Электрическая дуга: природа, история и применение

Введение

Электрический пробой газа, приводящий к непрерывному электрическому разряду, – это отклонение электричества от заданного пути.

Электрическая дуга (или дуговой разряд) – это электрический пробой газа, который создает продолжительный электрический разряд. Ток, протекающий через обычно непроводящую среду, такую как воздух, образует плазму, которая может излучать видимый свет. Дуговой разряд инициируется либо термоэлектронной эмиссией, либо полевой эмиссией. После инициирования дуга поддерживается термоэлектронной эмиссией электронов с электродов, поддерживающих разряд. Дуговой разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд. Устаревший термин – вольтаическая дуга, используемый, например, в выражении "вольтаическая дуговая лампа". Методы подавления дуги могут использоваться для уменьшения продолжительности или вероятности возникновения дуги. В конце XIX века электрическое дуговое освещение широко применялось для уличного освещения. Некоторые электрические дуги низкого давления используются в различных областях. Например, люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы используются для освещения, а ксеноновые дуговые лампы – в кинопроекторах. Электрические дуги применяются в производственных процессах, таких как электрическая дуговая сварка, и в электрических дуговых печах для переработки стали.

История

Сэр Хамфри Дэви открыл короткоимпульсную электрическую дугу в 1800 году. В 1801 году он описал это явление в статье, опубликованной в журнале Уильяма Николсона «Журнал естественной философии, химии и искусств». Согласно современной науке, описание Дэви соответствовало искре, а не дуге. В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом, пропуская электрический ток через два соприкасающихся друг с другом угольных стержня, а затем разводя их на небольшое расстояние. Демонстрация произвела «слабую» дугу, которую было трудно отличить от устойчивой искры между угольными точками. Общество заказало более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал дугу большего масштаба. Ему приписывают введение названия «дуга». Он назвал её дугой, поскольку она приобретает форму восходящей дуги, когда расстояние между электродами невелико. Это обусловлено силой Архимеда, действующей на горячий газ. Первая непрерывная дуга была открыта независимо в 1802 году и описана в 1803 году как «особая жидкость с электрическими свойствами» Василием В. Петровым, русским ученым, экспериментировавшим с медно-цинковой батареей, состоящей из 4200 дисков. В конце девятнадцатого века электрическое дуговое освещение широко использовалось для уличного освещения. К существенным проблемам относилась тенденция электрических дуг мерцать и шипеть. В 1895 году Герта Маркс Айртон опубликовала серию статей в журнале «Электрициан», объясняя, что эти явления являются результатом контакта кислорода с угольными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она впервые в истории представила собственный доклад перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Её доклад назывался «Шипение электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первым женским членом IEE; следующей женщиной, принятой в IEE, стала член в 1958 году. Она подала прошение о выступлении с докладом перед Королевским обществом, но ей отказали из-за её пола, и «Механизм электрической дуги» был представлен Джоном Перри вместо неё в 1901 году.

Sir Humphry Davy discovered the short pulse electrical arc in 1800. In 1801, he described the phenomenon in a paper published in William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts. According to modern science, Davy's description was a spark rather than an arc. In the same year Davy publicly demonstrated the effect, before the Royal Society, by transmitting an electric current through two carbon rods that touched, and then pulling them a short distance apart. The demonstration produced a "feeble" arc, not readily distinguished from a sustained spark, between charcoal points. The Society subscribed for a more powerful battery of 1,000 plates, and in 1808 he demonstrated the large scale arc. He is credited with naming the arc. He called it an arc because it assumes the shape of an upward bow when the distance between the electrodes is not small. This is due to the buoyant force on the hot gas. The first continuous arc was discovered independently in 1802 and described in 1803 as a "special fluid with electrical properties", by Vasily V. Petrov, a Russian scientist experimenting with a copper zinc battery consisting of 4200 discs. In the late nineteenth century, electric arc lighting was in wide use for public lighting. The tendency of electric arcs to flicker and hiss was a major problem. In 1895, Hertha Marks Ayrton wrote a series of articles for the Electrician, explaining that these phenomena were the result of oxygen coming into contact with the carbon rods used to create the arc. In 1899, she was the first woman ever to read her own paper before the Institution of Electrical Engineers (IEE). Her paper was entitled "The Hissing of the Electric Arc". Shortly thereafter, Ayrton was elected the first female member of the IEE; the next woman to be admitted to the IEE was in 1958. She petitioned to present a paper before the Royal Society, but she was not allowed because of her gender, and "The Mechanism of the Electric Arc" was read by John Perry in her stead in 1901.

