Электрометаллургия. История электрометаллургии стали

Электрометаллургия. История электрометаллургии стали.

История электрометаллургии. Развитие современной техники и  промышленности базируется главным  образом на применении металлов. Лишь имея металл, обладающий определенными  механическими и физическими  свойствами, можно сооружать мощные гидроэлектростанции, атомные реакторы и строительные конструкции и  производить аппараты химического  производства, ракеты и электронные  машины.

Интенсивное развитие техники и промышленности непрерывно расширяет число применяемых  металлов и изменяет соотношение  в удельном объеме их производства. Однако в течение продолжительного времени и теперь первостепенное значение для развития промышленности имеет сталь. Сталеплавильное производство по объему и стоимости продукции  превосходит производство всех других металлов, вместе взятых. В 1970 г. мировое  производство стали достигло 600 млн. т (в том числе 116 млн. т было выплавлено в СССР). Для сравнения можно  отметить, что мировое производство алюминия и меди, которые по объему производимой продукции занимают первое место среди цветных металлов, достигает примерно 10 и 7 млн. т соответственно.

Огромные масштабы сталеплавильного производства, являющегося  основой современной цивилизации, обусловлены достаточно широким  распространением железных руд (в земной коре содержится 4,2% железа, занимающего  четвертое место после кислорода, кремния и алюминия, содержащихся соответственно в количествах 49, 13, 26 и 7,45 относительной легкостью и  дешевизной восстановления железа из руд, прекрасными свойствами стали  как конструкционного материала. Сталь обладает высокой прочностью и пластичностью, легко поддается механической обработке и сваривается. Она замечательна еще тем, что присадками легирующих элементов и определенной термической обработкой можно в широком диапазоне изменять ее механические свойства, а также придавать ей особые физические и химические свойства (стали электротехнические, нержавеющие, жаропрочные и др.). Значение легированных сталей особенно возросло в последние годы в связи с увеличением потребности в стали с особыми свойствами и производство их составляет более 8% от общего производства стали.

Хотя человечество использует железо в течение тысячелетий  и начало «железного века» археологи  относят ко второму тысячелетию  до нашей эры, интенсивное развитие сталеплавильного производства началось лишь в начале второй половины прошлого века, когда были разработаны современные процессы выплавки стали. Производство стали в 1850 г. составляло всего 50 тыс. т и ненамного превышало производство меди или цинка. В 1900 г. оно достигло 29 млн. т, а в 1968 г. превысило пол миллиарда тонн.

Первым современным  способом производства стали был  процесс, предложенный в 1856 г. Генри  Бессемером и вызвавший революционный  переворот в промышленности и  железнодорожном строительстве. Бессемеровский процесс впервые позволил получать жидкую сталь из чугуна, причем в  течение очень короткого времени.

В бессемеровском процессе окисление примесей осуществляется в конвертере путем продувки жидкого  чугуна воздухом. Вследствие очень интенсивного протекания процесса и быстрого завершения плавки (10—20 мин) тепловые потери не велики и тепла, выделяющегося в результате окисления примесей, достаточно для нагрева стали до 1600° С. В 1864 г. Пьер Мартен, применив регенерацию тепла, построил первую печь, которая позволяла не только получать жидкую сталь и из чугуна, но и переплавлять стальной лом. В своем первоначальном виде ни конвертерный, ни мартеновский процессы, будучи кислыми процессами, не обеспечивали удаления фосфора и серы из металла, что ограничивало их применение. Этот недостаток был преодолен в 1879 г., когда С. Томас (вместе с братом П. Джилкристом) положил начало выплавке стали основным процессом, предложив футеровать конвертер доломитом (томасовский процесс).

Основной процесс  выплавки стали в томасовских  конвертерах и мартеновских печах  весьма расширил возможности сталеплавильного производства, объем продукции которого нарастал огромными темпами.

Одновременно  с возникновением основных сталеплавильных  процессов появились первые электросталеплавильные печи. Способ 1 выплавки стали в электрических  печах был запатентован еще в 1853 г. ц Пишоном (Франция), который  разработал конструкцию дуговой  печи косвенного действия, т. е. с дугами, горящими между электродами над  металлической ванной. Позднее (1879 г.) Сименс создал печь прямого действия, в которой одним из полюсов  электрической дуги являлась металлическая  ванна.

