Реферат на тему электрическая дуга
Обновлено: 28.06.2024
Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым, однако большойвклад в развитие данного раздела внес ученый Никола Тесла. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрическиквазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.
Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрической пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния междуэлектродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В). Требуется затратитьэнергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжениедля образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В).
Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя междуэлектродами обычно возникает исковой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источниканапряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются вдуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь.
Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.
Связанные рефераты
Гашение электрической дуги
. Гашение электрической дуги Физические основы горения дуги. При.
Сваривание контактов. Электрическая дуга.
. дуга. Электрическая • Электрическая дуга.
Простейший способ получения электрической дуги
. установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка.
4 Стр. 26 Просмотры
Процесс образования электрической дуги и способы
. образования электрической дуги и способы ее гашения При размыкании.
Электрическая дуга способы сварки и сварные сое
. Электрическая дуга, способы сварки и сварные соединения Природа сварочной.
Все началось с того, что в конце прошлого века один из профессоров Военно-медицинской академии, а именно приват-доцент Н. Г. Егоров, стал читать лекции по физике также и в Петербургском университете. Среди его студентов был и А. Л. Гершун, впоследствии профессор, очень увлекавшийся лекциями Егорова.
С наступлением летних каникул все разъехались кто куда. А Гершун решил провести лето, работая в публичной библиотеке города Вильно и изучая литературу по физике.
Он просмотрел уже не одну сотню книг, когда наткнулся на небольшой томик под названием “Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче баттереи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков, находящейся при Санкт-Петербургской медико-хирургической академии”, отпечатанный “в Санкт-Петербурге, в типографии Государственной медицинской коллегии 1803 года”.
Времени у Гершуна было немного, хотел он было отставить фолиант малый в сторону, да подумал, что автор книги — некий Петров, видимо, предшественник их нынешнего профессора Егорова, поскольку Петров, так же как и Егоров, работал в Медико-хирургической, а ныне Военно-медицинской академии, как видно из названия.
Только это случайное обстоятельство и заставило Гершуна внимательно прочитать книгу. И чем дальше вчитывался студент, тем сильнее увлекался — перед ним раскрывался мир ученого, абсолютно неизвестного. И мир этот содержал сенсационность — неведомый Петров открыл электрическую дугу, сделал ряд других крупных открытий в электротехнике и вообще был первым в мире человеком, посмотревшим на электричество с позиций технических — с точки зрения пользы, которую электричество могло бы принести людям. Неизвестный ученый был первым электротехником.
Вызывало восхищение уже название книги. “Известие о гальвани-вольтовских опытах. ” в противовес широко распространенному термину “гальванический” — ведь не всем, далеко не всем было видно тогда тождество “гальванического” и “вольтаического” электричеств. Нужно было обладать большой научной смелостью, чтобы всего через три года после открытий Вольта уверенно отождествить электричество Вольта и электричество Гальвани и отдать должную честь Вольта.
А дальше шли совсем удивительные вещи. “Если,— писал неизвестный Петров,— на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями (directors), сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одного до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может”.
Гершун внимательно посмотрел на обложку книги. Год издания 1803, опыты проведены в 1802 году. Нет никакого сомнения, что “весьма яркий белого цвета свет”, появляющийся между углями,— это электрическая дуга, причем открытая на несколько лет раньше Дэви. И что очень важно, этот неведомый профессор прямо указывает: с помощью открытого им света “темный покой довольно ярко освещен быть может”, то есть впервые недвусмысленно выдвигает идею электрического освещения
Основная часть: открытие электрической дуги
Василий Петров родился 19 июля 1761 года в городе Обояни Курской губернии. Грамоте он обучался у местного дьячка. Позже родные отвезли Василия Петрова в Харьков в духовную школу "повышенного" типа, носившую название "коллегиум". Но юноша имел горячее стремление серьезно изучить физику и математику. Он бросил Харьковский коллегиум, переехал в Петербург и стал студентом учительской семинарии. В 1788 году, не окончив курса, Василий Владимирович уехал в Сибирь, в город Барнаул, на должность учителя физики и математики в Колыванско-Воскресенском горном училище.