Обзор

Электрическая дуга – это форма электрического разряда с наибольшей плотностью тока. Максимальный ток через дугу ограничен только внешней цепью, а не самой дугой. Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом при увеличении тока через электроды. Напряжение пробоя межэлектродного зазора является функцией давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. При возникновении дуги её конечное напряжение значительно меньше, чем при тлеющем разряде, а ток – выше. Дуга в газах вблизи атмосферного давления характеризуется видимым излучением света, высокой плотностью тока и высокой температурой. Дуга отличается от тлеющего разряда частично схожими температурами электронов и положительных ионов; в тлеющем разряде ионы значительно холоднее электронов. Вытянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, первоначально находящимися в контакте и разведенными в стороны; это может инициировать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Именно так сварщик начинает сварку, кратковременно касаясь сварочным электродом заготовки, а затем отводя его до образования устойчивой дуги. Другой пример – разделение электрических контактов в выключателях, реле или автоматических выключателях; в высоковольтных цепях может потребоваться подавление дуги для предотвращения повреждения контактов. Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло, которое ионизирует большее количество молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в соответствии с последовательностью: твердое – жидкое – газообразное – плазма; газ постепенно превращается в термическую плазму. Термическая плазма находится в термическом равновесии; температура относительно однородна во всех атомах, молекулах, ионах и электронах. Энергия, передаваемая электронам, быстро рассеивается на более тяжелые частицы посредством упругих столкновений благодаря их высокой подвижности и большому количеству. Ток в дуге поддерживается термоэлектронной и полевой эмиссией электронов с катода. Ток может быть сконцентрирован в очень маленькой горячей точке на катоде; могут быть обнаружены плотности тока порядка одного миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда, дуга имеет мало различимой структуры, поскольку положительный столб достаточно яркий и простирается почти до электродов с обоих концов. Падение напряжения на катоде и аноде в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра от каждого электрода. Положительный столб имеет меньший градиент напряжения и может отсутствовать в очень коротких дугах. (или путем кратковременного касания электродов с последующим их разведением) увеличение тока приводит к снижению напряжения между концами дуги. Этот эффект отрицательного сопротивления требует включения в цепь некоторой положительной формы импеданса (например, электрического балласта) для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппаратуре становятся настолько разрушительными, поскольку после возникновения дуга будет потреблять все больше и больше тока от источника постоянного напряжения, пока аппаратура не выйдет из строя.

An electric arc is the form of electric discharge with the highest current density. The maximum current through an arc is limited only by the external circuit, not by the arc itself. An arc between two electrodes can be initiated by ionization and glow discharge, when the current through the electrodes is increased. The breakdown voltage of the electrode gap is a combined function of the pressure, distance between electrodes and type of gas surrounding the electrodes. When an arc starts, its terminal voltage is much less than a glow discharge, and current is higher. An arc in gases near atmospheric pressure is characterized by visible light emission, high current density, and high temperature. An arc is distinguished from a glow discharge partly by the similar temperatures of the electrons and the positive ions; in a glow discharge, the ions are much colder than the electrons. A drawn arc can be initiated by two electrodes initially in contact and drawn apart; this can initiate an arc without the high voltage glow discharge. This is the way a welder starts to weld a joint, momentarily touching the welding electrode against the workpiece then withdrawing it until a stable arc is formed. Another example is separation of electrical contacts in switches, relays or circuit breakers; in high energy circuits arc suppression may be required to prevent damage to contacts. Electrical resistance along the continuous electric arc creates heat, which ionizes more gas molecules (where the degree of ionization is determined by temperature), and as per this sequence: solid liquid gas plasma; the gas is gradually turned into a thermal plasma. A thermal plasma is in thermal equilibrium; the temperature is relatively homogeneous throughout the atoms, molecules, ions, and electrons. The energy given to electrons is dispersed rapidly to the heavier particles by elastic collisions, due to their great mobility and large numbers. Current in the arc is sustained by thermionic emission and field emission of electrons at the cathode. The current may be concentrated in a very small hot spot on the cathode; current densities on the order of one million amperes per square centimeter can be found. Unlike a glow discharge, an arc has little discernible structure, since the positive column is quite bright and extends nearly to the electrodes on both ends. The cathode fall and anode fall of a few volts occur within a fraction of a millimeter of each electrode. The positive column has a lower voltage gradient and may be absent in very short arcs. or by momentarily touching the electrodes then separating them), increased current results in a lower voltage between the arc terminals. This negative resistance effect requires that some positive form of impedance (as an electrical ballast) be placed in the circuit to maintain a stable arc. This property is the reason uncontrolled electrical arcs in apparatus become so destructive, since once initiated an arc will draw more and more current from a fixed voltage supply until the apparatus is destroyed.

