Электрическая дуга (или дуговой разряд ) — электрический пробой газа , вызывающий длительный электрический разряд . Ток через обычно непроводящую среду, такую как воздух , создает плазму , которая может производить видимый свет . Дуговой разряд инициируется либо термоэлектронной эмиссией , либо автоэлектронной эмиссией . [1] После зажигания дуга возникает за счет термоэлектронной эмиссии электронов с электродов, поддерживающих дугу. Дуговой разряд характеризуется меньшим напряжением, чем тлеющий разряд . Архаичный термин — вольтова дуга , используемый во фразе «вольтова дуговая лампа».
Методы гашения дуги можно использовать для уменьшения продолжительности или вероятности образования дуги.
В конце 19 века электродуговое освещение широко использовалось для общественного освещения . Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения применяют люминесцентные лампы , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы ; Ксеноновые дуговые лампы использовались в кинопроекторах . Электрические дуги могут использоваться в производственных процессах, таких как электродуговая сварка , а также в электродуговых печах для переработки стали.
Сэр Хамфри Дэви открыл электрическую дугу с короткими импульсами в 1800 году. [2] В 1801 году он описал это явление в статье, опубликованной в « Журнале естественной философии, химии и искусства» Уильяма Николсона . [3] Согласно современной науке, описание Дэви было скорее искрой, чем дугой. [4] В том же году Дэви публично продемонстрировал этот эффект перед Королевским обществом , передав электрический ток через два соприкасающихся углеродных стержня, а затем отведя их на небольшое расстояние друг от друга. В результате демонстрации между угольными точками образовалась «слабая» дуга, которую трудно отличить от устойчивой искры . 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 немало. [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 Васильевичем Петровым , русским учёным, экспериментировавшим с медно-цинковой батареей , состоящей из 4200 дисков. [8] [9]
В конце девятнадцатого века электродуговое освещение широко использовалось для общественного освещения . Склонность электрических дуг к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей для журнала « Электрик» , объясняя, что эти явления были результатом контакта кислорода с углеродными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она была первой женщиной, прочитавшей собственную статью в Институте инженеров-электриков (IEE). Ее статья называлась «Шипение электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом IEE; Следующая женщина, принятая в IEE , была в 1958 году. Перри вместо нее в 1901 году.
Электрическая дуга – это форма электрического разряда с наибольшей плотностью тока. Максимальный ток через дугу ограничивается только внешней цепью, а не самой дугой.
Дуга между двумя электродами может возникнуть за счет ионизации и тлеющего разряда, когда ток через электроды увеличивается. Напряжение пробоя межэлектродного промежутка является комбинированной функцией давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда возникает дуга, напряжение на ее клеммах значительно меньше, чем у тлеющего разряда, а ток выше. Дуга в газах при атмосферном давлении характеризуется видимым световым излучением, высокой плотностью тока и высокой температурой. Дуга отличается от тлеющего разряда отчасти схожей температурой электронов и положительных ионов; в тлеющем разряде ионы намного холоднее электронов.
Нарисованная дуга может быть инициирована двумя электродами, первоначально соприкасающимися и раздвинутыми; это может привести к возникновению дуги без высоковольтного тлеющего разряда. Таким образом сварщик начинает сварку соединения, на мгновение прикасаясь сварочным электродом к заготовке, а затем отводя его до образования устойчивой дуги. Другим примером является разделение электрических контактов в переключателях, реле или автоматических выключателях; в цепях высокого напряжения может потребоваться подавление дуги для предотвращения повреждения контактов. [11]
Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло, которое ионизирует большее количество молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в такой последовательности: твердое тело-жидкость-газ-плазма; газ постепенно превращается в тепловую плазму. Термическая плазма находится в тепловом равновесии; температура относительно однородна внутри атомов, молекул, ионов и электронов. Энергия, передаваемая электронам, быстро передается более тяжелым частицам за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и большого количества.
