная теплоемкость элегаза на два порядка выше теплоемкости воздуха. Более прочные внутримолекулярные связи обусловили появление максимума удельной теплоемкости воздуха при температуре 7000° К.
В рассматриваемых условиях между удельной теплоемкостью Ср и теплопроводностью λ существует соотношение ср/λ=const. Поэтому характеристики ср и λ являются эквивалентными, а их зависимости от температуры можно считать сходными.
На рис. 24 приведена также зависимость удельной электрической проводимости элегаза от температуры. Так как потенциал ионизации серы значительно ниже, чем у фтора, проводимость в стволе дуги в элегазе обеспечивается в основном за счет ионизации атомов серы, и эта проводимость наступает при более низкой температуре, чем в воздухе. При более высоких температурах, которые соответствуют большим значениям тока дуги, когда почти все атомы серы уже ионизированы, кривая проводимости от температуры становится пологой, так как ионизация атомов фтора происходит при очень высокой температуре (около 17000° К).
Рис. 25. Распределение температуры по сечению ствола дуги в элегазе
Сравнивая ход кривых ср = f(T) и σ = φ(Τ), видим, что в области температур, где проводимость ствола дуги резко возрастает, кривая теплопроводности элегаза имеет минимум. Этим как будет показано ниже, определяется своеобразный характер распределения тока и температуры по сечению дуги.
Для пространства, занятого дугой, в котором выполняется условие теплового баланса, можно написать следующее уравнение:
где σ — удельная электрическая проводимость; Е—градиент напряжения в дуге; г—расстояние по радиусу; S(T) — потери тепла единицей длины дугового столба.
Решение этого уравнения с использованием значений λ из рис. 24, выполненное на электронной машине для различных значений тока, показано на рис. 25. На нем изображено распределение температуры по сечению дуги в элегазе. Кривая имеет два характерных участка: низкотемпературное основание с малым наклоном к горизонтали (т. е. с незначительным перепадом температуры dT/dr) и высокотемпературное ядро с очень крутым наклоном.
Ядро, по которому протекает весь ток дуги, образуется в элегазе при температурах свыше 2000° К, когда, как видно из рис. 24, начинается резкое снижение λ. Кроме того, из рис. 25 видно, что при уменьшении тока сокращается диаметр ядра. Теоретически и экспериментально доказано существование ядра в элегазе при токах, весьма близких к нулю [44]. Так как существенная электропроводность образуется при температурах 4500—5000° К, то для гашения дуги в элегазе перед переходом тока через нуль до этой температуры необходимо охладить лишь ядро. Скорость исчезновения этого ядра определяется параметром Θ, который по Фринду равен
(4)
где С —постоянная; r0 —радиус ядра дуги. В воздухе при атмосферном или несколько более высоком давлении зависимость
σ = φ(Γ) совпадает с областью максимума кривой cp=f(T). Поэтому температура по сечению дуги изменяется незначительно. Ядро, если оно и образуется, то при температуре свыше 7000° К. При снижении тока и подходе его к нулевому значению в междуконтактном промежутке останется значительный из-за малого перепада dT/dr объем сильно нагретого, а потому хорошо проводящего газа. Для того чтобы этот объем воздуха стал непроводящим, его необходимо охладить до температуры Tгаш, равной 4000—4500° К. Параметр Θ, определяющий скорость деионизации нагретого газа и зависящий от его объема, будет значительным.
С этой точки зрения хорошей гасящей средой следует считать такую, в которой обеспечивается условие Тдис<Тгаш, где Тдис— температура, при которой вследствие диссоциации теплопроводность имеет максимум; Тгаш — температура, при которой плотность электронов меньше 109 на 1 см3, и проводимость, таким образом, близка к нулю.
В элегазе это условие выполняется, а в воздухе не выполняется.
