Arcul electric și caracteristicile sale

Arc electric — trecerea energiei electrice printr-un gaz între doi electrozi, dintre care unul este sursă de electroni (catod). Un electrod este un fir care se termină în orice secțiune a unui circuit electric.

Electronii emiși de catod în cantități mari provoacă o ionizare puternică a gazului dintre electrozi și astfel fac posibilă circulația unui curent mare între electrozi.

O trăsătură caracteristică a unui arc electric, spre deosebire de o descărcare de gaz convențională, este că poate arde la tensiune joasă.

Arcul electric a fost descoperit de un fizician din Sankt Petersburg V. V. Petrov în 1802 și a găsit aplicații importante în tehnologie.

Un arc electric este un tip de descărcare caracterizat prin densitate mare de curent, temperatură ridicată, presiune ridicată a gazului și scădere scăzută de tensiune pe spațiul arcului. În acest caz, are loc încălzirea intensivă a electrozilor (contactelor), pe care se formează așa-numiții. Pete catodice și anodice. Strălucirea catodului este concentrată într-un mic punct luminos, partea incandescentă a electrodului opus formează punctul anod.

În curcubeu pot fi remarcate trei zone, care sunt foarte diferite prin natura proceselor care au loc în ele. Direct la electrodul negativ (catodul) arcului se află regiunea căderii de tensiune a catodului. Urmează butoiul arcului cu plasmă. Direct la electrodul pozitiv (anod) este regiunea anodică a căderii tensiunii. Aceste regiuni sunt prezentate schematic în Fig. 1.

Orez. 1. Structura arcului electric

Dimensiunile regiunilor de cădere de tensiune catodice și anodice din figură sunt foarte exagerate. În realitate, lungimea lor este foarte mică.De exemplu, lungimea căderii de tensiune catodice este de ordinul căii de mișcare liberă a unui electron (mai puțin de 1 micron). Lungimea regiunii de cădere a tensiunii anodice este de obicei puțin mai mare decât această valoare.

În condiții normale, aerul este un bun izolator. Deci, tensiunea necesară pentru a rupe un spațiu de aer de 1 cm este de 30 kV. Pentru ca spațiul de aer să devină un conductor, este necesar să se creeze o anumită concentrație de particule încărcate (electroni și ioni) în el.

Cum apare un arc electric

Arcul electric, care este un flux de particule încărcate, în momentul inițial al separării contactului are loc ca urmare a prezenței electronilor liberi în gazul golului arcului și a electronilor emiși de pe suprafața catodului. Electronii liberi din golul dintre contacte se deplasează cu viteză mare în direcția de la catod la anod sub acțiunea forțelor câmpului electric.

Intensitatea câmpului la începutul intervalului de contact poate atinge câteva mii de kilovolți pe centimetru.Sub acțiunea forțelor acestui câmp, electronii sunt atrași de pe suprafața catodului și se deplasează către anod, lovind electroni din acesta, care formează un nor de electroni. Fluxul inițial de electroni creat în acest fel formează în continuare o ionizare intensă a intervalului de arc.

Alături de procesele de ionizare, procesele de deionizare au loc în paralel și continuu în arc. Procesele de deionizare constau în faptul că, atunci când doi ioni cu semne diferite sau un ion pozitiv și un electron se apropie unul de celălalt, ei sunt atrași și, ciocnind, sunt neutralizați, în plus, particulele încărcate se deplasează din zona de ardere a sufletelor cu mai mult - concentrație mare de sarcini în mediu cu o concentrație mai mică de sarcini. Toți acești factori duc la scăderea temperaturii arcului, la răcirea și dispariția acestuia.

Orez. 2. Arc electric

Arc după aprindere

În modul de ardere staționară, procesele de ionizare și deionizare sunt în echilibru.Ciul arc cu o cantitate egală de sarcini libere pozitive și negative se caracterizează printr-un grad ridicat de ionizare a gazului.

O substanță al cărei grad de ionizare este apropiat de unitate, adică. în care nu există atomi și molecule neutre se numește plasmă.

Arcul electric se caracterizează prin următoarele caracteristici:

1. O limită clar definită între arborele arcului și mediu.

2. Temperatura ridicată din interiorul cilindrului arcului, ajungând la 6000 — 25000K.

3. Densitate mare de curent și tub cu arc (100 — 1000 A / mm2).

4. Valori mici ale scăderii tensiunii anodice și catodice și practic nu depind de curent (10 — 20 V).

Caracteristica curent-tensiune a unui arc electric

Caracteristica principală a unui arc de curent continuu este dependența tensiunii arcului de curent, care se numește caracteristică curent-tensiune (VAC).

Arcul se produce între contacte la o anumită tensiune (Fig. 3), numită tensiune de aprindere Uz și în funcție de distanța dintre contacte, de temperatura și presiunea mediului și de viteza de separare a contactelor. Tensiunea de stingere a arcului Ug intotdeauna mai putina solicitare U3.

Orez. 3. Caracteristica curent-tensiune a unui arc de curent continuu (a) și circuitul său echivalent (b)

Curba 1 este caracteristica statică a arcului, adică. obţinut prin variarea lent a curentului. Caracteristica are un caracter descendent. Pe măsură ce curentul crește, tensiunea arcului scade. Aceasta înseamnă că rezistența intervalului de arc scade mai repede pe măsură ce crește curentul.

Dacă la o viteză sau alta curentul din arc este redus de la I1 la zero și în același timp fixează căderea de tensiune de-a lungul arcului, atunci vor rezulta curbele 2 și 3. Aceste curbe se numesc caracteristici dinamice.

Cu cât curentul este redus mai repede, cu atât vor fi mai mici caracteristicile dinamice I — V. Acest lucru se datorează faptului că, odată cu scăderea curentului, astfel de parametri ai arcului, cum ar fi secțiunea transversală a cilindrului, temperatura, nu au timp să se schimbe rapid și să dobândească valori corespunzătoare unei valori mai mici a curentului într-un stare echilibrată.

Căderea de tensiune a arcului:

Ud = Usc + EdId,

unde Us = Udo + Ua — căderea de tensiune în apropierea electrodului, Ed — gradientul longitudinal de tensiune în arc, ID — lungimea arcului.

Din formula rezultă că, pe măsură ce lungimea arcului crește, căderea de tensiune pe arc va crește și caracteristica I — V va fi situată mai sus.

Aceștia se ocupă de arcul electric în proiectarea dispozitivelor electrice de comutare. Proprietățile arcului electric sunt utilizate în instalatii pentru sudarea cu arc electric si in cuptoare de topire cu arc.