Вольтова дуга - визначення, виникнення і характеристики

Вольтова дуга - визначення, виникнення і характеристики


Якщо говорити про характеристики вольтової дуги, то варто згадати, що вона відрізняється нижчою напругою, ніж тліючий розряд, і покладається на термоелектронне випромінювання електронів від електродів, що підтримують дугу. В англомовних країнах цей термін вважається архаїчним і застарілим.

Методи придушення дуги можна використовувати для зменшення її тривалості або ймовірності освіти.

Наприкінці 1800-х років вольтова дуга широко використовувалася для громадського освітлення. Деякі електричні дуги низького тиску використовуються в багатьох додатках. Наприклад, для освітлення застосовуються люмінесцентні лампи, ртутні, натрієві та металогалогенні лампи. Ксенонові дугові лампи використовувалися для кінопроекторів.

Відкриття вольтової дуги

Вважається, що це явище вперше було описано сером Хамфрі Деві в статті 1801 року, опублікованій в Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Вільяма Ніколсона. Однак явище, описане Деві, не було електричною дугою, але лише іскрою. Пізні дослідники писали: "Це, очевидно, опис не дуги, а іскри. Суть першої полягає в тому, що вона повинна бути безперервною, і її полюси не повинні стикатися після того, як вона виникла. Іскра, створена сером Хамфрі Деві, була явно не безперервною, і хоча протягом деякого часу після контакту з атомами вуглецю залишалася зарядженою, швидше за все не було з'єднання дуги, яке необхідно для її класифікації як вольтової ".

Того ж року Деві публічно продемонстрував ефект перед Королівським товариством, передавши електричний струм через два стрижні вугільні стрижні, а потім відтягнувши їх на невелику відстань один від одного. Демонстрація показала «слабку» дугу, яка насилу відрізняється від стійкої іскри, між точками деревного вугілля. Наукове співтовариство надало йому більш потужну батарею з 1000 пластин, і в 1808 році він продемонстрував виникнення вольтової дуги у великих масштабах. Йому також приписують її назву англійською мовою (electric arc). Він назвав її дугою, тому що вона приймає форму висхідного цибулі, коли відстань між електродами стає близькою. Це пов'язано з провідними властивостями розпеченого газу.

Як з'явилася вольтова дуга? Перша безперервна дуга була зафіксована незалежно в 1802 р. і описана в 1803 р. як «спеціальна рідина з електричними властивостями» російським вченим Василем Петровим, який експериментує з мідно-цинковою батареєю, що складається з 4200 дисків.

Подальше вивчення

В кінці дев'ятнадцятого століття вольтова дуга широко використовувалася для громадського освітлення. Тенденція електричних дуг до мерехтіння і шипіння була серйозною проблемою. У 1895 році Герта Маркс Айртон написала серію статей про електрику, пояснивши, що вольтова дуга була результатом контакту кисню з вуглецевими стрижнями, використовуваними для створення дуги.

У 1899 році вона була першою жінкою, яка коли-небудь читала свою власну доповідь перед Інститутом інженерів-електриків (IEE). Її доповідь була названа як «Механізм електричної дуги». Незабаром після цього Айртон була обрана першою жінкою-членом Інституту інженерів-електриків. Наступна жінка була прийнята в інститут аж у 1958 році. Айртон подала прохання прочитати доповідь перед Королівським науковим товариством, але їй не дозволили зробити цього через її стать, і «Механізм електричної дуги» був прочитаний Джоном Перрі замість неї в 1901 році.

Опис

Електрична дуга являє собою вид електричного розряду з найбільшою щільністю струму. Максимальна сила струму, що проводиться по дузі, обмежена тільки зовнішнім середовищем, а не самим дугою.

Дуга між двома електродами може бути ініційована іонізацією і тліючим розрядом, коли струм через електроди збільшується. Пробивна напруга електродного зазору являє собою комбіновану функцію тиску, відстані між електродами і типу газу, що оточує електроди. Коли починається дуга, її напруга на клеммах набагато менше, ніж у тліючого розряду, а струм вище. Дуга в газах поблизу атмосферного тиску характеризується видимим світлом, високою щільністю струму і високою температурою. Вона відрізняється від тліючого розряду приблизно однаковими ефективними температурами як електронів, так і позитивних іонів, і в тліючому розряді іони мають набагато меншу теплову енергію, ніж електрони.

При зварюванні

Витягнута дуга може бути ініційована двома електродами, спочатку знаходяться в контакті і рознесеними в процесі експерименту. Ця дія може ініціювати дугу без високовольтного тліючого розряду. Це спосіб, яким зварювальник починає зварювати з'єднання, миттєво торкаючись зварювальним електродом до предмета.

Іншим прикладом є розділення електричних контактів на перемикачах, релі або автоматичних вимикачах. У високоенергетичних схемах може знадобитися придушення дуги, щоб запобігти пошкодженню контактів.

