Электрическая дуга, или дуговый разряд, представляет собой электрический пробой газа, который вызывает продолжительный электрический разряд. ток через обычно непроводящую среду, такую как воздух, создает плазму ; плазма может производить видимый свет. Дуговый разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд, и основан на термоэлектронной эмиссии электронов от электродов, поддерживающих дугу. Архаичный термин - гальваническая дуга, используемый во фразе «гальваническая дуговая лампа».
Методы подавления дуги могут использоваться для уменьшения продолжительности или вероятности образования дуги.
В конце 1800-х годов электрическое дуговое освещение широко использовалось для общественного освещения. Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы используются для освещения; ксеноновые дуговые лампы использовались в кинопроекторах.
Сэр Хамфри Дэви открыл короткоимпульсную электрическую дугу в 1800 году. В 1801 году он описал это явление в статье, опубликованной в William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts. Согласно современной науке, описание Дэви было скорее искрой, чем дугой. В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом, пропустив электрический ток через два соприкасающихся углеродных стержня, а затем потянув их на небольшом расстоянии друг от друга. При демонстрации образовалась «слабая» дуга, которую трудно отличить от устойчивой искры, между углем точками. Общество подписалось на более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал крупномасштабную дугу. Ему приписывают название дуги. Он назвал это дугой, потому что она принимает форму направленной вверх дуги, когда расстояние между электродами невелико. Это связано с подъемной силой, действующей на горячий газ.
Первая непрерывная дуга была открыта независимо в 1802 году и описана в 1803 году как «особая жидкость с электрическими свойствами» Василием В. Петровым, русским ученым, экспериментировавшим с медно-цинковая батарея, состоящая из 4200 дисков.
В конце XIX века электрическое дуговое освещение широко использовалось для общественного освещения. Склонность электрической дуги к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей для журнала «Электрик», объясняя, что эти явления были результатом контакта кислорода с угольными стержнями, использовавшимися для создания дуги. В 1899 году она была первой женщиной, прочитавшей свою статью перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее статья называлась «Шипение электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом IEE; следующая женщина была принята в IEE в 1958 году. Она подала прошение представить доклад перед Королевским обществом, но ей не разрешили из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри в ее книге. вместо 1901 года.
Электрическая дуга - это форма электрического разряда с наивысшей плотностью тока. Максимальный ток через дугу ограничен только внешней цепью, а не самой дугой.
Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом, когда ток через электроды увеличивается. Напряжение пробоя межэлектродного зазора является комбинированной функцией давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда начинается дуга, ее напряжение на клеммах намного меньше, чем у тлеющего разряда, а сила тока выше. Дуга в газах, близких к атмосферному, характеризуется излучением видимого света, высокой плотностью тока и высокой температурой. Дуга отличается от тлеющего разряда отчасти одинаковыми температурами электронов и положительных ионов; в тлеющем разряде ионы намного холоднее электронов.
Затянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, которые изначально находятся в контакте и разводятся в стороны; это может вызвать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Таким образом, сварочный аппарат начинает сваривать соединение, на мгновение прикасаясь сварочным электродом к заготовке, а затем отводя его, пока не образуется стабильная дуга. Другой пример - разделение электрических контактов в переключателях, реле или автоматических выключателях; в цепях с высокой энергией гашение дуги может потребоваться для предотвращения повреждения контактов.
Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло, которое ионизирует больше молекул газа (где степень ионизации определяется по температуре), и в этой последовательности: твердое тело-жидкость-газ-плазма; газ постепенно превращается в тепловую плазму. Тепловая плазма находится в тепловом равновесии; температура относительно однородна по всем атомам, молекулам, ионам и электронам. Энергия, передаваемая электронам, быстро распространяется на более тяжелые частицы за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и большого количества.