Никогда еще до тех пор в Барнауле никто так живо и увлекательно не преподавал точные науки. Слух о замечательном педагоге дошел до столицы, и в 1793 году Петрова пригласили преподавать физику в Петербургскую медико-хирургическую академию.
Петрову обещали, что к его услугам будет физический кабинет, где он сможет вести задуманные им обширные электрические опыты. На деле ему пришлось несколько Пет переоснащать свою лабораторию и доводить ее до европейского уровня.
Не прекращая ни на один день преподавательской и педагогической деятельности в академии, Петров изобрел и построил оригинальные электростатические машины, с помощью которых изучал электрические явления в среде различных газов и в вакууме, доказал возможность электризации металлов трением (1801), исследовал люминесценцию различных животных организмов и минералов.
С помощью электрической батареи, построенной им по публикациям французского физика Вольта, он впервые открыл существование зависимости силы тока в проводнике от площади его поперечного сечения и осуществил параллельное соединение приемников электрического тока, изучал химическое действие тока и электропроводности различных тел и самых различных веществ. Попутно изобрел способ изоляции проводников сургучом или воском.
Когда Петров Соединял концы построенной им батареи, то всякий раз между ними проскакивала сильная искра, напоминавшая разряд молнии. "А нельзя ли искру батареи обратить в долгий свет для общей пользы?" - неоднократно спрашивал себя ученый.
. Холодно. На термометре - минус пять. О неблагоустройстве физического кабинета и отсутствии здесь отопления ученый послал начальству несколько рапортов, но которую зиму все оставалось без изменений.
Немного отогревшись в учительской, Василий Владимирович снова направился в свой холодный кабинет, намереваясь продолжить опыты по изучению проводимости льда. По дороге он вспомнил, что в шкафу кабинета уже несколько дней хранятся древесные угли, которые по его просьбе отжег ему из палок истопник академии: профессор давно хотел исследовать электрическую проводимость угля. И вот, боясь, чтобы уголь не отсырел, Василий Владимирович решил не откладывать дальше опыт и произвести его тотчас же.
На стеклянную пластину профессор положил угольный стержень и к его концам присоединил длинные куски изолированного провода.
Случайно дернув провод, ученый нечаянно надломил уголек. Аккуратно уложил обломки угольной палочки, прижав концы друг к другу, стал присоединять провода к батарее. Едва только успел присоединить второй конец, как его глазам представилась невиданная картина. В месте перелома немного разошедшиеся от сотрясения половинки угля быстро раскалились, потом вспыхнули ярким белым светом, от которого стало ослепительно светло во всех уголках кабинета. Несколько секунд Василий Владимирович стоял, словно в забытьи, с разведенными в стороны руками и щурился от внезапно возникшего яркого, невиданного света, подобного солнцу. Он пришел в себя только после того, как раздался треск лопающейся стеклянной пластины и прекрасное белое пламя исчезло.
В лицо приятно дохнуло теплом. Жар шел от стекла, сильно нагретого электрическим пламенем, вспыхнувшим между углями. Профессор осторожно стал приближать удерживаемый в руке остаток угля ко второму, лежавшему на стекле. Когда угли соприкоснулись, послышался легкий треск, Василий Владимирович стал их разводить. И вот, когда расстояние достигло 4-6 миллиметров, между ними проскочила яркая голубая искра, и снова вспыхнуло ослепительное пламя. Профессор стал еще более удалять один из углей. Выгнутое пламя чуть-чуть растянулось и погасло - угли выгорели. Надобно положить новые.
В пламени этого света легко раскалились, а потом и вовсе сгорели железная проволочка, гвоздь и даже тонкая медная пластинка. Из этого Василий Владимирович заключил, что "жар электрического пламени очень силен".
Это произошло 23 ноября 1802 года. Позднее профессор Петров провел не одну серию опытов с электрической дугой, благодаря которым обосновал возможность и по сути дела изобрел способы сварки металлов с помощью электрической дуги. плавления металлов с помощью угольных электродов, восстановления металлов из окислов.
Администрация академии, узнав об этом открытии, предложила профессору произвести опыт воспламенения электрическим пламенем пороха в пушке. И он блестяще удался. Через некоторое время электрический запал пороха и взрывчатки стал широко применяться в Российской армии.
