Mówiąc o charakterystyce łuku elektrycznego, warto wspomnieć, że ma on niższe napięcie niż wyładowanie jarzeniowe i opiera się na promieniowaniu termionowym elektronów z elektrod podtrzymujących łuk. W krajach anglojęzycznych termin ten jest uważany za archaiczny i przestarzały.
Techniki tłumienia łuku mogą być stosowane w celu skrócenia czasu trwania łuku lub prawdopodobieństwa powstania łuku.
Pod koniec XIX wieku łuk elektryczny był szeroko stosowany w oświetleniu publicznym. Niektóre niskociśnieniowe łuki elektryczne są używane w wielu zastosowaniach. Na przykład do oświetlenia stosuje się lampy fluorescencyjne, rtęciowe, sodowe i metalohalogenkowe. W projektorach filmowych zastosowano ksenonowe lampy łukowe.
Otwarcie łuku elektrycznego
Uważa się, że zjawisko to zostało po raz pierwszy opisane przez Sir Humphry'ego Davy'ego w artykule opublikowanym w 1801 roku w Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Williama Nicholsona. Jednak zjawisko opisane przez Davy'ego nie było łukiem elektrycznym, a jedynie iskrą. Późniejsi odkrywcynapisał: „Jest to oczywiście opis nie łuku, ale iskry. Istotą pierwszego jest to, że musi być ciągły, a jego bieguny nie mogą się stykać po powstaniu. Iskra wytworzona przez Sir Humphry'ego Davy'ego najwyraźniej nie była ciągła i chociaż pozostawała naładowana przez pewien czas po kontakcie z atomami węgla, najprawdopodobniej nie doszło do połączenia łuku, co jest konieczne do zaklasyfikowania go jako łuku woltaicznego.
W tym samym roku Davy publicznie zademonstrował efekt przed Royal Society, przepuszczając prąd elektryczny przez dwa stykające się pręty węglowe, a następnie odciągając je na niewielką odległość. Demonstracja pokazała „słaby” łuk, ledwo odróżnialny od stałej iskry, między punktami węgla drzewnego. Społeczność naukowa dostarczyła mu potężniejszą baterię 1000 płyt, a w 1808 roku zademonstrował występowanie łuku elektrycznego na dużą skalę. Przypisuje mu się również jego nazwę w języku angielskim (łuk elektryczny). Nazwał to łukiem, ponieważ przybiera formę łuku skierowanego w górę, gdy odległość między elektrodami się zbliża. Wynika to z właściwości przewodzących gorącego gazu.
Jak pojawił się łuk elektryczny? Pierwszy ciągły łuk został niezależnie zarejestrowany w 1802 r. i opisany w 1803 r. jako „specjalna ciecz o właściwościach elektrycznych” przez rosyjskiego naukowca Wasilija Pietrowa, który eksperymentował z 4200-płytową baterią miedziano-cynkową.
Dalsze badanie
Pod koniec XIX wieku łuk elektryczny był szeroko rozpowszechnionyużywany do oświetlenia publicznego. Głównym problemem była tendencja łuków elektrycznych do migotania i syczenia. W 1895 roku Hertha Marx Ayrton napisała serię artykułów na temat elektryczności, wyjaśniając, że łuk elektryczny powstał w wyniku kontaktu tlenu z prętami węglowymi użytymi do wytworzenia łuku.
W 1899 roku była pierwszą kobietą, która wygłosiła własną pracę przed Instytutem Inżynierów Elektryków (IEE). Jej raport nosił tytuł „Mechanizm łuku elektrycznego”. Wkrótce potem Ayrton została wybrana jako pierwsza kobieta-członek Instytutu Inżynierów Elektryków. Kolejna kobieta została przyjęta do instytutu już w 1958 roku. Ayrton złożyła petycję o przeczytanie artykułu w Towarzystwie Królewskim, ale nie wolno jej było tego zrobić ze względu na jej płeć, a The Mechanism of the Electric Arc został przeczytany przez Johna Perry'ego w 1901 roku.
Opis
Łuk elektryczny to rodzaj wyładowania elektrycznego o największej gęstości prądu. Maksymalny prąd pobierany przez łuk jest ograniczony tylko przez otoczenie, a nie przez sam łuk.
Łuk między dwiema elektrodami może zostać zainicjowany przez jonizację i wyładowanie jarzeniowe, gdy prąd płynący przez elektrody zostanie zwiększony. Napięcie przebicia szczeliny elektrodowej jest połączoną funkcją ciśnienia, odległości między elektrodami i rodzaju gazu otaczającego elektrody. Kiedy zaczyna się łuk, jego napięcie na zaciskach jest znacznie mniejsze niż w przypadku wyładowania jarzeniowego, a prąd jest wyższy. Łuk w gazach w pobliżu ciśnienia atmosferycznego charakteryzuje się światłem widzialnym,wysoka gęstość prądu i wysoka temperatura. Różni się od wyładowania jarzeniowego tym, że efektywne temperatury zarówno elektronów, jak i jonów dodatnich są w przybliżeniu takie same, a w wyładowaniu jarzeniowym jony mają znacznie niższą energię cieplną niż elektrony.
Podczas spawania
Rozciągnięty łuk można zainicjować przez dwie elektrody początkowo stykające się i rozdzielone podczas eksperymentu. To działanie może zainicjować łuk bez wyładowania jarzeniowego wysokiego napięcia. W ten sposób spawacz rozpoczyna spawanie złącza poprzez natychmiastowe przyłożenie elektrody spawalniczej do elementu spawanego.
Innym przykładem jest oddzielenie styków elektrycznych na przełącznikach, przekaźnikach lub wyłącznikach automatycznych. W obwodach wysokoenergetycznych może być wymagane tłumienie łuku, aby zapobiec uszkodzeniu styków.