Применение

В промышленности электрические дуги используются для сварки, плазменной резки, электроэрозионной обработки, в качестве дуговой лампы в кинопроекторах и прожекторах для сценического освещения. Электрические дуговые печи применяются для производства стали и других веществ. Карбид кальция получают таким образом, так как для протекания эндотермической реакции (при температуре 2500 °C) требуется большое количество энергии. Углеродные дуги были первыми электрическими источниками света. Они использовались для уличного освещения в XIX веке и в специализированных устройствах, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. В настоящее время электрические дуги находят применение во многих областях. Например, флуоресцентные, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы используются для освещения, а ксеноновые дуговые лампы – для кинопроекторов и театральных прожекторов. Образование интенсивной электрической дуги, аналогичной небольшой дуговой вспышке, лежит в основе детонаторов с мостовым проводом. Электрические дуги изучались в контексте электрической двигательной установки космических аппаратов. В лаборатории они используются для спектроскопии, позволяя получать спектральные эмиссии путём интенсивного нагрева образца вещества.

Защита электрического оборудования

Дуга все еще используется в высоковольтных коммутационных устройствах для защиты сетей передачи сверхвысокого напряжения. Для защиты элемента (например, последовательного конденсатора в линии электропередачи) от перенапряжения, устройство, вызывающее дугу, так называемый искровой промежуток, подключается параллельно к этому элементу. Как только напряжение достигает порога пробоя воздуха, дуга воспламеняется между электродами искрового промежутка и замыкает контакты элемента, тем самым защищая его от перенапряжения. Для повторного включения элемента необходимо погасить дугу, что можно сделать различными способами. Например, искровой промежуток может быть оснащен дугогасительными рогами – двумя проводниками, приблизительно вертикальными, но постепенно расходящимися друг от друга вверх в узкую V-образную форму. После воспламенения дуга будет перемещаться вверх по проводникам и погаснет, когда расстояние между ними станет слишком большим. Если дуга погашена и исходное условие срабатывания больше не существует (неисправность устранена или включен шунтирующий выключатель), дуга не восстановится. Дугу также можно погасить струей сжатого воздуха или другого газа. Нежелательная дуга может также возникать при отключении высоковольтного выключателя и гасится аналогичным образом. Современные устройства используют гексафторид серы под высоким давлением в сопловом потоке между разнесенными электродами в герметичном корпусе. Ток дуги прерывается в момент, когда ток в цикле переменного тока проходит через ноль, и высокоэлектроотрицательные ионы SF6 быстро поглощают свободные электроны из затухающей плазмы. Технология SF6 в основном вытеснила аналогичную воздушную технологию, поскольку для предотвращения повторного воспламенения дуги внутри выключателя требовалось множество шумных воздушных блоков, соединенных последовательно.