Ток в дуге поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии и автоэмиссии электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень маленькой горячей точке на катоде; Плотность тока может достигать порядка миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда , дуга имеет мало различимую структуру, так как положительный столб достаточно яркий и доходит почти до электродов с обоих концов. Катодное и анодное падение на несколько вольт происходит в пределах долей миллиметра от каждого электрода. Положительный столб имеет меньший градиент напряжения и может отсутствовать на очень коротких дугах. [11]
Дуга переменного тока низкой частоты (менее 100 Гц) напоминает дугу постоянного тока; в каждом цикле дуга зажигается в результате пробоя, и электроды меняют роли анода или катода при изменении направления тока. По мере увеличения частоты тока не хватает времени для того, чтобы вся ионизация рассеялась в каждом полупериоде, и пробой больше не требуется для поддержания дуги; характеристика зависимости напряжения от тока становится более омической. [11]
Различные формы электрических дуг являются возникающими свойствами нелинейных структур тока и электрического поля . Дуга возникает в газонаполненном пространстве между двумя проводящими электродами (часто из вольфрама или углерода) и приводит к очень высокой температуре , способной расплавить или испарить большинство материалов. Электрическая дуга представляет собой непрерывный разряд, тогда как аналогичный электроискровой 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 загореться на каждом полупериоде тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока достаточно велика, а падение напряжения внутри дуги невелико; на катоде плотность тока может достигать одного мегаампера на квадратный сантиметр. [11]
Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга возникает (либо в результате тлеющего разряда [12] , либо в результате кратковременного прикосновения к электродам и последующего их разделения), увеличение тока приводит к снижению напряжения между выводами дуги. Этот эффект отрицательного сопротивления требует размещения в цепи некоторой положительной формы импеданса (например, электрического балласта ) для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппаратах становятся настолько разрушительными, поскольку однажды возникшая дуга будет потреблять все больше и больше тока от источника постоянного напряжения, пока аппарат не выйдет из строя.
В промышленности электрические дуги используются при сварке , плазменной резке , для электроэрозионной обработки , в качестве дуговых ламп в кинопроекторах , прожекторов в сценическом освещении . Электродуговые печи используются для производства стали и других материалов. Карбид кальция получают таким способом, поскольку для стимулирования эндотермической реакции (при температуре 2500 °C) требуется большое количество энергии.
Углеродные дуговые фонари были первыми электрическими лампами. Они использовались для уличных фонарей в 19 веке и для специализированных целей, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы ; Ксеноновые дуговые лампы используются в кинопроекторах и театральных прожекторах.
В основе взрывающихся детонаторов лежит образование интенсивной электрической дуги, похожей на небольшую дуговую вспышку .
Электрические дуги изучались для электродвижения космических кораблей.
Их используют в лабораториях спектроскопии для создания спектральных излучений путем интенсивного нагрева образца вещества .
Дуга до сих пор используется в распределительных устройствах высокого напряжения для защиты сетей передачи сверхвысокого напряжения . Для защиты устройства (например, последовательного конденсатора в линии передачи) от перенапряжения параллельно устройству подключают дугоиндуцирующее устройство, так называемый искровой разрядник . Как только напряжение достигает порога пробоя воздуха, на свече зажигания загорается дуга и замыкает накоротко выводы блока, защищая его таким образом от перенапряжения. Для повторной установки блока необходимо погасить дугу, этого можно добиться несколькими способами. Например, разрядник можно оборудовать « лестницей Иакова » — двумя проводами, примерно вертикальными, но постепенно расходящимися друг от друга к вершине в виде узкой V- образной формы, названной в честь Лестницы Иакова , ведущей на небеса , как описано в Библии. После зажигания дуга будет двигаться вверх по проводам и разрушится, когда расстояние между проводами станет слишком большим. Если дуга погасла и исходное условие запуска больше не существует (неисправность устранена или включен обходной переключатель), дуга не зажжется повторно. Дугу также можно разорвать струей сжатого воздуха или другого газа.
