Вольтова дуга
ВОЛЬТОВА ДУГА — [от соб. им. итальянск. ученого Volta (1745 1827)]. Дугообразная масса пламени, образующаяся между концами двух углей, соединенных с полюсами сильного источника электрического тока. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.… … Словарь иностранных слов русского языка
ВОЛЬТОВА ДУГА — ВОЛЬТОВА ДУГА. см. дуга. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ВОЛЬТОВА ДУГА — ВОЛЬТОВА ДУГА. см. дуга. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ВОЛЬТОВА ДУГА — то же, что электрическая дуга … Большой Энциклопедический словарь
ВОЛЬТОВА ДУГА — (Voltaic arc) светящаяся дуга, образующаяся между электрическими проводниками, раздвинутыми на небольшое расстояние, при прохождении через них электрического тока. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство … Морской словарь
ВОЛЬТОВА ДУГА — см … Большая политехническая энциклопедия
ВОЛЬТОВА ДУГА — устойчивый электр. разряд (прохождение тока) сквозь изолирующую среду, сопровождающийся ярким пламенем с темп рой до 3000°. В. д. возникает обычно между двумя несущими ток проводниками, сближенными до соприкосновения, а затем раздвинутыми на нек… … Технический железнодорожный словарь
вольтова дуга — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN electric arc … Справочник технического переводчика
Вольтова дуга — Электрическая дуга в воздухе Электрическая дуга физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Синонимы: Вольтова дуга, Дуговой разряд. Впервые была описана в 1802 году русским ученым В. В. Петровым. Электрическая дуга является… … Википедия
Вольтова дуга — то же, что электрическая дуга. * * * ВОЛЬТОВА ДУГА ВОЛЬТОВА ДУГА, то же, что электрическая дуга (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА) … Энциклопедический словарь
Вольтова дуга — определение, возникновение и характеристики
Если говорить о характеристиках вольтовой дуги, то стоит упомянуть, что она отличается более низким напряжением, чем тлеющий разряд, и полагается на термоэлектронное излучение электронов от электродов, поддерживающих дугу. В англоязычных странах этот термин считается архаичным и устаревшим.
Методы подавления дуги можно использовать для уменьшения ее продолжительности или вероятности образования.
В конце 1800-х годов вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения применяются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы. Ксеноновые дуговые лампы использовались для кинопроекторов.
Открытие вольтовой дуги
Считается, что это явление впервые было описано сэром Хамфри Дэви в статье 1801 года, опубликованной в Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Уильяма Николсона. Однако явление, описанное Дэви, не было электрической дугой, но лишь искрой. Поздние исследователи писали: «Это, очевидно, описание не дуги, а искры. Суть первой заключается в том, что она должна быть непрерывной, и ее полюса не должны соприкасаться после того, как она возникла. Искра, созданная сэром Хамфри Дэви, была явно не непрерывной, и хотя в течение некоторого времени после контакта с атомами углерода оставалась заряженной, скорее всего не было соединения дуги, которое необходимо для ее классификации как вольтовой».
В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом, передав электрический ток через два соприкасающихся угольных стержня, а затем оттянув их на небольшое расстояние друг от друга. Демонстрация показала «слабую» дугу, с трудом отличимую от устойчивой искры, между точками древесного угля. Научное сообщество предоставило ему более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал возникновение вольтовой дуги в крупных масштабах. Ему также приписывают ее название на английском языке (electric arc). Он назвал ее дугой, потому что она принимает форму восходящего лука, когда расстояние между электродами становится близким. Это связано с проводящими свойствами раскаленного газа.
Как появилась вольтова дуга? Первая непрерывная дуга была зафиксирована независимо в 1802 г. и описана в 1803 г. как «специальная жидкость с электрическими свойствами» русским ученым Василием Петровым, экспериментирующий с медно-цинковой батареей, состоящей из 4200 дисков.
Продолжительность разряда
В практических применениях чаще используется непрерывный режим разряда. Однако импульсный режим также распространен. Его используют при контактной сварке.
Сварка заготовок проводится не сплошным швом, а в нескольких точках. Такое соединение не обеспечивает герметичности, но обладает достаточной прочностью для выполнения тонкостенных конструкций, таких, как корпуса бытовой техники, различных приборов и установок, корпуса автомобилей.
