Elektrický oblúk a jeho vlastnosti

Elektrický oblúk — prechod elektriny cez plyn medzi dvoma elektródami, z ktorých jedna je zdrojom elektrónov (katóda). Elektróda je drôt, ktorý končí v ktorejkoľvek časti elektrického obvodu.

Elektróny emitované z katódy vo veľkom množstve spôsobujú silnú ionizáciu plynu medzi elektródami a tým umožňujú, aby medzi elektródami pretekal veľký prúd.

Charakteristickým znakom elektrického oblúka na rozdiel od bežného plynového výboja je, že môže horieť pri nízkom napätí.

Elektrický oblúk objavil fyzik z Petrohradu V. V. Petrov v roku 1802 a našiel dôležité aplikácie v technike.

Elektrický oblúk je typ výboja charakterizovaný vysokou hustotou prúdu, vysokou teplotou, zvýšeným tlakom plynu a nízkym poklesom napätia v oblúkovej medzere. V tomto prípade prebieha intenzívne zahrievanie elektród (kontaktov), ​​na ktorých sa tvoria tzv. Katodické a anodické škvrny. Žiar katódy je sústredený v malom svetlom bode, žeravá časť protiľahlej elektródy tvorí bod anódy.

V dúhe možno zaznamenať tri oblasti, ktoré sa veľmi líšia povahou procesov, ktoré v nich prebiehajú. Priamo k zápornej elektróde (katóde) oblúka je oblasť poklesu napätia katódy. Ďalej je valec plazmového oblúka. Priamo ku kladnej elektróde (anóde) je oblasť anódového poklesu napätia. Tieto oblasti sú schematicky znázornené na obr. 1.

Ryža. 1. Štruktúra elektrického oblúka

Veľkosti katódových a anodických oblastí poklesu napätia na obrázku sú značne prehnané. V skutočnosti je ich dĺžka veľmi malá, napríklad dĺžka katódového poklesu napätia je rádovo ako dráha voľného pohybu elektrónu (menej ako 1 mikrón). Dĺžka oblasti poklesu anódového napätia je zvyčajne o niečo väčšia ako táto hodnota.

Za normálnych podmienok je vzduch dobrým izolantom. Takže napätie potrebné na prerušenie vzduchovej medzery 1 cm je 30 kV. Aby sa vzduchová medzera stala vodičom, je potrebné v nej vytvoriť určitú koncentráciu nabitých častíc (elektrónov a iónov).

Ako vzniká elektrický oblúk

Elektrický oblúk, ktorý je prúdom nabitých častíc, vzniká v počiatočnom momente oddelenia kontaktu v dôsledku prítomnosti voľných elektrónov v plyne oblúkovej medzery a elektrónov emitovaných z povrchu katódy. Voľné elektróny v medzere medzi kontaktmi sa pôsobením síl elektrického poľa pohybujú vysokou rýchlosťou v smere od katódy k anóde.

Intenzita poľa na začiatku kontaktnej medzery môže dosiahnuť niekoľko tisíc kilovoltov na centimeter.Pôsobením síl tohto poľa sa elektróny odťahujú z povrchu katódy a pohybujú sa na anódu, pričom z nej vyrážajú elektróny, ktoré tvoria elektrónový oblak. Takto vytvorený počiatočný tok elektrónov ďalej tvorí intenzívnu ionizáciu oblúkovej medzery.

Spolu s ionizačnými procesmi prebiehajú v oblúku paralelne a nepretržite aj deionizačné procesy. Procesy deionizácie spočívajú v tom, že keď sa dva ióny rôznych znakov alebo kladný ión a elektrón priblížia k sebe, priťahujú sa a pri zrážke sa neutralizujú, navyše nabité častice sa pohybujú z horiacej zóny duší s viac - vysoká koncentrácia nábojov v prostredí s nižšou koncentráciou nábojov. Všetky tieto faktory vedú k zníženiu teploty oblúka, k jeho ochladzovaniu a zmiznutiu.

Ryža. 2. Elektrický oblúk

Oblúk po zapálení

V režime stacionárneho spaľovania sú procesy ionizácie a deionizácie v rovnováhe Oblúková hlaveň s rovnakým množstvom voľných kladných a záporných nábojov sa vyznačuje vysokým stupňom ionizácie plynu.

Látka, ktorej stupeň ionizácie sa blíži k jednotke, t.j. v ktorej nie sú neutrálne atómy a molekuly sa nazýva plazma.

Elektrický oblúk sa vyznačuje nasledujúcimi vlastnosťami:

1. Jasne definovaná hranica medzi hriadeľom oblúka a prostredím.

2. Vysoká teplota vo vnútri valca oblúka, dosahujúca 6000 – 25000 K.

3. Vysoká prúdová hustota a oblúková trubica (100 — 1000 A / mm2).

4. Malé hodnoty anodického a katódového poklesu napätia a prakticky nezávisia od prúdu (10 - 20 V).

Prúdová charakteristika elektrického oblúka

Hlavnou charakteristikou jednosmerného oblúka je závislosť napätia oblúka od prúdu, ktorý sa nazýva charakteristika prúdového napätia (VAC).

Oblúk vzniká medzi kontaktmi pri určitom napätí (obr. 3), nazývanom zapaľovacie napätie Uz a v závislosti od vzdialenosti medzi kontaktmi, teploty a tlaku prostredia a rýchlosti oddeľovania kontaktov. Zhášacie napätie oblúka Ug vždy menšie napätie U3.

Ryža. 3. Prúdovo-napäťová charakteristika jednosmerného oblúka (a) a jeho ekvivalentného obvodu (b)

Krivka 1 je statická charakteristika oblúka, t.j. získané pomalou zmenou prúdu. Charakteristika má pádový charakter. Keď sa prúd zvyšuje, napätie oblúka klesá. To znamená, že odpor oblúkovej medzery klesá rýchlejšie so zvyšujúcim sa prúdom.

Ak sa pri jednej alebo druhej rýchlosti zníži prúd v oblúku z I1 na nulu a súčasne sa zafixuje pokles napätia pozdĺž oblúka, vzniknú krivky 2 a 3. Tieto krivky sa nazývajú dynamické charakteristiky.

Čím rýchlejšie sa prúd zníži, tým nižšia bude dynamická I-V charakteristika. Je to spôsobené tým, že s poklesom prúdu sa také parametre oblúka, ako je prierez valca, teplota, nemajú čas rýchlo meniť a získavať hodnoty zodpovedajúce nižšej hodnote prúdu v ustálený stav.

Pokles napätia v oblúkovej medzere:

Ud = Usc + EdId,

kde Us = Udo + Ua — pokles napätia v blízkosti elektródy, Ed — pozdĺžny gradient napätia v oblúku, ID — dĺžka oblúka.

Zo vzorca vyplýva, že ako sa dĺžka oblúka zväčšuje, úbytok napätia na oblúku sa bude zvyšovať a charakteristika I — V bude umiestnená vyššie.

Zaoberajú sa iskrením pri návrhu elektrických spínacích zariadení. Vlastnosti elektrického oblúka sa využívajú v zariadenia na zváranie elektrickým oblúkom a v oblúkové taviace pece.