Нежелательная дуга может возникнуть и при размыкании высоковольтного выключателя и ее гашении аналогичными способами. В современных устройствах гексафторид серы используется под высоким давлением в потоке сопла между отдельными электродами внутри сосуда под давлением. Ток дуги прерывается в тот момент в пределах цикла переменного тока, когда ток достигает нуля и сильно электроотрицательные ионы SF6 быстро поглощают свободные электроны из распадающейся плазмы. Технология SF6 в основном вытеснила аналогичную воздушную технологию, поскольку для предотвращения повторного зажигания дуги внутри выключателя требовалось множество шумных последовательно соединенных продувочных устройств.
Лестница Якоба (более формально — бегущая дуга высокого напряжения ) — устройство для создания непрерывной цепочки электрических дуг, поднимающихся вверх. Как и в цепи защиты, разрядник образован двумя проводами, расходящимися вверху.
Когда к зазору прикладывается высокое напряжение, в нижней части проводов, где они расположены ближе всего друг к другу, образуется искра, быстро превращающаяся в электрическую дугу. Воздух распадается при напряжении около 30 кВ/см [13] в зависимости от влажности, температуры и т. д. Если не считать падения напряжения на аноде и катоде, дуга ведет себя почти как короткое замыкание , потребляя столько тока, сколько может обеспечить источник электропитания. , а большая нагрузка резко снижает напряжение на промежутке.
Нагретый ионизированный воздух поднимается вверх, увлекая за собой путь тока. По мере того, как след ионизации становится длиннее, он становится все более нестабильным и, наконец, разрывается. Затем напряжение на электродах возрастает, и искра вновь формируется в нижней части устройства.
Этот цикл приводит к экзотическому на вид отображению электрических белых, желтых, синих или фиолетовых дуг, которое часто можно увидеть в фильмах о безумных ученых . Это устройство было основным продуктом в школах и на научных ярмарках 1950-х и 1960-х годов, обычно оно изготавливалось из искровой катушки модели Т или любого другого источника высокого напряжения в диапазоне 10 000–30 000 вольт, такого как трансформатор неоновой вывески (5–30 000 В). 15 кВ) или схему телевизионного кинескопа ( обратноходовой трансформатор ) (10–28 кВ), а также две вешалки или штанги, встроенные в V- образную форму. Для более крупных лестниц обычно используются трансформаторы микроволновых печей , соединенные последовательно, умножители напряжения [14] [15] и трансформаторы полюсов (полюсные скребки), работающие в обратном направлении (повышающие).
СМИ, связанные с лестницей Иакова, на Викискладе?
Ученые открыли метод управления траекторией дуги между двумя электродами, направляя лазерные лучи на газ между электродами. Газ превращается в плазму и направляет дугу. Построив плазменный путь между электродами с помощью различных лазерных лучей, дугу можно сформировать изогнутыми и S-образными дорожками. Дуга также может столкнуться с препятствием и измениться по другую сторону препятствия. Технология дуги с лазерным наведением может быть полезна в приложениях, позволяющих доставлять электрическую искру в точное место. [16] [17]
Нежелательное или непреднамеренное возникновение электрической дуги может оказать вредное воздействие на системы передачи , распределения электроэнергии и электронное оборудование. К устройствам, которые могут вызвать искрение, относятся переключатели, автоматические выключатели, контакты реле, предохранители и плохие кабельные заделки. При выключении индуктивной цепи ток не может мгновенно скакнуть до нуля: на разделяющих контактах образуется переходная дуга. Коммутационные устройства, подверженные образованию дуги, обычно предназначены для сдерживания и гашения дуги, а демпфирующие цепи могут обеспечивать путь для переходных токов, предотвращая образование дуги. Если в цепи имеется достаточный ток и напряжение для поддержания дуги, образующейся вне коммутационного устройства, дуга может привести к повреждению оборудования, например, к плавлению проводников, разрушению изоляции и возгоранию. 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 контактные дугогасители [18] и RC-гасители , или с помощью методов, включающих:
Дуга также может возникнуть, когда между местами с разным напряжением образуется канал с низким сопротивлением (посторонний предмет, проводящая пыль , влага...). Тогда проводящий канал может способствовать образованию электрической дуги. Ионизированный воздух имеет высокую электропроводность, приближающуюся к металлической, и может проводить очень большие токи, вызывая короткое замыкание и срабатывание защитных устройств ( предохранителей и автоматических выключателей ). Похожая ситуация может возникнуть, когда перегорает лампочка и фрагменты нити накала тянут электрическую дугу между выводами внутри лампочки, что приводит к перегрузке по току, отключающей прерыватели.
Электрическая дуга над поверхностью пластмасс вызывает их деградацию. На пути дуги имеет тенденцию образовываться проводящая дорожка, богатая углеродом, называемая «углеродной дорожкой», что отрицательно влияет на их изоляционные свойства. Восприимчивость к дуге, или «трековое сопротивление», проверяется в соответствии с ASTM D495 с помощью точечных электродов, а также непрерывной и прерывистой дуги; он измеряется в секундах, необходимых для формирования проводящей дорожки в условиях высокого напряжения и слабого тока. [19] Некоторые материалы менее подвержены разложению, чем другие. Например, политетрафторэтилен имеет дугостойкость около 200 секунд (3,3 минуты). Из термореактивных пластмасс алкидные и меламиновые смолы превосходят фенольные смолы . Полиэтилены имеют дугостойкость около 150 секунд; полистиролы и поливинилхлориды имеют сравнительно низкую стойкость – около 70 секунд. Пластмассы могут быть изготовлены так, чтобы выделять газы с дугогасящими свойствами; они известны как дугогасящие пластмассы . [20]
Возникновение дуги на некоторых типах печатных плат , возможно, из-за трещин дорожек или разрушения паяного соединения, делает пораженный изолирующий слой проводящим, поскольку диэлектрик сгорает из -за высоких температур. Эта проводимость продлевает искрение из-за каскадного разрушения поверхности.
Подавление дуги — это метод попытки уменьшить или устранить электрическую дугу. Существует несколько возможных областей использования методов гашения дуги, среди них нанесение и напыление металлической пленки , защита от вспышки дуги , электростатические процессы, в которых нежелательны электрические дуги (например, порошковая покраска , очистка воздуха , покрытие пленкой ПВДФ ) и подавление дуги при контактном токе. . В промышленной, военной и бытовой электронике последний метод обычно применяется к таким устройствам, как электромеханические силовые переключатели, реле и контакторы. В этом контексте для подавления дуги используется контактная защита .
Часть энергии электрической дуги образует из воздуха, окружающего дугу, новые химические соединения: к ним относятся оксиды азота и озона , второй из которых можно обнаружить по характерному резкому запаху. Эти химические вещества могут выделяться мощными контактами в реле и коммутаторах двигателей, и они вызывают коррозию близлежащих металлических поверхностей. Дугообразование также разрушает поверхности контактов, изнашивая их и создавая высокое контактное сопротивление в закрытом состоянии. [21]
Воздействие устройства, генерирующего дугу, может представлять опасность для здоровья. Дуга, образующаяся в воздухе, ионизирует кислород и азот, которые затем могут преобразоваться в химически активные молекулы, такие как озон и оксид азота . Эти продукты могут повредить слизистые оболочки . Растения также подвержены отравлению озоном. Эти опасности наиболее велики, когда дуга непрерывна и находится в замкнутом пространстве, например в комнате. Дуга, возникающая снаружи, представляет меньшую опасность, поскольку нагретые ионизированные газы поднимаются в воздух и рассеиваются в атмосфере. Искровые разрядники, которые лишь периодически производят короткие искровые вспышки, 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 производить значительное количество ультрафиолетового излучения, которое повреждает роговицу наблюдателя . Эти дуги следует наблюдать только через специальные темные фильтры, которые уменьшают интенсивность дуги и защищают глаза наблюдателя от ультрафиолетовых лучей.