Interested Article - Электрическая дуга

Электрическая дуга в воздухе (лестница Иакова, трансформатор на 2кВ 0,5А)

Электри́ческая дуга́ ( во́льтова дуга́ , дугово́й разря́д ) — вид электрического разряда в газе , возникающий за счёт явления эмиссии электронов с разогретого катода.

Впервые описана в 1801 (?) году британским ученым сэром Гемфри Дэви в «Журнале натурфилософии, химии и искусств» (Journal of Natural Philosophy, Chemistry, and the Arts) (нет ссылки на источник) и продемонстрирована им на заседании Королевского научного общества, а в 1802 году — русским учёным В. Петровым в книге с характерным названием «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803) . Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Физические явления

Строение электрической дуги при дуговой сварке. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

Электрическая дуга образуется за счёт термоэлектронной эмиссии носителей заряда под действием высокой температуры катода. Благодаря этому, в отличие от прочих видов разряда, дуга имеет низкое падение напряжения в прикатодных областях — до 5-15В. При горении дуги ионизированный газ, ускоренный электрическим полем, падает на катод, отдавая ему часть энергии и нагревая его. Анод при горении дуги также нагревается за счёт притягивающихся к нему электронов, поступающих из .

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине .

Применение

Электрическая дуга, как мощный и концентрированный источник тепла , используется при электродуговой сварке и плазменной резке металлов, для выплавки стали в дуговых печах , инициировании взрывчатого вещества в электродетонаторах . Также дуга может быть использована для нагрева рабочего тела в электроракетных двигателях .

Совместное действие нагрева от дуги и ударных волн, возникающих при схлопывании дугового канала, используется при электроэрозионной обработки . Объёмные пульсации плазменного канала высокочастотной дуги используется для звуковоспроизведения в ионофонах .

Яркое излучение дуги используется для освещения. Дуговыми были первые серийные источники электрического света — свечи Яблочкова . Определённое распространение получили мощные источники света на основе электрической дуги — дуговые электролампы . В зависимости от состава среды в которой горит дуга такие лампы могут быть как прямого излучения ( ксеноновая дуговая лампа , угольная дуговая лампа , натриевая газоразрядная лампа ), так и косвенного, с помощью люминофоров ртутная газоразрядная лампа .

Влияние на состав плазмы дугу материала электродов используют в вакуумно-дуговом нанесении покрытий и в спектроскопии , например, в стилоскопах , для получения спектра излучения исследуемого образца.

Особенности физики зажигания дуги (необходимость катодного пятна) используют в ртутных выпрямителях .

Иногда используется свойство нелинейной вольт-амперной характеристики дуги (см. автомат гашения поля , разрядники ).

Борьба с электрической дугой

В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это, в первую очередь, контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электроприводе: высоковольтные выключатели , автоматические выключатели , контакторы , секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами, между размыкающимися контактами возникает дуга.

Механизм возникновения дуги в данном случае следующий:

  • Уменьшение контактного давления — количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;
  • Начало расхождения контактов — образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
  • Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;
  • Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);
  • Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.

Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги, теплота выделяющаяся в ней будет равномерно распределяться по телу контакта).

Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой:

  • охлаждение дуги потоком охлаждающей среды — жидкости ( масляный выключатель ); газа — ( воздушный выключатель , автогазовый выключатель , масляный выключатель , элегазовый выключатель ), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение;
  • использование дугогасящей способности вакуума — известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель .
  • использование более дугостойкого материала контактов;
  • применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации;
  • применение дугогасительных решёток ( автоматический выключатель , электромагнитный выключатель ). Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге — это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка — фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги).
  • использование дугогасительных камер — попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.
  • использование «магнитного дутья» — поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного распределения тепла по контакту, так и для загона её в дугогасительную камеру или решётку. В некоторых конструкциях выключателей создаётся радиальное магнитное поле, придающее дуге вращательный момент.
  • шунтирование контактов в момент размыкания силовым полупроводниковым ключом тиристором или симистором, включеным параллельно контактам, после размыкания контактов полупроводниковый ключ отключается в момент перехода напряжения через ноль (гибридный контактор, тирикон).

Воздействие на организм человека

Электрическая дуга создает сильное излучение в широком диапазоне волн. При горении в воздухе около 70 % энергии излучения приходится на ультрафиолет , 15 % — на видимое излучение и 15 % — на инфракрасное . Воздействие на глаза может привести к электроофтальмии , а на кожу — к ожогам . Для защиты глаз и лица сварщики используют специальные сварочные маски с тёмным светофильтром . Для защиты тела — термостойкую спецодежду .

Учитывая то, что дуговой разряд по сути является открытым проводником, то прямое воздействие дуги на человека приведет к электротравме .

Примечания

  1. от 18 августа 2016 на Wayback Machine Электрогазосварщик
  2. . Дата обращения: 21 августа 2020. 25 сентября 2020 года.

Литература

  • Дуга электрическая — статья из Большой советской энциклопедии .
  • Искровой разряд — статья из Большой советской энциклопедии .
  • Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М. : Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3 .
  • Родштейн Л. А. Электрические аппараты. — Л., 1981.
  • Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milián, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N. ; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, François (2015-06-01). «Laser-assisted guiding of electric discharges around objects». Science Advances 1 (5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375—2548.

Ссылки

Источник —

Same as Электрическая дуга