Открытие профессора Петрова подняло авторитет физики, как науки в академии. Благодаря ему Василий Владимирович сумел добиться средств на переоборудование физического кабинета и пополнение его новыми приборами.
- О подобном чуде мы еще и не слыхивали! - говорили искренне изумленные работами Петрова его коллеги. После серии экспериментов, уточнивших первоначальные результаты, ученый стал готовить научную книгу под названием "Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров". Это первая русская книга, в которой академик описал открытое им "свечоносное явление" - электрическую дугу между двумя углями, дающую "весьма яркий белого цвета свет или пламя", от которого "темный покой довольно ясно освещен быть может", вышла она в Петербурге в 1803 году.
К сожалению, научный труд был написан и издан только на русском языке и не стал широко известен на Западе. Возможно, поэтому официально честь открытия электрической дуги мировой наукой признается за английским ученым Дэви, который "открыл" это явление десять лет спустя.
А какова же судьба открытий русского ученого? Как и всякие опередившие свою эпоху изобретения, они были на время забыты. Электрическая дуга Петрова для нужд освещения чуть было не получила путевку в жизнь через сорок лет после его смерти в виде "свечи" русского изобретателя Яблочкова, которую вскоре сменили электрические лампы накаливания. Однако идеи нашего земляка воплотились, правда, лишь в XX веке. Это в первую очередь войсковые прожекторы с дуговыми угольными светильниками и, конечно, всем хорошо известные газосветные трубчатые светильники дневного света и пестрая гамма газосветных трубок, используемых в рекламных панелях.
Способ электросварки металлов спустя 55 лет после смерти Петрова был повторно изобретен русским инженером Славяновым и органично вошел в технику сегодняшнего дня. А во всех сталеплавильных заводах сегодня уверенно работают на принципе Петрова дуговые электрические плавильные печи.
Применение теплоты электрической дуги при дуговой сварке. Способы термической резки металлов. Ремонт деталей электродуговой сваркой. Процесс ионизации газов. Ионизация дугового пространства и возбуждение дуги. Особенности горения дуги под слоем флюса.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | доклад |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.12.2015 |
| Размер файла | 17,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Электрическая дуга
При дуговой сварке в защитных газах для нагрева заготовок и плавления металла используется теплота электрической дуги.
Нагрев и расплавление металла при таком процессе происходят за счет теплоты короткого замыкания итеплоты электрической дуги. При этом исследованиями установлено [20], что из общего теплового баланса процесса наплавки только около 10 % этой теплоты приходится на короткое замыкание в цепи, а остальные 90 % - на дуговой разряд. Поэтому теплота короткого замыкания не может оказать существенного влияния на расплавление металла. Следовательно, от электрической дуги зависит и качество наплавленного металла.
Все способы термической резки металлов осуществляются путем сжигания металла в струе кислорода или путем сквозного пропла-вления металла за счет теплоты электрической дуги или газового пламени.
Нагрев теплотой электрической дуги нашел применение при пайке проводов, узлов приборов и двигателей. Источниками питания дуги служат сварочные машины, понижающие трансформаторы или блоки аккумуляторных батарей.
Ремонт деталей электродуговой сваркой тоже широко применяют при ремонте двига - Сеям телей передвижных электростанций. При электродуговой сварке металл плавится от действия теплоты электрической дуги, температура которой достигает 4000 - 6000 С.
Дуговая резка является одним из видов разделительной резки. Она основана на выплавлении металла из зоны резания теплотой электрической дуги, возбуждаемой между электродом и разрезаемым металлом. Этот способ широко применяется при строительно-монтажных работах для грубой разделки металла. Резку производят стальными электродами с качественным покрытием, но более тугоплавким, чем для сварки. Такое покрытие обеспечивает при резке образование небольшого козырька, закрывающего зону дуги. Козырек предохраняет электрод от короткого замыкания на разрезаемый металл, а также способствует более сосредоточенному нагреву металла и позволяет производительнее вести резку. В качестве покрытия применяют смесь, содержащую 70 % марганцевой руды и 30 % жидкого стекла. Успешно используются также электроды с покрытием ЦМ-7 и ЦМ-7с.
Вид сварки определяется видом непосредственно используемого для плавления источника энергии. Так, при дуговой сварке нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги; при электромла-коаой сварке теплота электрической дуги используется лишь в начальный момент, после расплавления шлака сварка производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный шлак.
