Электрическая дуга это один из видов газового разряда получить ее можно следующим образом в штативе
Обновлено: 01.05.2024
Если после зажигания искового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (см. приложение 1.5). При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую проводимость.
Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения, минуя стадию искры. Профессор физики Петербургской медико-хирургической академии В.В.Петров, открывший в 1802 г. эту важную форму газового разряда, получил электрическую дугу, раздвигая два кусочка древесного угля, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединённые к мощной батарее гальванических элементов. Он обнаружил, что при этом между концами углей возникает ярко светящийся столб газа, а сами угли раскаляются до ослепительного свечения.
Что же является основной причиной большой электропроводности газа в дуговом разряде? Установлено, что хорошая электропроводность дуги поддерживается за счет высокой температуры отрицательного электрода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии. Это хорошо подтверждается тем фактом, что во многих случаях устойчивую дугу можно получить только при условии, что катод имеет высокую температуру, температура же анода не имеет существенного значения. Так, например, если одним из электродов дуги сделать угольный стержень, а другим - массивную, хорошо охлаждающуюся медную пластину и перемещать угольный стержень возле пластины (чтобы она не могла разогреться), то устойчивая дуга возникает только при отрицательном угле. Если же отрицательным полюсом служит пластина, то дуга периодически зажигается и снова гаснет, а получить её устойчивое горение нельзя. Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падение потенциала.
Наряду с рассмотренными выше термоэлектронными дугами наблюдаются и дуговые разряды при сравнительно низкой температуре катода (например, в ртутной дуговой лампе).
Многочисленные исследования электрических дуг с холодными электродами показывают, что источником мощной электронной эмиссии с катода является небольшое, ярко светящееся и непрерывно движущееся пятнышко на катоде, всегда возникающее в подобных дугах (катодное пятно). Плотность тока в катодном пятне огромна и может достигать 10 10 -10 11 А/м 2 . Причина образования катодного пятна заключается в сильном увеличении концентрации положительных ионов у катода, которое создает очень сильное местное электрическое поле, вызывающее мощную автоэлектронную эмиссию. Поэтому электрические дуги с холодными катодами иногда называют автоэлектронными дугами. Катодное пятно может возникнуть не только у поверхности ртути, но и у любого металлического твердого электрода.
Вследствие высокой температуры электроды дуги испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Электрическая дуга широко применяется в проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания.
В качестве источников света употребляют также дуговые лампы высокого давления. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.
В 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла. Разряд между неподвижным угольным электродом и металлом нагревает место соединения двух металлических листов (или пластин) и сваривает их. Этот же метод Бенардос применил для резания металлических пластин и получения в них отверстий. В 1888 году Н. Г. Славянов усовершенствовал этот метод сварки, заменив угольный электрод металлическим. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для устройства дуговой печи. В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы, получения карбида кальция, окиси азота и т.д.
Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.
Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.
С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.
Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.
Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.
В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы - к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и "выбивают" из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.
Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.
Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.
Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).
Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).
В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).
При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.
Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.
Строение дуги
Lк - катодная область; Lа - анодная область (Lа = Lк = 10 -5 -10 -3 см); Lст - столб дуги; Lд - длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст
К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).
Влияние на дугу магнитных полей
При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:
- столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения;
- дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
- изменяется звук горения дуги - появляются хлопки.
Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.
Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.
В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.
Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.
Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.
Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:
- выполнением сварки короткой дугой;
- наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
- подведением токоподвода ближе к дуге.
Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.
Электрическая дуга- разновидность самостоятельного разряда, в котором разрядные явления сосредоточены в узком ярко светящемся плазменном шнуре. При горизонтальном расположении электродов этот шнур под действием восходящего потока нагретого разрядом газа принимает форму дуги.
проволока на конце сгорала, поджигая дугу. Дуга горела, постепенно съедая электроды и разделительный гипсовый слой.
При отключении от источника, свеча гасла, и её нельзя было запустить снова, так как никакого контакта между электродами уже не было. Необходимо было заменить свечу новой. Преимуществом конструкции было отсутствие необходимости в механизме, поддерживающем между электродами нужное для горения дуги расстояние. Электродов хватало примерно на 2 часа. Впервые свеча была продемонстрирована в качестве уличного и театрального осветителей на Всемирной выставке в Париже в 1878 году.
Электрическая дуга применяется в металлургии для получения чистых и тугоплавких металлов, в современных уличных фонарях. Особенно широко она используется в электросварке металлов. Технология электросварки была изобретена в России в 1881 году Н.Н. Бенардосом. В некоторых областях техники, например, в устройствах разрыва электрических цепей, с возникающим в них дуговым разрядом приходится бороться.
Демонстрируют дуговой разряд с помощью прибора, основой которого является установленный на шасси червячный механизм перемещения электродов (рис. 51). Ток на угольные
Рис. 50. Почтовая марка к юбилею изобретения электросварки
электроды подают от промышленно-бытовой сети переменного тока (220 В, 50 Гц) через реостат сопротивлением порядка 15-30 Ом.
Для зажигания дуги вращением рукоятки червячного механизма электроды сближают до соприкосновения. В момент
Рис. 51. Прибор для демонстрации дугового разряда
соприкосновения электродов цепь замыкается, и по ней течет ток, вызывающий разогрев места контакта электродов и появление в этом месте ослепительно яркого бело-голубого свечения. Через пару секунд электроды разогреваются достаточно сильно, и их плавно разводят в стороны. Самостоятельный разряд обеспечивается благодаря высокой температуре плазменного шнура. Оптимальное удаление между концами электродов составляет полтора-два сантиметра. Горение плазмы сопровождается характерным гулом и шипением.