Коренные изменения дуговая печь претерпела в шестидесятых годах. Вследствие повышения мощности трансформатора, совершенствования электрического и технологического режимов плавки производительность дуговых печей в этот период возросла в 2—4 раза по сравнению с производительностью печей аналогичной емкости, применявшихся в 1950—1960 гг. Появилась возможность довести производительность крупных дуговых печей до 100 т/ч.

Увеличение емкости  печей и повышение мощности трансформаторов (до 500—900 кВ/т) обеспечили значительное улучшение технико-экономических показателей электросталеплавильного производства и определили основные направления его дальнейшего развития.

Применение мощных трансформаторов дает значительное повышение производительности лишь при эффективном использовании  этой мощности. Поэтому при переходе на мощные трансформаторы разрабатывалась  новая технология плавки, предусматривающая  сокращение до минимума восстановительного периода, когда электрическая мощность используется неэффективно. Разрабатывались  методы внепечного рафинирования. Повышение  производительности дуговых печей  и улучшение технико-экономических  показателей их работы стимулировали  интенсивное развитие электросталеплавильного  производства.

На рубеже XIX и XX веков появились и другие электропечи  для плавки стали —индукционные печи. Первая промышленная индукционная печь с железным сердечником была, по-видимому, установлена в Гизинге (Швеция) в 1900 г. Затем индукционные печи с железным сердечником и кольцевым плавильным каналом стали применять на некоторых других заводах. Однако для плавки стали они распространения не получили. С 1925 г. в промышленности начали применять индукционные печи без сердечника.

Индукционная  печь явилась первым сталеплавильным  агрегатом, использованным для вакуумирования стали. Вакуумная индукционная печь впервые была применена Роном  в 1920 г. Однако тогда она не получила распространения вследствие высокого остаточного давления 267—800 Н/м2 (2—6 мм рт. ст.), плохих технико-экономических показателей, отсутствия особой потребности в ней. Такая печь нашла применение лишь в лабораторной практике. 
Развитие атомной энергетики в конце второй мировой войны и в послевоенные годы вызвало существенное улучшение вакуумной техники и создание вакуумных насосов, позволяющих получать остаточное давление 0,133—0,767 Н/м2 (1—5 мм рт. ст.) при достаточно высокой для промышленных насосов скорости откачки. Поэтому в 1945—1946 г. в США было построено несколько промышленных вакуумных индукционных печей. Однако значительно и очень быстро вакуумная индукционная плавка стала развиваться в ряде стран в 1950—1951 гг. и в последующие годы в связи с развитием ракетной техники и реактивной авиации, требующих производства металла особой чистоты. 

Значение  электропечей в черной металлургии

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая  роль в производстве качественной и  высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ как ни один другой приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов — хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и других, придающих стали особые физические свойства.

Преимущества  электроплавки по сравнению с  другими способами сталеплавильного производства связаны главным образом  с использованием для нагрева металла электрической энергией. Выделение тепла в электропечах происходит либо в самом нагреваемом металле, либо в непосредственной близости от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать большую мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур, в отдельных случаях вплоть до температуры кипения. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке довольно легко поддаются контролю и регулированию.

В отличие от мартеновского и конвертерного  процессов выделение тепла в  электропечах не связано с потреблением окислителя. Поэтому электроплавка может быть осуществлена в любой атмосфере — окислительной, восстановительной или нейтральной, и в широком диапазоне давлений — в условиях вакуума, при атмосферном или избыточном давлении. Изменяя состав атмосферы и давление газовой фазы, можно менять в нужную сторону условия протекания окислительно-восстановительных процессов, производить по ходу плавки вакуумирование металла или насыщать его тем или иным элементом из газовой фазы.

Лучше других агрегатов электропечь приспособлена и для переработки металлического лома. Вся шихта в электропечь может быть загружена в один или два приема, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не вызовет затруднений в ее расплавлении. Период плавления в электропечах значительно короче, чем в мартеновских печах, работающих скрап-процессом.