Процесс осуществляется неплавящимся массивным электродом, который с большой силой прижимается к заготовке. Через электрод пропускается кратковременный ток очень большой силы — до нескольких тысяч ампер. В месте контакта металл обеих заготовки расплавляется, а по окончании импульса охлаждается и кристаллизуется как единое целое.
Далее электрод (или заготовка) перемещается вдоль линии шва к новой точке, прижимается к ней и подается новый импульс.
Электроды-ролики для контактной сварки
Существует разновидность такого метода, позволяющая получать и герметичные соединения. Электрод в этом случае выполняется в виде ролика, катящегося по поверхности заготовки. Импульсы подаются с небольшими промежутками, зоны оправления вдоль линии качения частично перекрываются и образуют сплошной материал шва. Такая технология применяется при автоматической сварке трубопроводов.
Дальнейшее изучение
В конце девятнадцатого века вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Тенденция электрических дуг к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей об электричестве, объяснив, что вольтова дуга была результатом контакта кислорода с углеродными стержнями, используемыми для создания дуги.
В 1899 году она была первой женщиной, когда-либо читавшей свой собственный доклад перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее доклад был озаглавлен как «Механизм электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом Института инженеров-электриков. Следующая женщина была принята в институт аж в 1958 году. Айртон подала прошение прочесть доклад перед Королевским научным обществом, но ей не разрешили сделать этого из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри вместо нее в 1901 году.
Литература
- 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 г.
- 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.
Описание
Электрическая дуга представляет собой вид электрического разряда с наибольшей плотностью тока. Максимальная сила тока, проводимого по дуге, ограничена только внешней средой, а не самой дугой.
Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом, когда ток через электроды увеличивается. Пробивное напряжение электродного зазора представляет собой комбинированную функцию давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда начинается дуга, ее напряжение на клеммах намного меньше, чем у тлеющего разряда, а ток выше. Дуга в газах вблизи атмосферного давления характеризуется видимым светом, высокой плотностью тока и высокой температурой. Она отличается от тлеющего разряда примерно одинаковыми эффективными температурами как электронов, так и положительных ионов, и в тлеющем разряде ионы имеют гораздо меньшую тепловую энергию, чем электроны.
Строение
Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:
- катодной;
- анодной;
- плазменного столба.
В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.
На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.
Рис. 4. Строение сварочной дуги
Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.
При сваривании
Вытянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, первоначально находящимися в контакте и разнесенными в процессе эксперимента. Это действие может инициировать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Это способ, которым сварщик начинает сваривать соединение, мгновенно прикасаясь сварочным электродом к предмету.
Другим примером является разделение электрических контактов на переключателях, реле или автоматических выключателях. В высокоэнергетических схемах может потребоваться подавление дуги, чтобы предотвратить повреждение контактов.
Образование сварного шва.
Схема сварочной дуги находится в неразрывной связи с процессом образования сварного шва.
Образование сварочного шва происходит следующим образом:
- Покрытие электрода, сам электрод, а также поверхность металлической заготовки плавятся под воздействием высокой температуры, которой обладает сварочная дуга.
- В том месте, где находится расплавленный металл, появляется сварочная ванна, в которую попадают жидкие частицы расплавленного сварочного электрода.
- В то же время расплавленное покрытие электрода служит основой для образования облака газов, которое надежно защищает поверхность металла от воздействия на нее кислорода и азота из окружающего воздуха (попадание в расплавленный металл этих элементов может привести к уменьшению прочности шва).
- После переноса электрода в другую точку, металл постепенно остывает и затвердевает, образуя сварочный шов, на поверхности которого имеется пленка из шлаков.
Шлаковую пленку с поверхности сварного шва можно будет впоследствии удалить, но в процессе сварки недопустимо попадание шлаков внутрь сварного шва, так как в результате этого шов перестанет быть однородным, в нем появятся поры, а значит, он станет менее прочным и более хрупким. Для того, чтобы избежать этого, поверхность металла перед началом ведения сварки необходимо тщательно очистить от загрязнений и посторонних примесей – например, от ржавчины или окалины. Сделать это можно с помощью металлической щетки или растворителя. А те загрязнения, которые не удаляются привычными способами, можно удалить с помощью пламени горелки, после чего поверхность металла необходимо еще раз очистить металлической щеткой.