Показывать это свечение следует не дольше 5-7 секунд, поскольку в нем присутствует мощный поток ультрафиолетового излучения, неблагоприятно действующего на глаза. Поэтому после зажигания дуги демонстратору следует заслонить свои глаза ладонью. Также надо помнить, что токонесущие детали прибора оголены и потому случайные прикосновения к ним могут вызвать поражение электрическим током.
Чтобы детально рассмотреть структуру и конфигурацию плазменного шнура надо надеть на механизм привода электродов светонепроницаемый металлический кожух с боковым окном напротив рабочих концов электродов. Увеличенное и динамичное изображение дуги (рис. 52) проецируют на большой настенный экран с помощью линзы (объектива) и оборотной призмы.
Рис. 52. Фотография дугового разряда
Весьма эффектна электрическая дуга в воде. Стабильный дуговой разряд в воде (в том числе и в морской воде) возможен лишь при наличии специального оборудования, обеспечивающего надежную электроизоляцию и устойчивость газового пузыря в окрестности плазмы. Последнее достигается тем, что электроды для подводной сварки имеют оболочку, которая из-за охлаждения ее водой плавится позже находящегося под ней токопроводящего стержня. В результате на конце электрода образуется своеобразный козырек, удерживающий газовый пузырь в месте сварки.
Поскольку применяемые в предыдущих опытах угольные электроды не приспособлены для работы в водной среде, то получить с их помощью стабильно горящую в воде дугу невозможно. Однако начальную ее стадию с ярким свечением воспроизвести несложно.
В электроизолированной лапке лабораторного штатива зажимают угольный электрод длиной 25-30 см, наклонив вниз его рабочий конец. Второй такой же электрод крепят аналогично в другом штативе. К верхним концам электродов крепят токонесущие провода, подключаемые через реостат сопротивлением 15-30 Ом к сети переменного тока 220 В. Рабочие концы электродов погружают в прозрачную прямоугольную кювету с водой, взятой из водопровода.
Перемещая один из штативов, касаются установленным в нем электродом конца другого электрода. В месте контакта возникает яркое свечение, прекращающееся через пару секунд. Для продолжительной же демонстрации надо постоянно слегка шевелить перемещаемый штатив, обеспечивая тем самым трение концов электродов друг о друга. В результате, благодаря шероховатости и пористости электродов, достигаются условия, необходимые для зажиганий дуги.
Электрическая дуга – это физическое явление, являющееся разновидностью электрического разряда в пространстве, заполненном газом. Ее еще называют дуговым разрядом или вольтовой дугой.
Электрическая дуга была описана в 1802 году знаменитым русским ученым, физиком Василием Петровым. Он объяснил, в том числе, общие принципы ее формирования.
Между электродами в искровых разрядах находятся электроны, которые способны ионизировать молекулы воздуха в пространстве между электродами. Источник напряжения, при достижении определенного порога мощности, способствует образованию такого количества плазмы, которое снижает сопротивление воздушного промежутка. Формируется плазменный тоннель, соединяющий электроды плазменным шнуром, который, по сути, является дуговым разрядом, преобразованным из искровых разрядов. Для того, чтобы возникли условия для возможного появления электрической дуги, нужно напряжение на контактах больше 10В с силой тока около 0,1А.
Электрическая дуга служит в качестве проводника между электродами, от искровых разрядов которых она и возникла. Проводник соединяет контакты (в данном случае – электроды), цепь замыкается. Сила тока в замкнутой цепи увеличивается в разы, разогревая электрическую дугу от 5000 до 50000 К. Констатировав этот факт, поджиг дуги можно считать завершенным. Теперь ток и непрерывная ионная бомбардировка могут обеспечить стабильное горение дуги, благодаря термоэлектронной эмиссии.
Электрическая дуга может возникать не только при намеренном ее образовании в результате действий человека, но и спонтанно. Она может приносить благо, или же быть крайне опасной для жизни.
Гашения нежелательной электрической дуги
Самый яркий из полезных примеров применения электрической дуги на практике – электросварка. Но дуга часто вредит человеку, образуясь, например, в некоторых электроприборах. В этом случае применяют механизмы гашения нежелательной электрической дуги (основные из них приведены ниже).
Удлинение дуги
Увеличивая расстояние между контактами, можно добиться эффекта удлинения электрической дуги. Таким образом, для горения дуги нужно большее напряжение. Как следствие – она угасает.
Деление дуги
Если длинную дугу при помощи электромагнитного поля затянуть в металлическую решетку, она разделится на ряд коротких, и в результате погаснет.
Охлаждение электрической дуги при помощи дугогасительных камер в узких щелях
От того, что дуга соприкасается с охлажденной поверхностью, происходит ее деионизация и затухание.
Гашение дуги высоким давлением
Уровень ионизации газа, при воздействии на него высокого давления, падает. А его теплопроводность – резко возрастает, что приводит к охлаждению дуги.
Гашение дуги в масле
В основе этого способа гашения лежит деионизация дугового промежутка парами масла, возникшими от воздействия на масло самой электрической дуги.
Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым, однако большой вклад в развитие данного раздела внес ученый Никола Тесла. 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.
Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:
При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого 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 ещё больше нагревая дугу до 5000–50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.
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, совмещённых 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).
Читайте также: