Elektrický oblouk a jeho vlastnosti
Elektrický oblouk — průchod elektřiny plynem mezi dvěma elektrodami, z nichž jedna je zdrojem elektronů (katoda). Elektroda je drát, který končí v jakékoli části elektrického obvodu.
Elektrony emitované z katody ve velkém množství způsobují silnou ionizaci plynu mezi elektrodami a umožňují tak protékání velkého proudu mezi elektrodami.
Charakteristickým znakem elektrického oblouku na rozdíl od klasického plynového výboje je, že může hořet při nízkém napětí.
Elektrický oblouk objevil fyzik z Petrohradu V. V. Petrov v roce 1802 a našel důležité aplikace v technologii.
Elektrický oblouk je typ výboje charakterizovaný vysokou hustotou proudu, vysokou teplotou, zvýšeným tlakem plynu a nízkým poklesem napětí v obloukové mezeře. V tomto případě probíhá intenzivní ohřev elektrod (kontaktů), na kterých se tvoří tzv. Katodické a anodické skvrny. Katodová záře je soustředěna do malého světlého bodu, žhavící část protilehlé elektrody tvoří anodový bod.
V duze lze zaznamenat tři oblasti, které se velmi liší povahou procesů v nich probíhajících. Přímo k záporné elektrodě (katodě) oblouku je oblast poklesu napětí katody. Další je hlaveň plazmového oblouku. Přímo ke kladné elektrodě (anodě) je oblast anodického poklesu napětí. Tyto oblasti jsou schematicky znázorněny na Obr. 1.
Rýže. 1. Struktura elektrického oblouku
Velikosti katodických a anodických oblastí poklesu napětí na obrázku jsou značně přehnané. Ve skutečnosti je jejich délka velmi malá, např. délka katodického poklesu napětí je řádově jako dráha volného pohybu elektronu (méně než 1 mikron). Délka oblasti poklesu anodového napětí je obvykle o něco větší než tato hodnota.
Za normálních podmínek je vzduch dobrým izolantem. Takže napětí potřebné k prolomení vzduchové mezery 1 cm je 30 kV. Aby se vzduchová mezera stala vodičem, je nutné v ní vytvořit určitou koncentraci nabitých částic (elektronů a iontů).
Jak vzniká elektrický oblouk
Elektrický oblouk, což je proud nabitých částic, vzniká v počátečním okamžiku oddělení kontaktu v důsledku přítomnosti volných elektronů v plynu obloukové mezery a elektronů emitovaných z povrchu katody. Volné elektrony v mezeře mezi kontakty se působením sil elektrického pole pohybují vysokou rychlostí ve směru od katody k anodě.
Síla pole na začátku kontaktní mezery může dosahovat několika tisíc kilovoltů na centimetr.Působením sil tohoto pole se elektrony odtahují z povrchu katody a pohybují se k anodě a vyrážejí z ní elektrony, které tvoří elektronový mrak. Takto vytvořený počáteční tok elektronů dále tvoří intenzivní ionizaci obloukové mezery.
Spolu s ionizačními procesy probíhají v oblouku paralelně a nepřetržitě i deionizační procesy. Procesy deionizace spočívají v tom, že když se k sobě přiblíží dva ionty různých znaků nebo kladný iont a elektron, přitahují se a při srážce se neutralizují, navíc se nabité částice pohybují z hořící zóny duší s více - vysoká koncentrace nábojů v prostředí s nižší koncentrací nábojů. Všechny tyto faktory vedou ke snížení teploty oblouku, k jeho ochlazení a zániku.
Rýže. 2. Elektrický oblouk
Oblouk po zapálení
V režimu stacionárního spalování jsou procesy ionizace a deionizace v rovnováze Oblouková hlaveň se stejným množstvím volných kladných a záporných nábojů se vyznačuje vysokým stupněm ionizace plynu.
Látka, jejíž stupeň ionizace se blíží jednotce, tzn. ve kterém nejsou neutrální atomy a molekuly se nazývá plazma.
Elektrický oblouk se vyznačuje následujícími vlastnostmi:
1. Jasně definovaná hranice mezi obloukovým hřídelem a okolím.
2. Vysoká teplota uvnitř válce oblouku dosahující 6000 – 25000 K.
3. Vysoká proudová hustota a oblouková trubice (100 — 1000 A / mm2).
4. Malé hodnoty anodického a katodického úbytku napětí a prakticky nezávisí na proudu (10 — 20 V).
Proudově-napěťová charakteristika elektrického oblouku
Hlavní charakteristikou stejnosměrného oblouku je závislost napětí oblouku na proudu, která se nazývá charakteristika proudového napětí (VAC).
Oblouk vzniká mezi kontakty při určitém napětí (obr. 3), nazývaném zapalovací napětí Uz a v závislosti na vzdálenosti mezi kontakty, teplotě a tlaku prostředí a rychlosti oddělení kontaktů. Napětí zhášení oblouku Ug vždy menší napětí U3.
Rýže. 3. Proudově-napěťová charakteristika stejnosměrného oblouku (a) a jeho ekvivalentního obvodu (b)
Křivka 1 je statická charakteristika oblouku, tzn. získáme pomalou změnou proudu. Charakteristika má pádový charakter. Jak se proud zvyšuje, napětí oblouku klesá. To znamená, že odpor obloukové mezery klesá rychleji s rostoucím proudem.
Pokud se při té či oné rychlosti sníží proud v oblouku z I1 na nulu a zároveň se zafixuje pokles napětí podél oblouku, vzniknou křivky 2 a 3. Tyto křivky se nazývají dynamické charakteristiky.
Čím rychleji je proud redukován, tím nižší budou dynamické I-V charakteristiky. To je způsobeno skutečností, že s poklesem proudu se takové parametry oblouku, jako je průřez hlavně, teplota, nemají čas rychle měnit a získávat hodnoty odpovídající nižší hodnotě proudu v ustálený stav.
Pokles napětí obloukové mezery:
Ud = Usc + EdId,
kde Us = Udo + Ua — pokles napětí v blízkosti elektrody, Ed — podélný gradient napětí v oblouku, ID — délka oblouku.
Ze vzorce vyplývá, že s rostoucí délkou oblouku se bude úbytek napětí na oblouku zvyšovat a charakteristika I — V bude umístěna výše.
Zabývají se jiskřením při návrhu elektrických spínacích zařízení. Vlastnosti elektrického oblouku se využívají v zařízení pro svařování elektrickým obloukem a dovnitř obloukové tavicí pece.