Вольтова дуга – визначення, виникнення і характеристики

Якщо говорити про характеристики вольтової дуги, то варто згадати, що вона відрізняється більш низькою напругою, ніж тліючий розряд, і покладається на термоэлектронное 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 утворення.

В кінці 1800-х років вольтова дуга широко використовувалася для громадського освітлення. Деякі електричні дуги низького тиску використовуються у багатьох додатках. Наприклад, для освітлення застосовуються люмінесцентні лампи, ртутні, натрієві й 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 полюса 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 зарядженої, швидше за все не було з’єднання дуги, яке необхідно для її класифікації як вольтової».

У тому ж році Деві публічно продемонстрував ефект перед Королівським товариством, передавши електричний струм через два дотичних вугільних стержня, а потім відтягнувши їх на невелику відстань один від одного. Демонстрація показала «слабку» дугу, з працею відрізняються 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 назва англійською мовою (electric arc). Він назвав її дугою, тому що вона приймає форму висхідного лука, коли відстань між електродами стає близьким. 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, експериментує з мідно-цинкової батареєю, що складається з 4200 дисків.

Дивіться також:  Фізіогноміка: навчання основним принципам

Подальше вивчення

В кінці дев’ятнадцятого століття вольтова дуга широко використовувалася для громадського освітлення. Тенденція електричних дуг до мерехтіння і шипению 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 читавшей свій власний доповідь перед Інститутом інженерів-електриків (IEE). Її доповідь був озаглавлений 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 з-за її статі, 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, проведеного по дузі, обмежена тільки зовнішнім середовищем, а не самої 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, навколишнього електроди. Коли починається дуга, її напруга на клемах 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 перебувають у 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 поділ електричних контактів на перемикачі, реле або автоматичних вимикачах. У високоенергетичних схемах може знадобитися придушення дуги, щоб запобігти пошкодження контактів.

Дивіться також:  Концептуальний підхід: визначення, методологія і особливості

Вольтова дуга: характеристики

Електричне опір вздовж безперервної дуги створює тепло, яке ионизует більше молекул газу (де ступінь іонізації визначається температурою), та у відповідності з цією послідовністю газ поступово перетворюється в теплову плазму, яка знаходиться в тепловій рівновазі, оскільки температура щодо однорідно розподіляється по всіх атомів, молекул, іонів і електронів. Енергія, що передається електронами, швидко диспергується з більш важкими частинками за рахунок пружних зіткнень з-за їх великої рухливості і великих чисел.

Струм в дузі підтримується термоелектронної і польовий 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 помітну структуру, оскільки позитивний стовпець досить яскравий і простягається майже до електродів з обох кінців. Падіння катода і падіння анода в декілька вольт відбувається в межах частки міліметра кожного електрода. Позитивний стовпець має більш низький градієнт напруги і може бути відсутнім в дуже коротких дугах.

Низькочастотна дуга

Низькочастотна (менш 100 Гц) дуга змінного струму нагадує дугу постійного струму. На кожному циклі дуга ініціюється пробоєм, і електроди змінюють ролі, коли струм змінює напрямок. По мірі збільшення частоти струму не вистачає часу для іонізації при розходженні на кожному полупериоде, і пробій більше не потрібен для підтримки дуги – характеристика напруги і струму стає більш омічного.

Місце серед інших фізичних явищ

Різні форми електричних дуг є виникають властивості нелінійних моделей струму та 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 колах змінного. В останньому випадку вона може повторно ударятися про кожному полупериоде 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.

Дивіться також:  Теорія Тейлора: тема, основні положення і принципи

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 дотику електродів, а потім поділу їх), збільшення струму призводить до більш низькій напрузі між дуговими терміналами. Цей ефект негативного опору вимагає, щоб якась позитивна форма імпедансу (як електричного баласту) була поміщена в ланцюг для підтримки стабільної дуги. Це 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, плазмового різання, механічної обробки електричним розрядом, як дугової лампи в кінопроекторах і в освітленні. Електродугові печі використовуються для виробництва сталі і інших речовин. Карбід кальцію отримують саме таким чином, оскільки для досягнення ендотермічної реакції (при температурі 2500 °С) потрібна велика кількість енергії.

Вуглецеві дугові вогні були першими електричними вогнями. Вони використовувалися для вуличних ліхтарів в 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 й металогалогенні лампи, а ксенонові дугові лампи використовуються для кінопроекторів.

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

Основним залишилися застосуванням є високовольтна розподільчий пристрій для мереж передачі. Сучасні пристрої також використовують гексафторид сірки під високим тиском.

Висновок

Незважаючи на частоту опіків вольтової дугою, вона вважається дуже корисним фізичним явищем, досі широко використовується в промисловості, виробництві та створенні декоративних предметів. Вона володіє своєю естетикою, і її образ часто з’являється в науково-фантастичних фільмах. Поразка вольтової дугою не є смертельним.