Электрическая дуга

Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) — вид электрического разряда в газе, возникающий за счёт явления эмиссии электронов с разогретого катода.

Электрическая дуга в воздухе (лестница Иакова, трансформатор на 2кВ 0,5А)

Впервые описана в 1801 (?) году британским ученым сэром Гемфри Дэви в «Журнале натурфилософии, химии и искусств» (Journal of Natural Philosophy, Chemistry, and the Arts) (нет ссылки на источник) и продемонстрирована им на заседании Королевского научного общества, а в 1802 году — русским учёным В. Петровым в книге с характерным названием «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Физические явления

править
 
Строение электрической дуги при дуговой сварке. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

Электрическая дуга образуется за счёт термоэлектронной эмиссии носителей заряда под действием высокой температуры катода. Благодаря этому, в отличие от прочих видов разряда, дуга имеет низкое падение напряжения в прикатодных областях — до 5-15В. При горении дуги ионизированный газ, ускоренный электрическим полем, падает на катод, отдавая ему часть энергии и нагревая его. Анод при горении дуги также нагревается за счёт притягивающихся к нему электронов, поступающих из положительного столба.

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине[1].

Применение

править

Электрическая дуга, как мощный и концентрированный источник тепла, используется при электродуговой сварке и плазменной резке металлов, для выплавки стали в дуговых печах, инициировании взрывчатого вещества в электродетонаторах. Также дуга может быть использована для нагрева рабочего тела в электроракетных двигателях.

Совместное действие нагрева от дуги и ударных волн, возникающих при схлопывании дугового канала, используется при электроэрозионной обработки. Объёмные пульсации плазменного канала высокочастотной дуги используется для звуковоспроизведения в ионофонах.

Яркое излучение дуги используется для освещения и облучения ультрафиолетом. Дуговыми были первые серийные источники электрического света — свечи Яблочкова. Определённое распространение получили мощные источники света на основе электрической дуги — дуговые электролампы. В зависимости от состава среды в которой горит дуга, такие лампы могут быть как прямого излучения (газосветные лампы -ксеноновая дуговая лампа, угольная дуговая лампа, натриевая газоразрядная лампа, металлогалогенная лампа, кварцевая и бактерицидная лампы), так и косвенного, с помощью люминофоров — ртутная газоразрядная лампа (люминесцентная), лампа Вуда.

Влияние на состав плазмы дугу материала электродов используют в вакуумно-дуговом нанесении покрытий и в спектроскопии, например, в стилоскопах, для получения спектра излучения исследуемого образца.

Особенности физики зажигания дуги (необходимость катодного пятна) используют в ртутных выпрямителях.

Иногда используется свойство нелинейной вольт-амперной характеристики дуги (см. автомат гашения поля, разрядники).

Борьба с электрической дугой

править

В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это, в первую очередь, контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электроприводе: высоковольтные выключатели, автоматические выключатели, контакторы, секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами, между размыкающимися контактами возникает дуга. Также дуговой пробой, в том числе в квартирной проводке, приводит к возникновению пожара.

Механизм возникновения дуги в данном случае следующий:

  • Уменьшение контактного давления — количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;
  • Начало расхождения контактов — образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
  • Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;
  • Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);
  • Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.

Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги, теплота выделяющаяся в ней будет равномерно распределяться по телу контакта).

Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой:

  • охлаждение дуги потоком охлаждающей среды — жидкости (масляный выключатель); газа — (воздушный выключатель, автогазовый выключатель, масляный выключатель, элегазовый выключатель), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение;
  • использование дугогасящей способности вакуума — известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель.
  • использование более дугостойкого материала контактов;
  • применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации;
  • применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель, электромагнитный выключатель). Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге — это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка — фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги).
  • использование дугогасительных камер — попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.
  • использование «магнитного дутья» — поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного распределения тепла по контакту, так и для загона её в дугогасительную камеру или решётку. В некоторых конструкциях выключателей создаётся радиальное магнитное поле, придающее дуге вращательный момент.
  • шунтирование контактов в момент размыкания силовым полупроводниковым ключом тиристором или симистором, включеным параллельно контактам, после размыкания контактов полупроводниковый ключ отключается в момент перехода напряжения через ноль (гибридный контактор, тирикон).
  • В квартирных однофазных проводках применяется УЗДП - устройство защиты от дугового пробоя. Устройство является электронным прибором на основе микроконтроллера, обнаруживает характерные для дугового пробоя пульсации тока, не относящиеся к гармоникам. При этом УЗДП не должно спрабатывать при похожих пульсациях, создаваемых например коллекторными двигателями пылесосов, соковыжималок, блендеров, миксеров, электродрели или перфоратора, углошлифовальной машины

Воздействие на организм человека

править

Электрическая дуга создает сильное излучение в широком диапазоне волн. При горении в воздухе около 70 % энергии излучения приходится на ультрафиолет, 15 % — на видимое излучение и 15 % — на инфракрасное[2]. Воздействие на глаза может привести к электроофтальмии, а на кожу — к ожогам. Для защиты глаз и лица сварщики используют специальные сварочные маски с тёмным светофильтром. Для защиты тела — термостойкую спецодежду.

Учитывая то, что дуговой разряд по сути является открытым проводником, то прямое воздействие дуги на человека приведет к электротравме.

Примечания

править
  1. [1] Архивная копия от 18 августа 2016 на Wayback Machine Электрогазосварщик
  2. Излучение сварочной дуги. Дата обращения: 21 августа 2020. Архивировано 25 сентября 2020 года.

Литература

править
  • Дуга электрическая — статья из Большой советской энциклопедии
  • Искровой разряд — статья из Большой советской энциклопедии
  • Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3.
  • Родштейн Л. А. Электрические аппараты. — Л., 1981.
  • Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milián, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, François (2015-06-01). «Laser-assisted guiding of electric discharges around objects». Science Advances 1 (5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375—2548.

Ссылки

править