Электрическая дуга (или дуговой разряд ) — это электрический пробой газа , который производит длительный электрический разряд . Ток через обычно непроводящую среду, такую как воздух, производит плазму , которая может производить видимый свет . Дуговой разряд инициируется либо термоионной эмиссией , либо полевой эмиссией . [1] После инициирования дуга зависит от термоионной эмиссии электронов с электродов, поддерживающих дугу. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд . Архаичный термин — вольтовская дуга , используемый во фразе «вольтовская дуговая лампа».
Для сокращения продолжительности или вероятности образования дуги можно использовать методы подавления дуги .
В конце 19 века дуговое освещение широко использовалось для уличного освещения . Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, люминесцентные трубки , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы используются для освещения; ксеноновые дуговые лампы использовались в кинопроекторах . Электрические дуги могут использоваться в производственных процессах, таких как электродуговая сварка , плазменная резка и электродуговые печи для переработки стали.
Сэр Хэмфри Дэви открыл короткоимпульсную электрическую дугу в 1800 году. [2] В 1801 году он описал это явление в статье, опубликованной в журнале Уильяма Николсона « Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts» . [3] Согласно современной науке, описание Дэви было искрой, а не дугой. [4] В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом , передавая электрический ток через два соприкасающихся угольных стержня, а затем раздвигая их на небольшое расстояние. Демонстрация производила «слабую» дугу, неотличимую от устойчивой искры , между угольными точками. Общество подписалось на более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал крупномасштабную дугу. [5] Ему приписывают название дуги. [6] Он назвал ее дугой, потому что она принимает форму восходящей дуги, когда расстояние между электродами не мало. [7] Это происходит из-за выталкивающей силы, действующей на горячий газ.
Первая непрерывная дуга была открыта независимо в 1802 году и описана в 1803 году [8] как «особая жидкость с электрическими свойствами» Василием В. Петровым , русским ученым, экспериментировавшим с медно-цинковой батареей , состоящей из 4200 дисков. [8] [9]
В конце девятнадцатого века дуговое электрическое освещение широко использовалось для общественного освещения . Склонность электрических дуг мерцать и шипеть была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей для Electrician , объяснив, что эти явления были результатом контакта кислорода с угольными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она стала первой женщиной, когда-либо прочитавшей свою собственную работу перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее работа называлась «Шипение электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом IEE; следующая женщина, принятая в IEE, была в 1958 году. [10] Она подала прошение о представлении доклада перед Королевским обществом, но ей не разрешили из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри вместо нее в 1901 году.
Электрическая дуга — это форма электрического разряда с наибольшей 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 дуга начинается, ее конечное напряжение намного меньше, чем у тлеющего разряда, а ток выше. Дуга в газах с давлением, близким к атмосферному, характеризуется видимым световым излучением, высокой плотностью тока и высокой температурой. Дуга отличается от тлеющего разряда отчасти схожими температурами электронов и положительных ионов; в тлеющем разряде ионы намного холоднее электронов.
Вытянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, изначально находящимися в контакте и раздвинутыми; это может инициировать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Это способ, которым сварщик начинает сварку соединения, на мгновение касаясь сварочным электродом заготовки, а затем отводя его до тех пор, пока не сформируется стабильная дуга. Другим примером является разделение электрических контактов в переключателях, реле или автоматических выключателях; в высокоэнергетических цепях может потребоваться подавление дуги для предотвращения повреждения контактов. [11]
Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло, которое ионизирует больше молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в этой последовательности: твердое тело-жидкость-газ-плазма; газ постепенно превращается в термическую плазму. Термическая плазма находится в термическом равновесии; температура относительно однородна во всех атомах, молекулах, ионах и электронах. Энергия, переданная электронам, быстро рассеивается среди более тяжелых частиц посредством упругих столкновений из-за их большой подвижности и большого количества.