В электропечах легко выплавлять сталь из восстановленного железа, которое можно загружать  в один-два приема или непрерывно подавать в печь с помощью дозирующих устройств, контролируемых электронными вычислительными машинами. В электропечах легко использовать энергию атомных  электростанций, что в недалеком  будущем будет иметь важное значение. Работа электрических печей легко поддается автоматизации. Следовательно, электропечи — это агрегаты, соответствующие высокоавтоматизированным заводам будущего.

Недостатками  электропечей по сравнению с кислородными конвертерами являются меньшая производительность при одинаковой емкости и трудность передела больших количеств жидкого чугуна.

В электропечах выплавляют сталь обширного сортамента, но печи разного типа и емкости  специализируют на выплавку стали сравнительно небольшого круга марок. Разная потребность  народного хозяйства в металле  определенного назначения и существующие технические и экономические  возможности развития электросталеплавильного  производства определяют различные  темпы увеличения выплавки металла  того или иного назначения. 

Типы и  виды плавильных электропечей

Виды электропечей. К плавильным электропечам относят  все установки, предназначенные  для плавления металлов с использованием электрической энергии. Они могут  существенно различаться по способу  превращения электрической энергии  в тепловую и передаче энергии от источника тепла к нагреваемому металлу, а также по их назначению и исполнению.

В основу классификации  электропечей положен наиболее общий  и во многих случаях определяющий все остальные особенности признак  — способ превращения электрической энергии в тепловую. По этому признаку все электрические печи можно разбить на четыре группы: печи сопротивления ,дуговые печи, индукционные печи и установки электроннолучевого нагрева.

Характеристика  и виды печей сопротивления

Принцип работы печей сопротивления основан  на том, что при прохождении тока по проводнику в нем выделяется тепло. В соответствии с законом Джоуля—Ленца количество выделившегося в проводнике тепла пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Подбирая определенные значения силы тока и сопротивления, можно получить мощность, достаточную для расплавления металлов.

Элементом сопротивления  может служить специальный проводник  или непосредственно нагреваемое  тело. Установки, в которых элементом  сопротивления является само нагреваемое  тело, называют печами сопротивления  прямого нагрева. Но сопротивление  металла обычно невелико и недостаточно для выделения в нем необходимой  мощности. Поэтому для плавления  металлов используют печи сопротивления  косвенного нагрева, в которых тепло  выделяется в специальном проводнике и уже от него передается металлу.

Элементом сопротивления  в этих установках является ванна расплавленного шлака. При прохождении тока шлак, обладающий большим электрическим сопротивлением, сильно разогревается. За счет тепла шлака нагревается погруженный в него металлический электрод. Электрод с торца оплавляется и металл каплями перетекает с электрода через шлак в изложницу. 

Дуговые печи. Виды и характеристика

Преобразование  электрической энергии в тепловую в дуговых печах происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм дугового разряда в газах. При таком разряде в сравнительно небольшом объеме дуги можно сконцентрировать огромные мощности и получить очень высокие температуры. Высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить и нагревать металл в дуговых печах до высокой температуры.

Нагрев металла  дугой можно осуществлять непосредственно (если дуга горит между электродом и расплавленным металлом) или  излучением, когда дуга горит между  двумя электродами. Печи первого  типа - это дуговые печи прямого  действия, второго типа — дуговые  печи косвенного действия. В печах  косвенного нагрева очаг высокой  температуры удален от поверхности  металла на некоторое расстояние и на поверхность металла первоначально  попадает лишь часть тепла, излучаемого  дугой. Значительная его часть достигает  поверхности металла после отражения  от стен и свода, поэтому футеровка  печи испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограничивает возможность проведения в таких  дуговых печах процессов, требующих  нагрева металла свыше 1300—1400° С, и не позволяет применять их для плавления тугоплавких металлов. В черной металлургии такие дуговые печи иногда используют в небольших литейных цехах для расплавления чугуна. 

Значительно лучше  условия передачи тепла от дуги металлу  в дуговых печах прямого действия. В этом случае очаг высоких температур максимально приближен к поверхности металла. Часть тепла из зоны высоких температур поглощается металлом непосредственно и отводится теплопроводностью. Значительно большая часть и лучистой энергии сразу попадает на поверхность металла, а свод печи защищен от воздействия дуг благодаря экранирующему действию электродов. Все это позволяет концентрировать в дуге большие мощности и успешно проводить процессы, требующие нагрева до высоких температур.