Ток в дуге поддерживается термоэлектронной эмиссией и автоэлектронной эмиссией электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень маленьком горячем пятне на катоде; Можно найти плотности тока порядка одного миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда , дуга имеет слабо различимую структуру, поскольку положительный столб довольно яркий и простирается почти до электродов на обоих концах. Катодное и анодное падение в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра от каждого электрода. Положительный столб имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать на очень коротких дугах.
Низкочастотная (менее 100 Гц) дуга переменного тока напоминает дугу постоянного тока; в каждом цикле дуга возникает из-за пробоя, и электроды меняются ролями анода или катода при изменении направления тока. Поскольку частота тока увеличивается, не хватает времени для рассеивания всей ионизации в каждом полупериоде, и пробой больше не требуется для поддержания дуги; зависимость напряжения от тока становится более близкой к омической.
Электрическая дуга между жилами провода.Электрические дуги различной формы являются возникающими свойствами нелинейных структур тока и электрическое поле. Дуга возникает в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто сделанными из вольфрама или углерода), и это приводит к очень высокой температуре , способной к плавление или испарение большинства материалов. Электрическая дуга - это непрерывный разряд, в то время как аналогичный электрический искровой разряд является мгновенным. Электрическая дуга может возникнуть либо в цепях постоянного тока (DC), либо в цепях переменного тока (AC). В последнем случае дуга может повторно зажигаться на каждом полупериоде тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока довольно высока, а падение напряжения внутри дуги невелико; на катоде плотность тока может достигать одного мегампера на квадратный сантиметр.
Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга возникает (либо в результате тлеющего разряда, либо при кратковременном прикосновении к электродам с последующим их разделением), увеличение тока приводит к снижению напряжения между выводами дуги. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы некоторая положительная форма импеданса (в качестве балласта ) была помещена в цепь для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в устройстве становятся настолько разрушительными, поскольку после возникновения дуга будет потреблять все больше и больше тока от источника постоянного напряжения, пока устройство не выйдет из строя.
Промышленно электрические дуги используются для сварки, плазменной резки, для электроэрозионная обработка, как дуговая лампа в кинопроекторах и следящие точки в сценическом освещении. Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция получают таким образом, так как он требует большого количества энергии для ускорения эндотермической реакции (при температуре 2500 ° C).
Углеродные дуговые лампы были первыми электрическими лампами. Они использовались для уличных фонарей в 19 веке и для специальных целей, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы используются для освещения; ксеноновые дуговые лампы используются в кинопроекторах.
Формирование интенсивной электрической дуги, похожей на мелкомасштабную дуговую вспышку, является основой детонаторов с разрывающейся проволокой.
Основным остальным применением является высокое напряжение. распределительное устройство для сетей передачи высокого напряжения. В современных устройствах используется гексафторид серы под высоким давлением в сопловом потоке между отдельными электродами внутри сосуда высокого давления. Переменный ток короткого замыкания прерывается при нулевом токе сильно электроотрицательными ионами SF6, поглощающими свободные электроны из распадающейся плазмы. Подобная воздушная технология была в значительной степени заменена, потому что требовалось много шумных блоков, подключенных последовательно, чтобы предотвратить повторное зажигание тока в аналогичных условиях суперсети.
Электрические дуги были исследованы для электродвигателя космического корабля.
Они используются в лаборатории для спектроскопии для создания спектрального излучения путем интенсивного нагревания образца вещества.
Ученые обнаружили способ управления траекторией дуги между двумя электродами путем воздействия лазерных лучей на газ между электродами. Газ превращается в плазму и направляет дугу. Путем создания плазменного пути между электродами с помощью различных лазерных лучей дуга может быть образована изогнутыми и S-образными дорожками. Дуга также может ударить о препятствие и перестроиться на другой стороне препятствия. Технология дуги с лазерным наведением может быть полезна в приложениях для подачи электрической искры в определенное место.