Ток в дуге поддерживается термоионной эмиссией и полевой эмиссией электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень маленькой горячей точке на катоде; можно обнаружить плотность тока порядка миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда , дуга имеет мало различимую структуру, поскольку положительный столб довольно яркий и простирается почти до электродов на обоих концах. Катодное падение и анодное падение в несколько вольт происходят в пределах доли миллиметра от каждого электрода. Положительный столб имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать в очень коротких дугах. [11]
Низкочастотная (менее 100 Гц) дуга переменного тока напоминает дугу постоянного тока; в каждом цикле дуга инициируется пробоем, и электроды меняются ролями, как анод или катод, когда ток меняет полярность. По мере увеличения частоты тока не хватает времени для рассеивания всей ионизации в каждом полуцикле, и пробой больше не нужен для поддержания дуги; характеристика напряжение-ток становится более близкой к омической. [11]
Различные формы электрических дуг являются эмерджентными свойствами нелинейных моделей тока и электрического поля . Дуга возникает в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто изготовленными из вольфрама или углерода) и приводит к очень высокой температуре , способной расплавить или испарить большинство материалов. Электрическая дуга представляет собой непрерывный разряд, в то время как аналогичный электрический искровой разряд является кратковременным. Электрическая дуга может возникать как в цепях постоянного тока (DC), так и 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 низкое; на катоде плотность тока может достигать одного мегаампера на квадратный сантиметр. [11]
Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга установлена (либо путем развития тлеющего разряда [12] , либо путем кратковременного касания электродов с последующим их разъединением), увеличение тока приводит к снижению напряжения между клеммами дуги. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы в цепь была помещена некоторая положительная форма импеданса (например, электрический балласт ) для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппаратах становятся настолько разрушительными, поскольку после возникновения дуга будет потреблять все больше и больше тока от источника фиксированного напряжения, пока аппарат не будет разрушен.
В промышленности электрическая дуга используется для сварки , плазменной резки , электроэрозионной обработки , в качестве дуговой лампы в кинопроекторах и прожекторов в сценическом освещении . Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция производится таким образом, поскольку для его проведения требуется большое количество энергии для эндотермической реакции (при температуре 2500 °C).
Углеродные дуговые лампы были первыми электрическими лампами. Они использовались для уличного освещения в 19 веке и для специализированных приложений, таких как прожекторы , до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги используются во многих приложениях. Например, люминесцентные трубки , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы используются для освещения; ксеноновые дуговые лампы используются для кинопроекторов и театральных прожекторов.
Образование интенсивной электрической дуги, похожей на вспышку небольшой дуги , лежит в основе действия детонаторов с взрывающимися перемычками .
Электрические дуги используются в дуговых воздушно-реактивных двигателях — форме электрического двигателя космических аппаратов.
Они используются в лабораторной спектроскопии для создания спектральных излучений путем интенсивного нагрева образца вещества .
Дуга все еще используется в высоковольтных распределительных устройствах для защиты сверхвысоковольтных сетей передачи. Чтобы защитить блок (например, последовательный конденсатор в линии передачи) от перенапряжения, дугообразующее устройство, так называемый искровой разрядник , подключается параллельно блоку. Как только напряжение достигает порога пробоя воздуха, дуга зажигается на свече зажигания и замыкает клеммы блока, тем самым защищая последний от перенапряжения. Для повторного включения блока дугу необходимо погасить, этого можно добиться несколькими способами. Например, искровой разрядник может быть оснащен дугогасительными рогами − двумя проводами, примерно вертикальными, но постепенно расходящимися друг от друга к верху в форме узкой буквы V. После зажигания дуга будет двигаться вверх по проводам и прекратится, когда расстояние между проводами станет слишком большим. Если дуга погаснет и исходное условие срабатывания больше не существует (неисправность устранена или включен байпасный переключатель), дуга не загорится снова. Дугу также можно разорвать струей сжатого воздуха или другого газа.