Вертикально расположенные  электроды в дуговых печах  прямого действия работают в основном на растяжение. Это позволяет использовать длинные графитовые электроды большого сечения, допускающие работу на токе большой силы. Таким образом, эти  печи могут быть мощными, большой  емкости и производительности.

В зоне действия дуг происходит интенсивное испарение  металла, и поэтому дуговые печи прямого действия не получили широкого применения для плавления дорогих  металлов, характеризуемых низкой температурой испарения. Но сравнительно высокие  температуры испарения и относительно невысокая стоимость черных металлов делают этот недостаток печей прямого  действия в случае производства стали  не столь существенным, если учесть их достоинства — большую производительность и возможность проведения высокотемпературных процессов. В связи с этим такие дуговые печи широко распространены в сталеплавильной и ферросплавной промышленности. Наиболее распространены дуговые трехфазные сталеплавильные печи с дугой, горящей в воздушной атмосфере. По общему объему производства металла они занимают первое место среди электросталеплавильных агрегатов.

В последние годы получили распространение дуговые  печи специального назначения, например дуговые вакуумные печи (ВДП), которые  также являются печами прямого действия.

Рисунок 2. Дуговая  вакуумная печь 
а - с расходуемым электродом; 1 - вакуумная камера; 2 - расходуемый электрод; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавляемый слиток; 
б - с не расходуемым электродом; 1 - питатель для подачи шихты; 2 - вакуумная камера; 3 - тугоплавкая насадка электрода; 4 - кристаллизатор; 5 - наплавляемый слиток.

Имеются два принципиально  отличных типа дуговых вакуумных  печей: с расходуемым и не расходуемым электродом. В печах с расходуемым электродом дуга горит между переплавляемым электродом и поверхностью ванны жидкого металла, а в печах с не расходуемым электродом — между графитовым или металлическим (из тугоплавкого металла) электродом и расплавляемым металлом. В обоих случаях плавление ведется в вакуумной камере.

В дуговых вакуумных  печах отсутствует огнеупорная футеровка, а все элементы печи, подверженные воздействию высоких температур, охлаждаются водой. В связи с этим в них можно проводить процессы, требующие большой концентрации тепла и высоких температур. Используются они для плавления тугоплавких (молибден, вольфрам, ниобий, тантал) и тугоплавких активных (цирконий, титан) металлов, а также для переплава стали с целью улучшения ее свойств в результате обработки вакуумом и изменения условий кристаллизации.

К дуговым печам  прямого действия могут быть отнесены также плазменные дуговые печи с  анодом на металле. Источником тепла  в этих печах является сильно сжатый в поперечном направлении дуговой  разряд. Плотность тока в сжатой дуге во много раз выше, чем в обычной, следовательно, выше и ее температура. В среде инертных газов температура сжатой дуги может достигать 30000° С. Такая концентрация тепла в плазменных печах позволяет проводить процессы с очень большой скоростью, в результате чего плазменный нагрев обеспечивает большую производительность.

Сжатие дуги можно  осуществить магнитным полем  или газовым потоком. Используя  для сжатия дуги инертные или активные газы, в плавильном пространстве можно  получать нейтральную или высокоактивную атмосферу.

Для плавления  металлов используют плазменные дуговые  печи двух типов — с керамическим тиглем или водоохлаждаемым кристаллизатором. Плазменные печи с керамическим тиглем похожи на обычные дуговые сталеплавильные печи, но отличаются от них более высокой производительностью и позволяют получать металл более высокого качества. Печи с водоохлаждаемым кристаллизатором используют для рафинировочного переплава, в результате которого свойства металла улучшаются благодаря дополнительной обработке активным газом и принудительной направленной кристаллизации в водоохлаждаемом кристаллизаторе. 

Характеристика, виды, принцип работы индукционных печей

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в непеременным полем индуктора. По существу индукционные печи также являются печами сопротивления, но отличаются от них способом передачи энергии нагреваемому металлу. В отличие от печей сопротивления электрическая энергия в индукционных печах превращается сначала в электромагнитную, затем снова в электрическую и, наконец, в тепловую.

При индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно  в нагреваемом металле, поэтому  использование тепла оказывается  наиболее полным. С этой точки зрения эти печи — наиболее совершенный  тип электрических печей.

Индукционные  печи бывают двух типов: с сердечником и без сердечника тигельные. В печах с сердечником металл находится в кольцевом желобе вокруг индуктора, внутри которого проходит сердечник. В тигельных печах внутри индуктора располагается тигель с металлом. Применить замкнутый сердечник в этом случае невозможно.

В силу ряда электродинамических  эффектов, возникающих в кольце металла  вокруг индуктора, удельная мощность канальных  печей ограничивается определенными  пределами. Поэтому эти печи используют преимущественно для плавления легкоплавких цветных металлов и лишь в отдельных случаях применяют для расплавления и перегрева чугуна в литейных цехах. 

Удельная мощность индукционных тигельных печей может  быть достаточно высока, а силы, возникающие  в результате взаимодействия магнитных  печей металла и индуктора, оказывают  в этих печах положительное воздействие  на процесс, способствуя перемешиванию  металла. Бессердечниковые индукционные печи применяют для выплавки специальных, особенно низкоуглеродистых сталей и сплавов на основе никеля, хрома, железа, кобальта.

Рисунок 2. Конструкция индукционной печи 
а - конструктивное оформление; 1 - индуктор, 2 - крепление витков индуктора, 3 - каркас, 4 - изоляция, 5 - подовая плита, 6 - тигель, 7 - цапфы, 8 - крышка 
б - футеровка тигля; 1 - подовая плита, 2 - тигель, 3 - воротник, 4 - сливной желоб, 5 - огнеупорная обмазка

Важным достоинством тигельных печей являются простота конструкции и малые габариты. Благодаря этому они могут быть полностью помещены в вакуумную камеру и в ней возможно по ходу плавки обрабатывать металл вакуумом. Как вакуумные сталеплавильные агрегаты индукционные тигельные печи получают все более широкое распространение в металлургии качественных сталей.

Рисунок 3. Схематическое  изображение индукционной канальной  печи (а) и трансформатора (б)

Электронно-лучевые  установки

Нагрев металла  в электронно-лучевых установках осуществляетсяпотоком электронов. Бомбардируя поверхность нагреваемого металла, электроны часть своей кинетической энергии передают частицам металла, повышая тем самым его температуру.

Источником электронов служит кольцевой катод, радиальная или аксиальная электронная пушка. 
 
рис.1 плазменная печь (а) - с керамическим тиглем; (б) - водоохлаждаемым кристаллизатором.

Получить плотный  не рассеивающийся в пространстве поток  электронов можно только в вакууме  при давлении менее 13,33 Па (или 0,1 мм рт. ст.), вследствие чего электронно-лучевые  установки являются вакуумными. Их используют для производства слитков металлов высокой степени чистоты, получения высококачественных отливок.

рис.2 электронно-лучевая  установка 
а - с кольцевым катодом; 1 - расходуемый электрод; 2 - кольцевой катод; 3 - экран; 4 - кристаллизатор; 5 - наплавляемый слиток; 
б - с аксиальной пушкой; 1 - аксиальная пушка; 2 - переплавляемый металл; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавляемый слиток; 

Дуговой разряд

Трансформация электрической  энергии в тепловую в дуговых печах происходит в разрядном промежутке между торцом электрода и поверхностью металла. Электрическая цепь на этом участке замыкается дуговым разрядом.

Дуговой разряд является одной из форм электрического разряда в газах. В обычном  состоянии газ состоит из электронейтральных частиц и ток не проводит. Он приобретает  проводимость, когда в нем, помимо электронейтральных атомов и молекул, появляются заряженные частицы —свободные электроны и ионы. В зависимости от причин, вызывающих их появление, разряды в газах подразделяют на несамостоятельные и самостоятельные.

Несамостоятельными  называют разряды, для поддержания  которых на газовый промежуток требуется  воздействие внешних ионизаторов, например рентгеновского излучения. Разряды, существование которых не обусловлено  внешними ионизаторами, являются самостоятельными. Дуговой разряд относится к числу  самостоятельных разрядов.