Визуальные развлечения

Лестница Якоба (более формально, высоковольтная движущаяся дуга) – это устройство для создания непрерывной цепочки электрических дуг, поднимающихся вверх. Названа в честь лестницы Иакова, ведущей на небо, описанной в Библии. Подобно дуговым рогам, искровой промежуток формируется двумя проводами, расходящимися в верхней части. При подаче высокого напряжения на промежуток, искра возникает в нижней части проводов, где они наиболее близки друг к другу, быстро переходя в электрическую дугу. Воздух пробивается примерно при 30 кВ/см, в зависимости от влажности, температуры и других факторов. Помимо падения напряжения на аноде и катоде, дуга ведет себя почти как короткое замыкание, потребляя столько тока, сколько может обеспечить источник питания, а большая нагрузка значительно снижает напряжение на промежутке. Нагретый ионизированный воздух поднимается, унося с собой путь тока. По мере удлинения следа ионизации, он становится все более нестабильным и, в конечном итоге, обрывается. Напряжение между электродами затем возрастает, и искра вновь возникает в нижней части устройства. Этот цикл приводит к впечатляющему зрелищу электрических дуг белого, желтого, синего или фиолетового цвета, которые часто можно увидеть в фильмах ужасов и фильмах о безумных ученых. Устройство было широко распространено в школах и на научных выставках в 1950-х и 1960-х годах, обычно изготавливаясь из искровой катушки модели T или любого другого источника высокого напряжения в диапазоне 10 000–30 000 вольт, такого как трансформатор для неоновых вывесок (5–15 кВ) или схема кинескопа телевизора (разрядный трансформатор) (10–28 кВ), а также из двух проволок или стержней, согнутых в форме буквы V. Для создания более крупных лестниц обычно используются трансформаторы микроволновых печей, соединенные последовательно, умножители напряжения и трансформаторы с опорных столбов (так называемые "свиньи"), работающие в режиме повышения напряжения.

Руководство дугой

Ученые обнаружили метод управления траекторией электрической дуги между двумя электродами, направляя лазерные лучи в газ, находящийся между ними. Газ переходит в состояние плазмы и направляет дугу. Формируя плазменный канал между электродами с помощью различных лазерных лучей, можно создавать дугу изогнутой и S-образной формы. Дуга также может натолкнуться на препятствие и восстановиться на его другой стороне. Технология управления дугой с помощью лазера может оказаться полезной в приложениях, требующих точной доставки электрической искры в заданную точку.

Подавление дуги

Подавление дуги — это метод, предназначенный для уменьшения или устранения электрической дуги. Существует несколько областей применения методов подавления дуги, включая нанесение металлических плёнок и распыление, защиту от электрической дуги, электростатические процессы, где образование электрических дуг нежелательно (например, порошковая покраска, очистка воздуха, поляризация плёнки ПВДФ), и подавление дуги при замыкании контактов. В промышленном, военном и потребительском электронном оборудовании последний метод обычно применяется к устройствам, таким как электромеханические силовые переключатели, реле и контакторы. В этом контексте подавление дуги осуществляется с помощью защиты контактов. Часть энергии электрической дуги приводит к образованию новых химических соединений из окружающего воздуха, таких как оксиды азота и озон, последний из которых можно определить по характерному резкому запаху. Эти химические вещества могут образовываться при работе мощных контактов в реле и коллекторных двигателях и вызывать коррозию близлежащих металлических поверхностей. Образование дуги также приводит к эрозии поверхностей контактов, их износу и увеличению контактного сопротивления при замыкании.

Опасность для здоровья

Воздействие устройства, генерирующего электрическую дугу, может представлять опасность для здоровья. Электрическая дуга, возникающая в воздухе, ионизирует кислород и азот, которые затем могут рекомбинировать в реакционноспособные молекулы, такие как озон и оксид азота. Эти продукты могут повреждать слизистые оболочки. Растения также восприимчивы к озоновому отравлению. Риск наиболее высок при непрерывной дуге в замкнутом пространстве, например, в помещении. Дуга, возникающая на открытом воздухе, менее опасна, поскольку нагретые ионизированные газы поднимаются вверх и рассеиваются в атмосфере. Искровые промежутки, которые лишь периодически генерируют короткие импульсы искр, также представляют минимальную опасность, поскольку объем образующихся ионов очень мал. Электрические дуги могут излучать широкий спектр длин волн, охватывающий видимый свет, а также невидимые ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Очень интенсивные дуги, генерируемые, например, при дуговой сварке, могут производить значительное количество ультрафиолетового излучения, которое повреждает роговицу глаза. Наблюдать такие дуги следует только через специальные светофильтры, которые уменьшают интенсивность дуги и защищают глаза наблюдателя от ультрафиолетового излучения.