Łuk elektryczny i jego charakterystyki

Łuk elektryczny — przepływ prądu elektrycznego przez gaz między dwiema elektrodami, z których jedna jest źródłem elektronów (katoda). Elektroda to drut, który kończy się w dowolnym odcinku obwodu elektrycznego.

Elektrony emitowane z katody w dużych ilościach powodują silną jonizację gazu pomiędzy elektrodami i tym samym umożliwiają przepływ dużego prądu pomiędzy elektrodami.

Charakterystyczną cechą łuku elektrycznego, w przeciwieństwie do konwencjonalnego wyładowania gazowego, jest to, że może on palić się przy niskim napięciu.

Łuk elektryczny odkrył fizyk z Petersburga W. W. Pietrow w 1802 roku i znalazł ważne zastosowania w technice.

Łuk elektryczny to rodzaj wyładowania charakteryzujący się dużą gęstością prądu, wysoką temperaturą, podwyższonym ciśnieniem gazu i niskim spadkiem napięcia w szczelinie łukowej. W tym przypadku następuje intensywne nagrzewanie elektrod (styków), na których powstają tzw. Plamy katodowe i anodowe. Blask katody jest skoncentrowany w małej jasnej plamce, żarząca się część przeciwległej elektrody tworzy plamkę anodową.

W tęczy można zauważyć trzy obszary, które bardzo różnią się charakterem zachodzących w nich procesów. Bezpośrednio do elektrody ujemnej (katody) łuku znajduje się obszar spadku napięcia katody. Następna jest lufa łuku plazmowego. Bezpośrednio do elektrody dodatniej (anody) znajduje się anodowy obszar spadku napięcia. Regiony te są pokazane schematycznie na ryc. 1.

Ryż. 1. Struktura łuku elektrycznego

Rozmiary katodowych i anodowych obszarów spadku napięcia na rysunku są znacznie przesadzone. W rzeczywistości ich długość jest bardzo mała, np. długość spadku napięcia katodowego jest rzędu drogi swobodnego ruchu elektronu (mniej niż 1 mikron). Długość obszaru spadku napięcia anodowego jest zwykle nieco większa niż ta wartość.

W normalnych warunkach powietrze jest dobrym izolatorem. Zatem napięcie wymagane do przerwania szczeliny powietrznej o szerokości 1 cm wynosi 30 kV. Aby szczelina powietrzna stała się przewodnikiem, konieczne jest wytworzenie w niej określonej koncentracji naładowanych cząstek (elektronów i jonów).

Jak powstaje łuk elektryczny

Łuk elektryczny, będący strumieniem naładowanych cząstek, w początkowej chwili rozwarcia styków powstaje w wyniku obecności elektronów swobodnych w gazie szczeliny łukowej oraz elektronów emitowanych z powierzchni katody. Swobodne elektrony w szczelinie między stykami poruszają się z dużą prędkością w kierunku od katody do anody pod działaniem sił pola elektrycznego.

Natężenie pola na początku przerwy stykowej może sięgać kilku tysięcy kilowoltów na centymetr.Pod działaniem sił tego pola elektrony są wyciągane z powierzchni katody i przemieszczają się do anody, wybijając z niej elektrony, które tworzą chmurę elektronową. Wytworzony w ten sposób początkowy przepływ elektronów tworzy dodatkowo intensywną jonizację przerwy łukowej.

Wraz z procesami jonizacji równolegle iw sposób ciągły w łuku zachodzą procesy dejonizacji. Procesy dejonizacji polegają na tym, że gdy dwa jony o różnych znakach lub jon dodatni i elektron zbliżają się do siebie, są przyciągane i zderzając się, są neutralizowane, ponadto naładowane cząstki przemieszczają się ze strefy spalania dusz z większą - wysokie stężenie ładunków w środowisku przy niższym stężeniu ładunków. Wszystkie te czynniki prowadzą do obniżenia temperatury łuku, do jego ochłodzenia i zaniku.

Ryż. 2. Łuk elektryczny

Łuk po zapłonie

W trybie spalania stacjonarnego procesy jonizacji i dejonizacji są w równowadze.Beczka łukowa z równą ilością wolnych ładunków dodatnich i ujemnych charakteryzuje się wysokim stopniem jonizacji gazu.

Substancja, której stopień jonizacji jest bliski jedności, tj. w którym nie ma neutralnych atomów i cząsteczek nazywa się plazmą.

Łuk elektryczny charakteryzuje się następującymi cechami:

1. Wyraźnie określona granica między szybem łukowym a otoczeniem.

2. Wysoka temperatura wewnątrz komory łukowej, sięgająca 6000 — 25000 K.

3. Wysoka gęstość prądu i jarznik (100 — 1000 A/mm2).

4. Małe wartości spadku napięcia anodowego i katodowego i praktycznie nie zależą od prądu (10 — 20 V).

Charakterystyka prądowo-napięciowa łuku elektrycznego

Główną cechą łuku prądu stałego jest zależność napięcia łuku od prądu, która nazywana jest charakterystyką prądowo-napięciową (VAC).

Łuk powstaje między stykami przy określonym napięciu (rys. 3), zwanym napięciem zapłonu Uz iw zależności od odległości między stykami, temperatury i ciśnienia otoczenia oraz szybkości rozwarcia styków. Napięcie gaszenia łuku Ug zawsze mniejszy stres U3.

Ryż. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa łuku prądu stałego (a) i jego obwód zastępczy (b)

Krzywa 1 to charakterystyka statyczna łuku, tj. uzyskany przez powolną zmianę prądu. Charakterystyka ma charakter opadający. Wraz ze wzrostem prądu napięcie łuku maleje. Oznacza to, że rezystancja przerwy łukowej maleje szybciej wraz ze wzrostem prądu.

Jeśli przy takiej czy innej prędkości prąd w łuku zostanie zmniejszony od I1 do zera i jednocześnie ustali się spadek napięcia wzdłuż łuku, powstaną krzywe 2 i 3. Krzywe te nazywane są charakterystykami dynamicznymi.

Im szybciej zmniejsza się prąd, tym niższa będzie charakterystyka dynamiczna I — V. Wynika to z faktu, że wraz ze spadkiem prądu takie parametry łuku jak przekrój lufy, temperatura nie mają czasu na szybką zmianę i uzyskanie wartości odpowiadających niższej wartości prądu w stan stabilny.

Spadek napięcia przerwy łukowej:

Ud = Usc + EdId,

gdzie Us = Udo + Ua — spadek napięcia w pobliżu elektrody, Ed — podłużny gradient napięcia w łuku, ID — długość łuku.

Ze wzoru wynika, że ​​wraz ze wzrostem długości łuku spadek napięcia na łuku będzie się zwiększał, a charakterystyka I — V będzie wyższa.

Zajmują się wyładowaniami łukowymi w projektowaniu elektrycznych urządzeń łączeniowych. Właściwości łuku elektrycznego są wykorzystywane m.in instalacje do spawania łukiem elektrycznym i w piece łukowe do topienia.