Кроме дугового, в газах возможны и другие формы  самостоятельного электрического разряда, при определенных условиях переходящие  одна в другую. Конкретная форма электрического разряда (дуговой, тлеющий и тихий) определяется плотностью разрядного тока и давлением в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока (сотни и тысячи А/мм2) и возможен только при определенных давлениях.

В простейшем случае для возбуждения электрической  дуги концы электродов, к которым  приложено напряжение, сначала приводят в соприкосновение, а затем разводят на некоторое расстояние. Так же зажигают дугу и в электропечах. При разведении электродов в точках контакта увеличивается сопротивление  и растет количество выделяющегося  на этом участке джоулева тепла, повышается температура концов электродов.

Рисунок 1. Область существования  разрядов в газах

Повышение температуры  связано с увеличением кинетической энергии движущихся частиц нагреваемого тела. В материале электродов наибольшей подвижностью обладают свободные электроны. При высоких температурах кинетическая энергия электронов достигает таких  значений, при которых часть их может преодолеть потенциальный  энергетический барьер у поверхности  и покинуть электрод.

Явление испускания электронов нагретым телом называется термоэлектронной эмиссией. Впервые  предположение о термоэлектронной природе дуги было высказано в 1905 г. В. Ф. Миткевичем. Выводы его работы о природе электрической дуги легли в основу современной теории дугового разряда.

Покинуть материал электрода электрон может лишь в  том случае, если его кинетическая энергия превышает работу выхода.

Материал.......Mg Al V Mo Fe С W

Работа выхода электронов ....3,46 3,74 3,80 4,27 4,36 4,39 4,50

Повышение температуры  вольфрамового катода с 1500 до 3500 к приводит к увеличению плотности тока эмиссии более чем в 10 раз.

Покинуть материал катода свободные электроны могут  также в результате воздействия электрического поля. Эмиссия электронов под действием электрического поля называется электростатической или холодной эмиссией. Плотность тока электростатической эмиссии можно определить по формуле, аналогичной формуле Дэшмена для термоэлектронной эмиссии:

б = аЕ2а~b/Е,

где Е — напряженность поля у поверхности катода; а и b — постоянные, зависящие от условий эмиссии. Если в области катода одновременно действуют оба фактора — высокая температура и высокая напряженность поля, то на катоде Здесь и далее через Т обозначается абсолютная температура по шкале Кельвина. 

Дуга переменного и  постоянного тока

Современные дуговые  электропечные установки работают с источниками как постоянного, так и переменного токов. Род  тока во многом определяет особенности  дуги, и условия горения электрической  дуги переменного тока несколько  отличаются от условий горения дуги постоянного тока.

У электрической  дуги постоянного тока один электрод постоянно является катодом, второй — анодом. Во время возбуждения дуги при разведении электродов и разогреве их концов термоэлектронная эмиссия происходит с поверхности обоих электродов. Но

Рис.1 Дуга переменного и  постоянного тока

испускаемые анодом электроны  отбрасываются электрическим полем  назад к поверхности анода, а  электронам, эмитированным катодом, сообщается движение к аноду. Пройдя путь, равный длине свободного пробега, эти электроны сталкиваются с  электронейтральными частицами  и вызывают их ионизацию. Ионизированные частицы также ускоряются электрическим  полем и при столкновении ионизируют следующую группу частиц и т. д.

Рис.2 Электрическая дуга в воздухе 
а - фотоснимок; б - схема; 1 - катодное пятно, 2 - столб 
дуги, 3 - анодное пятно, 4 - ареол дуги

В результате на некотором расстоянии от поверхности  катода, равном длине свободного пробега  электрона, лавинообразно развивается  процесс ионизации. Непосредственно  у катода образуется тонкий (порядка 0,1 мкм) слой — катодная область, на одной границе которого находится  источник электронов (поверхность катода), 1 на другой — источник положительных  ионов. Так как подвижность ионов  значительно меньше подвижности  электронов, то последние быстро проходят этот слой, а в слое накапливается  избыток положительных ионов, образуя  пространственный заряд, обусловливающий  скачок потенциала. В этой области  создаются градиенты напряжения, достигающие 1 МВ/см.