Электрическая дуга — прохождение электричества через газ между двумя электродами, один из которых является источником электронов (катодом). Электрод — проводник, которым заканчивается какой-либо участок электрической цепи.
Электроны, испускаемые катодом в большом количестве, вызывают сильную ионизацию газа между электродами и тем самым делают возможным прохождение тока большой силы между электродами.
Характерной особенностью электрической дуги в отличие от обычного газового разряда является то, что она может гореть при небольших напряжениях.
Электрическая дуга была открыта петербургским физиком В. В. Петровым в 1802 г. и получила важное применение в технике.
Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.
В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.
Рис. 1. Строение электрической дуги
Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.
В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).
Как возникает электрическая дуга
Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.
Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.
Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.
Рис. 2. Электрическая дуга
Дуга после зажигания
В установившемся режиме горения дут ионизационные и деионизационные процессы в ней находятся в равновесии. Ствол дуги с равным количеством свободных положительных и отрицательных зарядов характеризуется высокой степенью ионизации газа.
Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.
Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:
1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.
2. Высокой температурой внутри ствола дуга, достигающей 6000 - 25000K.
3. Высокой плотностью тока и стволе дуги (100 - 1000 А/мм2).
4. Малыми значениями анодного и катодного падения напряжения и практически не зависит от тока (10 - 20 В).
Вольт-амперная характеристика электрической дуги
Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения Uз.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)
Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.
Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.
Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.
Падение напряжения на дуговом промежутке:
Ud = Uз + EdId,
где Uз = Uк + Uа - околоэлектродное падение напряжения, Ed - продольный градиент напряжения в дуге, Id - дина дуги.
Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.
С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в установках электродуговой сварки и в дуговых плавильных печах.