- Що таке електрична дуга?
- Будова
- Властивості
- Корисне застосування
- Причини виникнення
- Способи гасіння
- Вплив на людину та електрообладнання
- Відео за темою
Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Спостерігати іскрові розряди доводилося кожному, зокрема й людям, далеким від знань у електротехніці. Гігантськими іскровими розрядами супроводжуються грози. Вивільнення величезної енергії, сконцентрованої в електричному розряді блискавки (див. рис. 1), супроводжується сліпучим спалахом розжареного ствола. Одним із видів іскрових розрядів, створених людством, є дуговий розряд, або просто електрична дуга.
Мал. 1. Грозовий розряд
На сьогоднішній день причини виникнення та властивості електричної дуги детально вивчено наукою. Фізики встановили, що у області її горіння виникає величезна концентрація зарядів, які утворюють плазму ствола. Температури стовпа досягає кількох тисяч градусів.
Що таке електрична дуга?
Це загадкове явище вперше описав російський учений В. Петров. Він створював електричну дугу, використовуючи батарею, що складається з тисяч мідних та цинкових пластин. Вивчаючи процес запалювання дуги постійним струмом, учений дійшов висновку, що повітряний проміжок між електродами за певних умов набуває електропровідності.Однією з умов виникнення електричного пробою є досить висока різниця потенціалів на кінцях електродів. Що напруга, то більший газовий проміжок може подолати розряд. При цьому утворюється електропровідний газовий стовп, який сильно розігрівається під час горіння дуги.
Мал. 2. Електрична дуга
Виникає резонне питання: «Чому повітря, яке є відмінним ізолятором у звичайному стані, раптом стає провідником?».
Пояснення може бути лише одне - у стволі дуги утворюються носії зарядів, здатні переміщатися під впливом електричного поля. Оскільки у повітрі, на відміну від металів, немає вільних електронів, то висновок напрошується лише один – іонізація газів (див. рис. 3). Тобто, запуск процесу насичення газу іонами, які є носіями електричного заряду.
Мал. 3. Фізика електричної дуги
Іонізація повітря відбувається під дією різного виду випромінювань, включаючи рентгенівське та космічне опромінення. Тому в повітрі завжди є невелика кількість іонів. Але оскільки іони майже відразу рекомбінуються (перетворюються на нейтральні атоми та молекули), то концентрація заряджених часток завжди мізерна. Отримати спалах дуги при такій концентрації неможливо.
Для виникнення дугового розряду потрібен лавиноподібний процес іонізації. Його можна викликати шляхом сильного нагрівання газу, що відбувається під час запалювання.
При розмиканні контактів відбувається емісія електронів, що накопичуються на дуже маленькому просторі. Під впливом напруженості електричного поля негативні заряди прямують до електрода з позитивним знаком.
При досягненні напруги пробою між електродами виникає іскровий розряд, що розігріває область між електродами. Якщо струм досить великий, то кількість тепла буде достатньо для запуску лавиноподібного процесу іонізації повітря.
На ділянці, яку називають дуговим проміжком, утворюється стовбур, званий стовпом дуги і що складається з гарячої плазми. По цьому стволу протікає струм, що підтримує розігрів плазми. Так відбувається процес запалення дугового розряду.
Насичення плазмового стовбура іонами різних знаків призводить до значного збільшення щільності струму, а також рекомбінації частини іонів. Розігрівання плазми призводить також до збільшення тиску у стовбурі. Тому частина іонів випаровується в навколишній простір.
Якщо не підтримувати утворення нових зарядів, то відбудеться гасіння дуги. Як ми вже з'ясували, стійкому горінню супроводжують два фактори: наявність напруги між електродами та підтримання високої температури плазми. Виняток одного з них призведе до гасіння дуги.
Отже, можемо сформулювати визначення електричної дуги. А саме електрична дуга - це вид іскрового розряду, що супроводжується великою щільністю струму, тривалістю горіння, малим падінням напруги на проміжку стовбура, що характеризується підвищеним тиском газу, в якому підтримується висока температура.
Електрична дуга відрізняється від звичайного розряду більшою тривалістю горіння.
Будова
Електрична дуга складається з трьох основних зон:
- катодної;
- анодної;
- плазмового стовпа.
У зварювальних дугах розміри катодної та анодної зони незначні, порівняно з довжиною стовпа. Товщина цих зон становить тисячні частки міліметра. У зоні катодного падіння напруги (на кінці негативного електрода) спостерігається наявність катодних плям, які утворюються внаслідок сильного нагрівання.
На малюнку 4 зображено схему будови дуги, що створюється зварювальним апаратом.
Мал. 4. Будова зварювальної дуги
Зверніть увагу: з метою досягнення наочності на картинці сильно перебільшені електродні зони. Насправді їх товщина вимірюється в мікронах.