Вид сварки определяется видом непосредственно используемого для плавления источника энергии. Так, при дуговой сварке нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги; при электромла-коаой сварке теплота электрической дуги используется лишь в начальный момент, после расплавления шлака сварка производится теплотой, выделяющейся при прохождении тока через расплавленный шлак.
В зависимости от используемого источника тепловой энергии различают две основные технологические разновидности процесса напыления: газоплазменное и электрическое. При газоплазменном напылении используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горячего газа и кислорода, а при электрическом -теплота электрической дуги.
Инертные газовые смеси состоят, как правило, из аргона и гелия. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха. Плотность такой смеси близка к плотности воздуха. Для сварки химически активных металлов находит применение инертная смесь, содержащая 60 - 65 об. % гелия, а остальное аргон. Инертные газовые смеси хотя заметно дороже, чем аргон, но превосходят его по интенсивности выделения теплоты электрической дуги в зоне сварки. Это имеет существенное значение при сварке металлов с высокой теплопроводностью.
Сущность явления дуги. Источником нагрева при дуговой сварке является электрическая дуга. Газы обычно не проводят электричества, т. е. являются хорошими изоляторами. Газ, находящийся между электродами, состоит только из электрически нейтральных молекул; носители зарядов в нем отсутствуют. Для создания проводимости газов необходимо наличие ионов и электронов, т. е. носителей заряда.
Рассмотрим, как происходит ионизация газа. Как известно, элементарным электрическим зарядом является электрон. Электроны входят в состав всех атомов, причем их суммарный отрицательный заряд в нейтральных атомах уравновешивается положительным зарядом ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В кристаллической решетке металлов атомы связаны металлической связью и имеют свободные электроны. Для того, чтобы электрон вышел из металла, необходимо преодолеть силу взаимодействия между остовом кристаллической решетки и электронами, т. е. произвести работу выхода или вырывания. Поэтому электрон, вырванный и находящийся вне металла, будет обладать большей потенциальной энергией, чем находящийся внутри него.
В проводниках второго рода, которыми являются ионизированные газы, свободные электроны отсутствуют. При ионизации в них появляются лишь атомы или молекулы, у которых или недостает, или имеется избыток электронов, т. е. имеются положительные или отрицательные ионы. Перенесение зарядов в проводниках второго рода обусловлено перемещением ионов. Направленное перемещение зарядов (в отличие от хаотического) и представляет собой электрический ток. Как видно, носителями зарядов при таком перемещении могут быть или ионы и электроны (ток в газах), или только электроны (ток в металлах).
Ионизацию газа можно создать принудительно диссоциацией его молекул подогревом, освещением рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами или действием на молекулы лучами радиоактивных веществ. Создаваемая при этом проводимость носит название несамостоятельной. Кроме того, ионизацию газов можно создать соударением нейтральных молекул движущимися электронами, ускоренными электрическим полем, которое обусловливает наличие тока. Создаваемая при этом проводимость называется самостоятельной, так как она обеспечивается самим электрическим полем.
Энергию ионизации обычно выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт (эв) равен работе, совершаемой при перемещении заряда е, равного заряду одного электрона, между точками с разностью потенциалов 1 в.
Потенциалы однократной ионизации газов различны (например: водорода 13,54 эв; гелия 24,47 эв и кислорода 12,5 эв).
Если ионизация газа вызывается тем, что его атомы или молекулы ударяются электронами, вылетающими из металлического проводника, то число образующихся внутри газа новых электронов растет очень быстро. Это происходит вследствие того, что первые образовавшиеся заряженные частицы при наличии электрического поля возбуждают другие молекулы, которые встречаются на пути. Вследствие возрастания числа заряженных частиц увеличивается и сила тока.
Уже отмечалось, что для извлечения электрона из металла в газовую среду необходимо затратить работу выхода. Работа выхода в значительной степени зависит от состояния поверхности вещества, выделяющего электроны, и может быть уменьшена, если на поверхности имеются хотя бы следы веществ, склонных к эмиссии (выделению) электронов.