Вольтова дуга: характеристики
Электрическое сопротивление вдоль непрерывной дуги создает тепло, которое ионизует больше молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в соответствии с этой последовательностью газ постепенно превращается в тепловую плазму, которая находится в тепловом равновесии, поскольку температура относительно однородно распределяется по всем атомам, молекулам, ионам и электронам. Энергия, передаваемая электронами, быстро диспергируется с более тяжелыми частицами за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и больших чисел.
Ток в дуге поддерживается термоэлектронной и полевой эмиссией электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень малой горячей точке на катоде — порядка миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда, дуга имеет мало различимую структуру, поскольку положительный столбец достаточно яркий и простирается почти до электродов с обоих концов. Падение катода и падение анода в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра каждого электрода. Положительный столбец имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать в очень коротких дугах.
Условия горения
Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.
Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.
Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.
Место среди прочих физических явлений
Различные формы электрических дуг являются возникающими свойствами нелинейных моделей тока и электрического поля. Дуга встречается в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто из вольфрама или углерода), что приводит к возникновению очень высокой температуры, способной плавить или испарять большинство материалов. Электрическая дуга представляет собой непрерывный разряд, в то время как аналогичный электрический искровой разряд является мгновенным. Вольтова дуга может возникать либо в цепях постоянного тока, либо в цепях переменного. В последнем случае она может повторно ударяться о каждом полупериоде возникновения тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока довольно велика, а падение напряжения внутри дуги низкое. На катоде плотность тока может достигать одного мегаампера на квадратный сантиметр.
Причины возникновения
Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:
- наличие разнополярных электродов с большими токами;
- создание искрового разряда;
- поддержание напряжения на электродах;
- обеспечение условий для сохранения температуры ствола.
Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.
При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.
Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.
Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.
Разрушительный потенциал
Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга будет создана (либо путем прогрессирования из тлеющего разряда, либо путем мгновенного касания электродов, а затем разделения их), увеличение тока приводит к более низкому напряжению между дуговыми терминалами. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы какая-то положительная форма импеданса (как электрического балласта) была помещена в цепь для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппарате становятся настолько разрушительными, ведь после своего возникновения дуга будет потреблять все больше тока от источника постоянного напряжения до тех пор, пока устройство не будет уничтожено.
Воздействие на организм человека[править | править код]
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[3]. 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.
Практическое применение
В промышленном масштабе электрические дуги используются для сварки, плазменной резки, механической обработки электрическим разрядом, в качестве дуговой лампы в кинопроекторах и в освещении. Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция получают именно таким образом, поскольку для достижения эндотермической реакции (при температурах 2500 °С) требуется большое количество энергии.
Углеродистые дуговые огни были первыми электрическими огнями. Они использовались для уличных фонарей в XIX веке и для создания специализированных устройств, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы, а ксеноновые дуговые лампы используются для кинопроекторов.
Формирование интенсивной электрической дуги, подобно мелкомасштабной дуговой вспышке, является основой взрывоопасных детонаторов. Когда ученые узнали, что такое вольтова дуга и как ее можно использовать, разнообразие мирового вооружения пополнилось эффективной взрывчаткой.
Основным оставшимся применением является высоковольтное распределительное устройство для сетей передачи. Современные устройства также используют гексафторид серы под высоким давлением.
Электрическая дуга
Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Электрическая дуга первые была описана в 1802 г. русским ученым В. Петровым.
Она является частным случаем 4 й формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа.
Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.
Электрическая дуга между 2 м я электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом.
При увеличении напряжения между двумя электродами до определенного уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой.
Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр.
Зачастую для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу.
Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами.
При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало.
При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем.
Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается еще больше нагревая дугу до 5000–50000 K.
При этом считается, что поджиг дуги завершен.
Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.
При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещенных с дугогасительными камерами.
Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.
Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).
Вольтова дуга
ВОЛЬТОВА ДУГА, дуговой разряд , явление прохождения тока между двумя электродами, помещенными в атмосфере газа или пара, сопровождающееся сильным разогреванием электродов и светом. От других форм газового разряда вольтова дуга отличается сильным нагреванием катода и большой силой тока при малом напряжении на электродах. Дуговые разряды можно разделить на: а) разряд в вакууме (ртутные дуги); в этом случае разряд проходит через пары, образуемые катодом, и заполняет все пространство сосуда; б) разряд в атмосфере газа: ток переносится парами катода, сосредоточенными только в непосредственной близости электродов; в) дуговой разряд в самом газе, наблюдаемый при неиспаряющихся электродах. Типичная вольтова дуга изображена на фиг. 1.