Властивості
Висока щільність струму в стовбурі електричної дуги визначає її основні властивості:
- Надзвичайно високу температуру плазмового стовбура та навколоелектродних зон.
- Тривале горіння, за підтримки умов утворення іонів.
Ці властивості необхідно враховувати як при боротьбі з виникненням електричної дуги, так і при її застосуванні в деяких сферах.
Корисне застосування
Як це не дивно, але фізики знайшли застосування цього електричного явища ще на етапі розвитку науки про електрику. Приклад тому – лампочка Яблочкова. Вона складалася з двох вугільних електродів, між якими запалювалася електрична дуга.У цієї лампи були два недоліки. Електроди швидко зношувалися (вигоряли), а спектр світла зміщувався ультрафіолетову зону, що негативно впливало на зір. З цих причин дугові лампи не знайшли широкого застосування і їх швидко витіснили лампи розжарювання, що існують до сьогоднішнього дня.
Виняток становлять дугорозрядні лампи, а також потужні прожектори, що використовуються переважно у військових цілях. Дугове зварювання застосовують для зварювання металів. (див. рис. 5)
Мал. 5. Дугове зварювання
Використовуючи провідність плазми, включаючи у зварювальний ланцюг спеціальні зварювальні електроди, досягають високої температури у зосередженій плямі. Регулюючи зварювальний струм, зварювальник може налаштувати апарат на необхідну температуру дугового розряду. Для захисту ствола від теплових втрат, металеві електроди покриті спеціальною сумішшю, що забезпечує стабільність горіння.
Електричну дугу застосовують у доменних печах для плавки металів. Дугова плавка зручна тим, що можна регулювати її температуру шляхом зміни параметрів струму.
Поряд з корисним застосуванням, в електротехніці часто доводиться боротися з дуговими розрядами. Неконтрольований дуговий розряд може завдати істотної шкоди на лініях електропередач, у промислових та побутових мережах.
Мал. 6. Дуговий розряд на ЛЕП
Причини виникнення
Виходячи з визначення, можемо назвати умови виникнення електричної дуги:
- наявність різнополярних електродів з великими струмами;
- створення іскрового розряду;
- підтримка напруги на електродах;
- забезпечення умов збереження температури стовбура.
Іскровий розряд виникає у двох випадках: при короткочасному зіткненні електродів або при наближенні до параметрів пробою. Потужний електричний пробій завжди запалює ствол.
При збереженні оптимальної довжини дуги температура плазми підтримується самостійно. Однак, зі збільшенням проміжку між електродами відбувається інтенсивний теплообмін ствола з навколишнім повітрям. Зрештою, у стовбурі, внаслідок падіння температури, утворення іонів лавиноподібно припиниться, внаслідок чого відбудеться гасіння полум'я.
Пробої часто трапляються на високовольтних ЛЕП. Вони можуть призвести до руйнування ізоляторів та інших негативних наслідків. Довга електрична дуга досить швидко гасне, але за короткий час горіння її руйнівна сила величезна.
Дуга має схильність до освіти при розмиканні контактів. При цьому контакти вимикача швидко вигорають, електричний ланцюг залишається замкнутим до моменту зникнення ствола. Це небезпечно не тільки для мереж, але і для людини.
Способи гасіння
Слід зазначити, що гасіння дуги відбувається і з різних причин. Наприклад, в результаті остигання стовпа, падіння напруги або коли повітря між електродами витісняється сторонніми випарами, що перешкоджають іонізації.
З метою недопущення утворення дуг на високовольтних проводах ЛЕП їх розносять на велику відстань, що виключає ймовірність пробою. Якщо ж пробою між проводами все-таки трапиться, то довгий стовбур швидко охолоне і відбудеться гасіння.
Для охолодження ствола його іноді розбивають на кілька складових. Цей принцип часто використовують у конструкціях повітряних вимикачів, розрахованих на напруги до 1кВ.
Деякі моделі вимикачів складаються з безлічі дугогасних камер, що сприяють швидкому охолодженню.
Швидкої іонізації можна досягти шляхом випаровування деяких матеріалів, що оточують простір рухомих ножів. Випаровування під високим тиском здуває плазму ствола, що призводить до гасіння.
Існують і інші способи: поміщення контактів в олію, автодуття, застосування електромагнітного гасіння та ін.
Вплив на людину та електрообладнання
Електрична дуга становить небезпеку для людини своєю термічною дією, а також ультрафіолетовою дією випромінюючого світла. Велику небезпеку таїть у собі високу напругу змінних струмів. Якщо незахищена людина опиниться на критично близькій відстані від струмопровідних частин приладів, може статися пробою електрики з утворенням дуги.Тоді на тіло, крім впливу струму, вплине термічна складова.
Розповсюдження дугового розряду по конструктивним частинам обладнання загрожує випалюванням електронних елементів, плат та з'єднань.