Нежелательная дуга может также возникнуть, когда высоковольтный выключатель размыкается и гасится аналогичным образом. Современные устройства используют гексафторид серы под высоким давлением в потоке сопла между разделенными электродами внутри сосуда под давлением. Ток дуги прерывается в тот момент в цикле переменного тока, когда ток падает до нуля, и высокоэлектроотрицательные ионы SF6 быстро поглощают свободные электроны из распадающейся плазмы. Технология SF6 в основном вытеснила похожую воздушную, поскольку для предотвращения повторного зажигания дуги внутри выключателя требовалось много шумных воздуходувных устройств последовательно.
Лестница Иакова (более формально, бегущая дуга высокого напряжения ) — это устройство для создания непрерывной последовательности электрических дуг, которые поднимаются вверх. Устройство названо в честь лестницы Иакова, ведущей на небеса , как описано в Библии. Подобно дуговым рогам, искровой промежуток образован двумя проводами, расходящимися от основания к вершине.
Когда к зазору прикладывается высокое напряжение, искра образуется поперек нижней части проводов, где они находятся ближе всего друг к другу, быстро превращаясь в электрическую дугу. Воздух пробивается при напряжении около 30 кВ/см, [13] в зависимости от влажности, температуры и т. д. Помимо анодного и катодного падения напряжения, дуга ведет себя почти как короткое замыкание , потребляя столько тока, сколько может обеспечить источник электропитания , а большая нагрузка резко снижает напряжение на зазоре.
Нагретый ионизированный воздух поднимается, увлекая за собой путь тока. По мере того, как след ионизации становится длиннее, он становится все более и более нестабильным, в конце концов разрываясь. Затем напряжение на электродах возрастает, и искра снова формируется в нижней части устройства.
Этот цикл приводит к экзотически выглядящему отображению электрических белых, желтых, синих или фиолетовых дуг, которые часто можно увидеть в фильмах ужасов и фильмах о сумасшедших ученых . Устройство было основным продуктом в школах и на научных ярмарках 1950-х и 1960-х годов, обычно сконструированное из искровой катушки модели T или любого другого источника высокого напряжения в диапазоне 10 000–30 000 вольт, такого как трансформатор неоновой вывески (5–15 кВ) или схема телевизионной кинескопной трубки ( трансформатор обратного хода ) (10–28 кВ), и двух вешалок для одежды или стержней, встроенных в форму буквы V. Для более крупных лестниц обычно используются трансформаторы микроволновых печей , соединенные последовательно, умножители напряжения [14] [15] и трансформаторы столбов электростанции (полюсные свиньи), работающие в обратном направлении (повышающие).
Медиа, связанные с лестницей Иакова на Wikimedia Commons
Ученые открыли метод управления траекторией дуги между двумя электродами, направляя лазерные лучи на газ между электродами. Газ становится плазмой и направляет дугу. Создавая плазменную траекторию между электродами с помощью различных лазерных лучей, дуга может быть сформирована в изогнутые и S-образные траектории. Дуга также может ударять о препятствие и преобразовываться по другую сторону препятствия. Технология лазерно-управляемой дуги может быть полезна в приложениях для подачи искры электричества в точное место. [16] [17]
Нежелательное или непреднамеренное возникновение электрической дуги может иметь пагубные последствия для систем передачи электроэнергии , распределения и электронного оборудования. Устройства, которые могут вызывать возникновение дуги, включают переключатели, автоматические выключатели, контакты реле, предохранители и плохие кабельные наконечники. Когда индуктивная цепь отключается, ток не может мгновенно перейти к нулю: на разделительных контактах образуется переходная дуга. Коммутационные устройства, подверженные возникновению дуги, обычно проектируются для сдерживания и гашения дуги, а демпфирующие цепи могут обеспечивать путь для переходных токов, предотвращая возникновение дуги. Если в цепи достаточно тока и напряжения, чтобы поддерживать дугу, образованную вне коммутационного устройства, дуга может вызвать повреждение оборудования, например, расплавление проводников, разрушение изоляции и пожар. Вспышка дуги описывает взрывное электрическое событие, которое представляет опасность для людей и оборудования.