При обычных комнатных температурах лишь ничтожная часть электронов обладает кинетической энергией, достаточной, чтобы совершить работу выхода. Поэтому в газовом промежутке вокруг металла ионов нет. Электроны будут достаточно интенсивно выделяться с поверхности металла лишь при нагревании его до высокой температуры. Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией и может быть уподоблен процессу испарения молекул из нагреваемой жидкости.
Известно несколько видов самостоятельной проводимости газов: тлеющий разряд, искровой разряд и дуговой разряд.
Дуговой разряд, используемый при сварке, представляет длительный устойчивый разряд в газах при давлениях, близких к атмосферному и выше. Дуговой разряд сопровождается ослепительным свечением. Температура газа достигает нескольких тысяч градусов; степень ионизации очень высокая.
Дугу можно рассматривать как газовый проводник круглого сечения, располагающийся между активными пятнами на электродах (полюсах). Через активные пятна - наиболее нагретые участки электродов - проходит весь ток. Активное пятно отрицательного полюса носит название катодного и является источником эмиссии электронов. Двигая катод перпендикулярно оси дуги, мы можем заставить двигаться и дугу. Если же отодвинуть в таком же направлении анод, оставляя катод неподвижным, то дуга прервется, так как расстояние между пятнами увеличится и эмиссия электронов из катодного пятна прекратится. электродуговой сварка горение ионизация
Для начальной ионизации дугового пространства и возбуждения дуги обычно используют местный нагрев участка электрода (для создания катодного пятна) и повышенное напряжение поля. Нагрев электрода обеспечивается касанием его концом поверхности свариваемого изделия. При этом в точках касания (контакта) благодаря большому местному сопротивлению выделяется тепло. Разогретый катод начинает излучать электроны, ионизирующие молекулы газа.
Проходя через столб дуги, ионы бомбардируют поверхность катода и нейтрализуются на ней. За счет кинетической энергии газовых частиц происходит сильный разогрев поверхности катода, материал его плавится и испаряется. Общее количество тепла, виделяемое на аноде, определяется как падением напряжения в прианодной области, так и отдачей энергии электронами, входящими в анод из столба дуги. В ряде случаев количество тепла, выделяемое на аноде, больше чем на катоде.
Для увеличения проплавления свариваемых кромок анод обычно присоединяют к свариваемому изделию. Катод (минус) присоединяют к электроду. Такая схема включения называется включением на прямой полярности. Если при сварке используется более тугоплавкий электрод или же сваривается тонкий материал, в связи с чем возникает опасность прожога, то полярность меняют на обратную (плюс на электроде и минус на изделии).
Следует отметить, что горение сварочной дуги возможно не только в воздухе или в газовом пузыре, образующемся под слоем флюса, но и в воде, причем даже на значительных глубинах. Жидкая среда, окружающая дугу, под влиянием дугового процесса испаряется и разлагается, создавая вокруг нее газовый пузырь. Газовый пузырь заполнен преимущественно водородом, парами металла и продуктами разложения обмазки электрода. Избытки этих паров поднимаются на поверхность воды в виде пузырьков. Из-за интенсивного теплоотвода для горения дуги под водой требуется напряжение большее, чем на воздухе (при этом оно зависит от глубины погружения).
Подобные документы
Вакуумные коммутационные аппараты. Технология монтажа вакуумных выключателей как надежного способа гашения электрической дуги. Подготовка к использованию по назначению. Технология технического обслуживания оборудования, его периодические испытания.
курсовая работа [310,1 K], добавлен 26.05.2015
Возбуждение и ионизация, определение потенциалов ионизации и возбуждения газов методом электронной спектроскопии. Схема энергетических состояний атома газа. Отклоняющее напряжение и процессы столкновений. Схема энергетических уровней атомного ядра.
реферат [3,0 M], добавлен 30.11.2008
Физико-химические процессы при воздействии плазменной струи (дуги). Тепловые процессы, материалы при плазменном нагреве. Фазовые и структурные превращения при плазменном нагреве металлов. Влияние скорости нагрева и охлаждения на величину зерна аустенита.
монография [4,5 M], добавлен 10.09.2008
Агрегатные состояния вещества. Что такое плазма? Свойства плазмы: степень ионизации, плотность, квазинейтральность. Получение плазмы. Использование плазмы. Плазма как негативное явление. Возникновение плазменной дуги.