Анод (верхний уголь) имеет углубление (т. н. кратер), сильно накален (в обычных условиях до 3500—4000°) и быстро испаряется, тогда как катод (внизу) имеет более низкую температуру (3100°) и испаряется вдвое медленнее, поэтому и может быть сделан меньшей толщины; иногда замечаются наросты от оседающего на нем вещества анода.
Средняя часть промежутка между электродами, состоящая главным образом из вещества электродов, служит областью прохождения тока; наружная часть – ореол — место химических реакций, происходящих между парами вещества электродов и атмосферой, в которой помещена вольтова дуга. Типичная ртутная дуга изображена на фиг. 2.
Слева — катод, около которого конусообразное сияние, темный промежуток, собственно дуга, второй темный промежуток, поверхностное сияние, анод.
Явления, происходящие в вольтовой дуге, вообще весьма сложны и хорошо разобраны только для ртутной дуги. Для возникновения дуги необходимо довести катод до высокой температуры, благодаря чему из него начинает, как из всякого накаленного катода, выбрасываться мощный поток электронов, ионизующий промежуток между электродами и этим обусловливающий его проводимость. Замечено, что высокая температура катода является непременным условием образования и поддержания вольтовой дуги. Эта высокая температура создается током, проходящим через электроды при их соприкосновении, и затем поддерживается ударами образованных электронным потоком ионов. Поблизости электродов скапливаются по этим причинам свободные объемные заряды, которые обусловливают большое падение потенциала у электродов, а, следовательно, обратную электродвижущую силу.
Характеристика вольтовой дуги, т. е. зависимость напряжения между электродами от силы тока, проходящего через дугу, дана на фиг. 3; она относится к ртутной дуге, лучше изученной, но, в общем, верна и для всякой вольтовой дуги.
Отсюда видим, что для зажигания дуги нужно некоторое минимальное напряжение, называемое напряжением зажигания. Далее, характеристика показывает, что явление распадается на две различные части: при небольших токах оно характеризуется падением напряжения с увеличением тока, при дальнейшем возрастании силы тока переходит в так называемую шипящую дугу, при которой напряжение на электродах не зависит от силы тока. Первоначальная часть явления удовлетворительно описывается уравнением Айртон: V = a/I + b, где V — напряжение, I — сила тока, а и b — постоянные величины, линейно зависящие от расстояния между электродами. Отсюда видим, что при возникновении дуги, с возрастанием в ней силы тока, напряжение на электродах падает, чем вызывается дальнейшее увеличение тока; явление продолжается, пока не будет положен предел падением напряжения на зажимах источника ЭДС или присоединенного к нему добавочного сопротивления; тогда дуга начинает гореть устойчиво. Для этого необходимо, как показал Кауфман, чтобы dV/dI < R (R — сопротивление всех частей цепи за исключением самой дуги). Поэтому для устойчивого горения всякой вольтовой дуги необходимо балластное сопротивление. При фитильных угольных электродах наблюдаются уклонения от формулы Айртон. При повышении давления атмосферы, в которой горит вольтова дуга, чрезвычайно возрастает температура кратера; Люммеру удавалось этим способом доводить его температуру до 6000°, причем уголь плавился. Однако для получения весьма сильных источников света исследования Люммера применения не получили. При увеличении силы тока, питающего дугу, сила света ее увеличивается, но яркость каждой единицы поверхности испускающего свет угля остается неизменной; с повышением силы тока увеличивается только светящаяся поверхность. Бек и Гельгоф достигли, однако, увеличения отдачи света с единицы поверхности до 7 раз, препятствуя разными мерами распространению светящейся поверхности с увеличением силы тока, причем температура кратера превышала 5000°.
Вольтова дуга при переменном токе представляет весьма сложное явление; характеристика вольтовой дуги в этом случае имеет вид, показанный на фиг. 4.
Дуга зажигается в начале каждого полупериода и к концу его гаснет; характеристика при возрастании тока лежит выше, чем при его убывании, т. е. напряжение зажигания выше напряжения угасания, ток идет через дугу и ранее, чем достигнуто напряжение зажигания, т. к. электроды не успевают остыть за время, протекающее от погасания за предыдущий полупериод до нового нарастания напряжения в последующем. Как всякий проводник, имеющий падающую характеристику, вольтова дуга может служить для генерации электрических колебаний.