Нежелательное искрение в электрических контактах контакторов , реле и переключателей можно уменьшить с помощью таких устройств, как гасители контактной дуги [18] и RC-демпферы , или с помощью следующих методов:
Дуга может также возникнуть, когда между местами с разным напряжением образуется канал с низким сопротивлением (посторонний предмет, токопроводящая пыль , влага...). Затем токопроводящий 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 ( предохранителей и автоматических выключателей ). Похожая ситуация может возникнуть, когда перегорает лампочка , а фрагменты нити накаливания создают электрическую дугу между выводами внутри лампочки, что приводит к перегрузке по току, которая срабатывает автоматические выключатели.
Электрическая дуга на поверхности пластика вызывает его деградацию. Проводящий углеродистый след имеет тенденцию образовываться на пути дуги, называемом «углеродным трекингом», отрицательно влияя на их изоляционные свойства. Восприимчивость к дуге, или «сопротивление трека», проверяется в соответствии с ASTM D495 с помощью точечных электродов и непрерывных и прерывистых дуг; она измеряется в секундах, необходимых для формирования проводящего следа в условиях высокого напряжения и низкого тока. [19] Некоторые материалы менее подвержены деградации, 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. Пластики могут быть разработаны для выделения газов со свойствами гашения дуги; они известны как дугогасящие пластики . [20]
Дуга на некоторых типах печатных плат , возможно, из-за трещин дорожек или отказа паяного соединения, делает затронутый изоляционный слой проводящим, поскольку диэлектрик сгорает из -за высоких температур. Эта проводимость продлевает дугу из-за каскадного отказа поверхности.
Подавление дуги — это метод попытки уменьшить или устранить электрическую дугу. Существует несколько возможных областей использования методов подавления дуги, среди которых осаждение и распыление металлической пленки , защита от вспышки дуги , электростатические процессы, где электрические дуги нежелательны (например, порошковая окраска , очистка воздуха , поляризация пленки PVDF ) и подавление дуги контактным током. В промышленном, военном и потребительском электронном проектировании последний метод обычно применяется к таким устройствам, как электромеханические силовые выключатели, реле и контакторы. В этом контексте подавление дуги использует защиту контактов .
Часть энергии электрической дуги образует новые химические соединения из окружающего дугу воздуха: они включают оксиды азота и озона , второй из которых можно обнаружить по его характерному резкому запаху. Эти химикаты могут вырабатываться мощными контактами в реле и коллекторах двигателей, и они вызывают коррозию близлежащих металлических поверхностей. Дуга также разрушает поверхности контактов, изнашивая их и создавая высокое контактное сопротивление при замыкании. [21]
Воздействие дугообразующего устройства может представлять опасность для здоровья. Дуга, образующаяся в воздухе, ионизирует кислород и азот, которые затем могут преобразовываться в реактивные молекулы, такие как озон и оксид азота . Эти продукты могут быть опасны для слизистых оболочек . Растения также подвержены отравлению озоном. Эти опасности наиболее значительны, когда дуга непрерывна и находится в замкнутом пространстве, например, в комнате. Дуга, возникающая снаружи, менее опасна, поскольку нагретые ионизированные газы будут подниматься в воздух и рассеиваться в атмосфере. Искровые разрядники, которые только периодически производят короткие искровые разряды, также минимально опасны, поскольку объем генерируемых ионов очень мал.
Дуги также могут создавать широкий спектр длин волн, охватывающий видимый свет и невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный спектр. Очень интенсивные дуги, создаваемые такими способами, как дуговая сварка, могут создавать значительное количество ультрафиолетового излучения, которое повреждает роговицу глаза наблюдателя . Эти дуги следует наблюдать только через специальные темные фильтры, которые уменьшают интенсивность дуги и защищают глаза наблюдателя от ультрафиолетовых лучей.