Нежелательная или непреднамеренная электрическая дуга может иметь пагубные последствия для электрического системы передачи, распределения и электронное оборудование. К устройствам, которые могут вызвать искрение, относятся переключатели, автоматические выключатели, контакты реле, предохранители и плохие заделки кабелей. Когда индуктивная цепь отключена, ток не может мгновенно перейти к нулю: на разделительных контактах образуется переходная дуга. Коммутационные устройства, подверженные возникновению дуги, обычно предназначены для сдерживания и гашения дуги, а схемы демпфера могут обеспечивать путь для переходных токов, предотвращая образование дуги. Если в цепи достаточно тока и напряжения для поддержания дуги, образованной вне переключающего устройства, дуга может вызвать повреждение оборудования, например оплавление проводов, разрушение изоляции и возгорание. Вспышка дуги описывает взрывное электрическое событие, представляющее опасность для людей и оборудования.
Нежелательное искрение в электрических контактах контакторов, реле и переключателей может быть уменьшено с помощью таких устройств, как контактные дугогасители и демпферы RC, или с помощью таких методов, как:
Дуга может также возникать при наличии канала с низким сопротивлением (посторонний предмет, проводящая пыль, влага...) образуется между местами с разным напряжением. Таким образом, проводящий канал может способствовать образованию электрической дуги. Ионизированный воздух имеет высокую электропроводность, приближающуюся к проводимости металлов, и может проводить чрезвычайно высокие токи, вызывая короткое замыкание и срабатывание защитных устройств (предохранители и автоматические выключатели ). Аналогичная ситуация может возникнуть, когда лампочка перегорает, и фрагменты нити накаливания вызывают электрическую дугу между выводами внутри лампы, что приводит к перегрузке по току, которая размыкает выключатели.
Электрическая дуга на поверхности пластмассы вызывает их разрушение. На пути дуги обычно образуется токопроводящая дорожка с высоким содержанием углерода, называемая «углеродным следом», что отрицательно влияет на их изоляционные свойства. Восприимчивость к дуге или «сопротивление дорожки» проверяется в соответствии с ASTM D495 с помощью точечных электродов и непрерывных и прерывистых дуг; он измеряется в секундах, необходимых для образования проводящей дорожки в условиях высокого напряжения и низкого тока. Некоторые материалы менее подвержены разложению, чем другие. Например, политетрафторэтилен имеет сопротивление дуге около 200 секунд (3,3 минуты). Из термореактивных пластиков, алкидные и меламиновые смолы лучше, чем фенольные смолы. Полиэтилены имеют сопротивление дуге около 150 секунд; полистиролы и поливинилхлориды имеют относительно низкое сопротивление, около 70 секунд. Пластмассы могут выделять газы с дугогасящими свойствами; они известны как дугогасящие пластмассы.
Образование дуги на некоторых типах печатных плат, возможно, из-за трещин на следах или разрушения припоя, делает пораженный изоляционный слой проводящим поскольку диэлектрик сгорает из-за высоких температур. Эта проводимость продлевает искрение из-за каскадного разрушения поверхности.
Подавление дуги - это метод попытки уменьшить или устранить электрическую дугу. Существует несколько возможных областей использования методов подавления дуги, среди них осаждение и напыление металлической пленки, защита от дугового разряда, электростатические процессы, в которых электрические дуги нежелательны (например, порошковая покраска, очистка воздуха, полировка пленки ПВДФ ) и гашение дуги контактным током. В промышленной, военной и бытовой электронике последний метод обычно применяется к таким устройствам, как электромеханические силовые переключатели, реле и контакторы. В этом контексте для подавления дуги используется защита контактов.
Часть энергии электрической дуги образует новые химические соединения из воздуха, окружающего дугу: к ним относятся оксиды азота и озон., второй из которых можно определить по характерному резкому запаху. Эти химические вещества могут образовываться в контактах высокой мощности в реле и коммутаторах двигателей, и они вызывают коррозию близлежащих металлических поверхностей. Электрическая дуга также разъедает поверхности контактов, изнашивая их и создавая высокое сопротивление контакта при замыкании.
На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с электрической дугой. |