Вольтова дуга: характеристики

Електричний опір уздовж безперервної дуги створює тепло, яке іонізує більше молекул газу (де ступінь іонізації визначається температурою), і відповідно до цієї послідовності газ поступово перетворюється на теплову плазму, яка знаходиться в тепловій рівновазі, оскільки температура відносно однорідно розподіляється по всіх атомах, молекулах, іонах і електронах. Енергія, що передається електронами, швидко диспергується з більш важкими частинками за рахунок пружних зіткнень через їх велику рухливість і великих чисел.

Струм у дузі підтримується термоелектронною і польовою емісією електронів на катоді. Струм може бути сконцентрований в дуже малій гарячій точці на катоді - близько мільйона ампер на квадратний сантиметр. На відміну від тліючого розряду, дуга має мало різну структуру, оскільки позитивний стовпчик досить яскравий і простягається майже до електродів з обох кінців. Падіння катода і падіння аноду в кілька вольт відбувається в межах частки міліметра кожного електрода. Позитивний стовпчик має нижчий градієнт напруги і може бути відсутній в дуже коротких дугах.

Низькочастотна дуга

Низькочастотна (менше 100 Гц) дуга змінного струму нагадує дугу постійного струму. На кожному циклі дуга ініціюється пробоєм, і електроди змінюють ролі, коли струм змінює напрямок. У міру збільшення частоти струму не вистачає часу для іонізації при розбіжності на кожному напівперіоді, і пробій більше не потрібен для підтримки дуги - характеристика напруги і струму стає більш омічною.

Місце серед інших фізичних явищ

Різні форми електричних дуг є виникаючими властивостями нелінійних моделей струму і електричного поля. Дуга зустрічається в заповненому газом просторі між двома провідними електродами (часто з вольфраму або вуглецю), що призводить до виникнення дуже високої температури, здатної плавити або випаровувати більшість матеріалів. Електрична дуга являє собою безперервний розряд, в той час як аналогічний електричний іскровий розряд є миттєвим. Вольтова дуга може виникати або в ланцюгах постійного струму, або в ланцюгах змінного. В останньому випадку вона може повторно вдарятися про кожен напівперіод виникнення струму. Електрична дуга відрізняється від тліючого розряду тим, що щільність струму досить велика, а падіння напруги всередині дуги низьке. На катоді щільність струму може досягати одного мегаампера на квадратний сантиметр.

Руйнівний потенціал

Електрична дуга має нелінійну залежність між струмом і напругою. Як тільки дуга буде створена (або шляхом прогресування з тліючого розряду, або шляхом миттєвого торкання електродів, а потім поділу їх), збільшення струму призводить до більш низької напруги між дуговими терміналами. Цей ефект негативного опору вимагає, щоб якась позитивна форма імпедансу (як електричного баласту) була поміщена в ланцюг для підтримки стабільної дуги. Ця властивість є причиною того, що неконтрольовані електричні дуги в апараті стають настільки руйнівними, адже після свого виникнення дуга буде споживати все більше струму від джерела постійної напруги до тих пір, поки пристрій не буде знищено.

Практичне застосування

У промисловому масштабі електричні дуги використовуються для зварювання, плазмової різання, механічної обробки електричним розрядом, як дугової лампи в кінопроекторах і в освітленні. Електродугові печі використовуються для виробництва сталі та інших речовин. Карбід кальцію отримують саме таким чином, оскільки для досягнення ендотермічної реакції (при температурах 2500 ° С) потрібна велика кількість енергії.

Вуглецеві дугові вогні були першими електричними вогнями. Вони використовувалися для вуличних ліхтарів у XIX столітті і для створення спеціалізованих пристроїв, таких як прожектори, до Другої світової війни. Сьогодні електричні дуги низького тиску використовуються в багатьох областях. Наприклад, для освітлення використовуються люмінесцентні лампи, ртутні, натрієві і металогалогенні лампи, а ксенонові дугові лампи використовуються для кінопроекторів.

Формування інтенсивної електричної дуги, подібно до дрібномасштабного дугового спалаху, є основою вибухонебезпечних детонаторів. Коли вчені дізналися, що таке вольтова дуга і як її можна використовувати, різноманітність світового озброєння поповнилася ефективною вибухівкою.

Основним застосуванням, що залишилося, є високовольтний розподільчий пристрій для мереж передачі. Сучасні пристрої також використовують гексафторид сірки під високим тиском.

Ув'язнення

Незважаючи на частоту опіків вольтовою дугою, вона вважається дуже корисним фізичним явищем, що досі широко використовується в промисловості, виробництві та створенні декоративних предметів. Вона володіє своєю естетикою, і її образ часто миготить у науково-фантастичних фільмах. Ураження вольтовою дугою не є смертельним.