Łuk napięcia: charakterystyka
Opór elektryczny wzdłuż ciągłego łuku wytwarza ciepło, które jonizuje więcej cząsteczek gazu (gdzie stopień jonizacji zależy od temperatury) i zgodnie z tą sekwencją gaz stopniowo zamienia się w plazmę termiczną, która jest w równowadze termicznej ponieważ temperatura jest stosunkowo równomiernie rozłożona dla wszystkich atomów, cząsteczek, jonów i elektronów. Energia przenoszona przez elektrony szybko rozprasza się wraz z cięższymi cząsteczkami w zderzeniach sprężystych ze względu na ich dużą ruchliwość i dużą liczbę.
Prąd w łuku jest wspierany przez termionową i polową emisję elektronów na katodzie. Aktualnymoże być skoncentrowany w bardzo małym gorącym punkcie na katodzie - rzędu miliona amperów na centymetr kwadratowy. W przeciwieństwie do wyładowania jarzeniowego, struktura łuku jest prawie nie do odróżnienia, ponieważ kolumna dodatnia jest dość jasna i sięga prawie do elektrod na obu końcach. Spadek na katodzie i na anodzie o kilka woltów występuje w obrębie ułamka milimetra każdej elektrody. Kolumna dodatnia ma niższy gradient napięcia i może być nieobecna w bardzo krótkich łukach.
Łuk niskiej częstotliwości
Niska częstotliwość (mniej niż 100 Hz) Łuk prądu przemiennego przypomina łuk prądu stałego. W każdym cyklu łuk jest inicjowany przez przebicie, a elektrody zmieniają role, gdy prąd zmienia kierunek. Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu nie ma wystarczająco dużo czasu na jonizację przy rozbieżności w każdym półcyklu, a przebicie nie jest już potrzebne do utrzymania łuku - charakterystyka napięcia i prądu staje się bardziej omowa.
Miejsce wśród innych zjawisk fizycznych
Różne kształty łuków to nowe właściwości nieliniowych wzorców prądu i pola elektrycznego. Łuk występuje w wypełnionej gazem przestrzeni między dwiema elektrodami przewodzącymi (często wolframowymi lub węglowymi), co skutkuje bardzo wysokimi temperaturami zdolnymi do stopienia lub odparowania większości materiałów. Łuk elektryczny jest wyładowaniem ciągłym, podczas gdy podobne wyładowanie iskrą elektryczną jest natychmiastowe. Łuk elektryczny może wystąpić zarówno w obwodach prądu stałego, jak iw obwodach prądu przemiennego. W tym drugim przypadku może:uderzyć każdy półcykl prądu. Łuk elektryczny różni się od wyładowania jarzeniowego tym, że gęstość prądu jest dość wysoka, a spadek napięcia w łuku jest niski. Na katodzie gęstość prądu może osiągnąć jeden megaamper na centymetr kwadratowy.
Potencjał niszczący
Łuk elektryczny ma nieliniową zależność między prądem a napięciem. Po utworzeniu łuku (albo poprzez przejście od wyładowania jarzeniowego, albo przez chwilowe dotknięcie elektrod, a następnie ich oddzielenie), wzrost prądu powoduje obniżenie napięcia między końcówkami łuku. Ten ujemny efekt rezystancji wymaga umieszczenia w obwodzie pewnej formy dodatniej impedancji (takiej jak statecznik elektryczny), aby utrzymać stabilny łuk. Ta właściwość powoduje, że niekontrolowane łuki elektryczne w maszynie są tak destrukcyjne, ponieważ gdy łuk wystąpi, będzie pobierał coraz więcej prądu ze źródła napięcia stałego, aż do zniszczenia urządzenia.
Praktyczne zastosowanie
Na skalę przemysłową łuki elektryczne są wykorzystywane do spawania, cięcia plazmowego, obróbki elektroerozyjnej, jako lampa łukowa w projektorach filmowych i oświetleniu. Elektryczne piece łukowe służą do produkcji stali i innych substancji. Węglik wapnia uzyskuje się w ten sposób, ponieważ do osiągnięcia reakcji endotermicznej (w temperaturze 2500 ° C) duża ilośćenergia.
Węglowe lampy łukowe były pierwszymi lampami elektrycznymi. Były używane do lamp ulicznych w XIX wieku i do specjalistycznych urządzeń, takich jak reflektory do II wojny światowej. Obecnie łuki elektryczne niskociśnieniowe są stosowane w wielu dziedzinach. Na przykład do oświetlania stosuje się lampy fluorescencyjne, rtęciowe, sodowe i metalohalogenkowe, a do projektorów filmowych stosuje się ksenonowe lampy łukowe.
Tworzenie intensywnego łuku elektrycznego, takiego jak błysk łukowy na małą skalę, jest podstawą detonatorów wybuchowych. Kiedy naukowcy dowiedzieli się, czym jest łuk elektryczny i jak można go wykorzystać, skuteczne materiały wybuchowe uzupełniły różnorodność światowych broni.
Głównym pozostałym zastosowaniem są rozdzielnice wysokiego napięcia dla sieci przesyłowych. Nowoczesne urządzenia wykorzystują również wysokociśnieniowy sześciofluorek siarki.
Wniosek
Pomimo częstotliwości oparzeń łukiem elektrycznym jest uważany za bardzo przydatne zjawisko fizyczne, nadal szeroko stosowane w przemyśle, produkcji i elementach dekoracyjnych. Ma własną estetykę i często pojawia się w filmach science fiction. Klęska łuku elektrycznego nie jest śmiertelna.