доклад [10,9 K], добавлен 09.11.2006
Конструкция, принцип действия, надежность и области применения вакуумных выключателей. Особенности вакуума при гашении электрической дуги. Общая характеристика и проверка работы дугогасительных камер BB/TEL, сущность процесса их включения и отключения.
лабораторная работа [866,0 K], добавлен 30.05.2010
Электрическая дуга – это физическое явление, являющееся разновидностью электрического разряда в пространстве, заполненном газом. Ее еще называют дуговым разрядом или вольтовой дугой.
Электрическая дуга была описана в 1802 году знаменитым русским ученым, физиком Василием Петровым. Он объяснил, в том числе, общие принципы ее формирования.
Между электродами в искровых разрядах находятся электроны, которые способны ионизировать молекулы воздуха в пространстве между электродами. Источник напряжения, при достижении определенного порога мощности, способствует образованию такого количества плазмы, которое снижает сопротивление воздушного промежутка. Формируется плазменный тоннель, соединяющий электроды плазменным шнуром, который, по сути, является дуговым разрядом, преобразованным из искровых разрядов. Для того, чтобы возникли условия для возможного появления электрической дуги, нужно напряжение на контактах больше 10В с силой тока около 0,1А.
Электрическая дуга служит в качестве проводника между электродами, от искровых разрядов которых она и возникла. Проводник соединяет контакты (в данном случае – электроды), цепь замыкается. Сила тока в замкнутой цепи увеличивается в разы, разогревая электрическую дугу от 5000 до 50000 К. Констатировав этот факт, поджиг дуги можно считать завершенным. Теперь ток и непрерывная ионная бомбардировка могут обеспечить стабильное горение дуги, благодаря термоэлектронной эмиссии.
Электрическая дуга может возникать не только при намеренном ее образовании в результате действий человека, но и спонтанно. Она может приносить благо, или же быть крайне опасной для жизни.
Гашения нежелательной электрической дуги
Самый яркий из полезных примеров применения электрической дуги на практике – электросварка. Но дуга часто вредит человеку, образуясь, например, в некоторых электроприборах. В этом случае применяют механизмы гашения нежелательной электрической дуги (основные из них приведены ниже).
Удлинение дуги
Увеличивая расстояние между контактами, можно добиться эффекта удлинения электрической дуги. Таким образом, для горения дуги нужно большее напряжение. Как следствие – она угасает.
Деление дуги
Если длинную дугу при помощи электромагнитного поля затянуть в металлическую решетку, она разделится на ряд коротких, и в результате погаснет.
Охлаждение электрической дуги при помощи дугогасительных камер в узких щелях
От того, что дуга соприкасается с охлажденной поверхностью, происходит ее деионизация и затухание.
Гашение дуги высоким давлением
Уровень ионизации газа, при воздействии на него высокого давления, падает. А его теплопроводность – резко возрастает, что приводит к охлаждению дуги.
Гашение дуги в масле
В основе этого способа гашения лежит деионизация дугового промежутка парами масла, возникшими от воздействия на масло самой электрической дуги.
Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.
Рис. 1. Грозовой разряд
На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.
Что такое электрическая дуга?
Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.
Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.
Рис. 2. Электрическая дуга
Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.
Рис. 3. Физика электрической дуги
Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.
Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.
При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.
При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.
На участке, который называют дуговым промежутком, образуется ствол, называемый столбом дуги и состоящий из горячей проводимой плазмы. По этому стволу протекает ток, поддерживающий разогревание плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.
Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.
Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.
Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга — это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.
Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.
Строение
Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:
- катодной;
- анодной;
- плазменного столба.
В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.
На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.
Рис. 4. Строение сварочной дуги
Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.
Свойства
Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:
- Чрезвычайно высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
- Длительное горение, при поддержании условий образования ионов.
Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.
Полезное применение
Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.
У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.
Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях.
Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)
Рис. 5. Дуговая сварка
Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.
Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.
Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.
Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП
Причины возникновения
Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:
- наличие разнополярных электродов с большими токами;
- создание искрового разряда;
- поддержание напряжения на электродах;
- обеспечение условий для сохранения температуры ствола.
Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.
При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.
Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.
Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.
Способы гашения
Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.
С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.
Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.
Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.
Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.
Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.
Воздействие на человека и электрооборудование
Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.
Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.
Читайте также: