Електрическа дъга и нейните характеристики

Електрическа дъга — преминаването на електричество през газ между два електрода, единият от които е източник на електрони (катод). Електродът е проводник, който завършва в който и да е участък от електрическа верига.

Електроните, излъчвани от катода в големи количества, предизвикват силна йонизация на газа между електродите и по този начин правят възможно да тече голям ток между електродите.

Характерна особеност на електрическата дъга, за разлика от конвенционалния разряд на газ, е, че тя може да гори при ниско напрежение.

Електрическата дъга е открита от физик от Санкт Петербург В. В. Петров през 1802 г. и получава важни приложения в технологиите.

Електрическа дъга е вид разряд, характеризиращ се с висока плътност на тока, висока температура, повишено налягане на газа и нисък спад на напрежението през пролуката на дъгата. В този случай се осъществява интензивно нагряване на електродите (контактите), върху което се образуват т. Нар. Катодни и анодни петна. Катодното сияние е концентрирано в малко светло петно, нажежаемата част на противоположния електрод образува анодното петно.

В дъгата могат да се отбележат три области, които са много различни по естеството на протичащите в тях процеси. Директно към отрицателния електрод (катод) на дъгата е областта на спада на напрежението на катода. Следва цевта от плазмена дъга. Директно към положителния електрод (анод) е областта на спада на анодното напрежение. Тези области са показани схематично на фиг. 1.

Ориз. 1. Структурата на електрическата дъга

Размерите на областите на катодно и анодно падане на напрежението на фигурата са силно преувеличени. В действителност дължината им е много малка.Например, дължината на катодното спадане на напрежението е от порядъка на пътя на свободното движение на електрон (по -малко от 1 микрона). Дължината на областта на спада на анодното напрежение обикновено е малко по -голяма от тази стойност.

При нормални условия въздухът е добър изолатор. И така, напрежението, необходимо за разрушаването на въздушна междина от 1 cm, е 30 kV. За да стане въздушната междина проводник, е необходимо да се създаде определена концентрация на заредени частици (електрони и йони) в нея.

Как възниква електрическа дъга

Електрическата дъга, която представлява поток от заредени частици, в началния момент на разминаване на контакта възниква в резултат на наличието на свободни електрони в газа на дъговата междина и електрони, излъчвани от повърхността на катода. Свободните електрони в пролуката между контактите се движат с висока скорост по посока от катода към анода под действието на силите на електрическото поле.

Силата на полето в началото на разминаването на контактите може да достигне няколко хиляди киловолта на сантиметър. Под действието на силите на това поле електроните се изтеглят от повърхността на катода и се придвижват към анода, като избиват електрони от него, които образуват електронен облак. Първоначалният поток от електрони, създаден по този начин, допълнително формира интензивна йонизация на дъговата междина.

Наред с процесите на йонизация, процесите на дейонизация протичат паралелно и непрекъснато в дъгата. Процесите на дейонизация се състоят в това, че когато два йона с различни знаци или положителен йон и електрон се приближат един към друг, те се привличат и, сблъсквайки се, се неутрализират, освен това заредените частици се движат от горящата зона на душите с по -висока концентрация на заряди в околната среда с по -ниска концентрация на заряди. Всички тези фактори водят до намаляване на температурата на дъгата, до нейното охлаждане и изчезване.

Ориз. 2. Електрическа дъга

Дъга след запалване

В режим на стационарно изгаряне в него процесите на йонизация и дейонизация са в равновесие.Дъговата цев с равно количество свободни положителни и отрицателни заряди се характеризира с висока степен на йонизация на газ.

Вещество, чиято степен на йонизация е близка до единица, т.е. в която няма неутрални атоми и молекули се нарича плазма.

Електрическата дъга се характеризира със следните характеристики:

1. Ясно очертана граница между дъговия вал и околната среда.

2. Високата температура вътре в цевта на дъгата, достигаща 6000 — 25000K.

3. Висока плътност на тока и дъгова цев (100 — 1000 A / mm2).

4. Малки стойности на анодното и катодното спадане на напрежението и практически не зависи от тока (10 — 20 V).

Характеристика на токово напрежение на електрическа дъга

Основната характеристика на DC дъга е зависимостта на напрежението на дъгата от тока, който се нарича характеристика ток-напрежение (VAC).

Дъгата възниква между контактите при определено напрежение (фиг. 3), наречено напрежение на запалването Uz и в зависимост от разстоянието между контактите, от температурата и налягането на средата и от скоростта на разминаване на контактите. Напрежение за гасене на дъга Ug винаги по -малко стрес Uз.

Ориз. 3. Характеристика на токово напрежение на DC дъга (а) и нейната еквивалентна верига (б)

Крива 1 е статичната характеристика на дъгата, т.е. получени при бавна промяна на тока. Характеристиката има падащ характер. С увеличаването на тока напрежението в дъгата намалява. Това означава, че съпротивлението на дъговата междина намалява по -бързо, чийто ток се увеличава.

Ако при една или друга скорост токът в дъгата се намали от I1 до нула и в същото време фиксирайте спада на напрежението по дъгата, тогава ще се получат криви 2 и 3. Тези криви се наричат динамични характеристики.

Колкото по -бързо се намалява токът, толкова по -ниски ще бъдат динамичните I — V характеристики. Това се дължи на факта, че с намаляване на тока такива параметри на дъгата като напречното сечение на цевта, температурата, нямат време да се променят бързо и да придобият стойности, съответстващи на по-ниска стойност на тока в стабилно състояние.

Спад на напрежението на дъговата междина:

Ud = Uс + EdId,

където Us = Uдо + Uа — спад на напрежението близо до електрода, Ed — надлъжен градиент на напрежение в дъгата, Документ за самоличност — дължината на дъгата.

От формулата следва, че с увеличаване на дължината на дъгата, спадът на напрежението върху дъгата ще се увеличи и I — V характеристиката ще бъде разположена по -високо.

Те се борят с електрическа дъга при проектирането на електрически комутационни устройства. Свойствата на електрическата дъга се използват в инсталации за електродъгово заваряване и в пещи за дъгова топене.