Elektrický oblouk - Electric arc

Elektrický oblouk mezi dvěma hřebíky
Ukázka Jacobova žebříku

Elektrickým obloukem , nebo oblouk výboje , je elektrickému průrazu z plynu , který produkuje prodlouženou elektrický výboj . Proud přes normálně nevodivé médium, jako je vzduch vytváří plazmu ; plazma může produkovat viditelné světlo . Obloukový výboj je charakterizován nižším napětím než doutnavý výboj a spoléhá se na termionickou emisi elektronů z elektrod podporujících oblouk. Archaický termín je voltaický oblouk , jak se používá ve výrazu „lampa s voltovým obloukem“.

Ke zkrácení doby trvání nebo pravděpodobnosti vzniku oblouku lze použít techniky potlačení oblouku.

Na konci 19. století bylo pro veřejné osvětlení široce využíváno osvětlení elektrickým obloukem . Některé nízkotlaké elektrické oblouky se používají v mnoha aplikacích. K osvětlení se používají například zářivky , rtuťové, sodíkové a halogenidové výbojky ; Pro filmové projektory byly použity xenonové obloukové lampy . Elektrické oblouky mohou být použity pro výrobní procesy, jako je svařování elektrickým obloukem a elektrické obloukové pece pro recyklaci oceli.

Dějiny

Přirozený blesk je nyní považován za elektrickou jiskru , nikoli za oblouk.

Sir Humphry Davy objevil krátký pulzní elektrický oblouk v roce 1800. V roce 1801 popsal tento jev v článku publikovaném v časopise William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts . Podle moderní vědy byl Davyho popis spíše jiskrou než obloukem. Ve stejném roce Davy před Královskou společností veřejně demonstroval účinek tím , že přenášel elektrický proud dvěma uhlíkovými tyčemi, které se dotýkaly, a poté je odtáhl na krátkou vzdálenost od sebe. Demonstrace vytvořila „slabý“ oblouk, který se nedal snadno odlišit od trvalé jiskry , mezi body na dřevěném uhlí . Společnost si objednala výkonnější baterii 1 000 desek a v roce 1808 předvedl rozsáhlý oblouk. Je mu připisováno pojmenování oblouku. Říkal tomu oblouk, protože v případě, že vzdálenost mezi elektrodami není malá, nabývá tvaru oblouku vzhůru. Je to dáno vztlakovou silou na horký plyn.

První souvislý oblouk byl objeven nezávisle v roce 1802 a popsán v roce 1803 jako „speciální tekutina s elektrickými vlastnostmi“, Vasilij V. Petrov , ruský vědec experimentující s měděno-zinkovou baterií skládající se z 4200 disků.

Na konci devatenáctého století bylo osvětlení veřejného elektrického oblouku široce využíváno . Tendence elektrických oblouků blikat a syčet byla zásadním problémem. V roce 1895 napsala Hertha Marks Ayrton pro elektrikáře sérii článků s vysvětlením, že tyto jevy jsou výsledkem kontaktu kyslíku s uhlíkovými tyčemi použitými k vytvoření oblouku. V roce 1899 byla první ženou, která kdy přečetla svůj vlastní papír před Institucí elektrotechniků (IEE). Její papír měl název „The Hissing of the Electric Arc“. Krátce poté byla Ayrton zvolena první ženskou členkou IEE; další žena, která byla přijata do IEE, byla v roce 1958. Požádala o předložení příspěvku před Královskou společností, ale kvůli svému pohlaví jí to nebylo umožněno a „Mechanismus elektrického oblouku“ v ní přečetl John Perry místo v roce 1901.

Přehled

Elektrické oblouky mezi elektrickým vedením a pantografy elektrického vlaku po trolejovém námraze
Elektrické oblouky mezi napájecí kolejnicí a elektrickou sběračskou „botou“ ve vlaku londýnského metra

Elektrický oblouk je forma elektrického výboje s nejvyšší proudovou hustotou. Maximální proud obloukem je omezen pouze vnějším obvodem, nikoli samotným obloukem.

Oblouk mezi dvěma elektrodami lze inicializovat ionizací a doutnavým výbojem, když se zvýší proud elektrodami. Průrazné napětí mezery mezi elektrodami je kombinovanou funkcí tlaku, vzdálenosti mezi elektrodami a typu plynu obklopujícího elektrody. Když začne oblouk, jeho koncové napětí je mnohem menší než doutnavý výboj a proud je vyšší. Oblouk v plynech blízko atmosférického tlaku se vyznačuje emisí viditelného světla, vysokou proudovou hustotou a vysokou teplotou. Oblouk se odlišuje od doutnavého výboje částečně podobnými teplotami elektronů a kladných iontů; v doutnavém výboji jsou ionty mnohem chladnější než elektrony.

Tažený oblouk může být iniciován dvěma elektrodami, které jsou zpočátku v kontaktu a jsou od sebe odděleny; to může iniciovat oblouk bez vysokonapěťového doutnavého výboje. To je způsob, jakým svářeč začne svařovat spoj, na okamžik se dotkne svařovací elektrody proti obrobku a poté jej vytáhne, dokud se nevytvoří stabilní oblouk. Dalším příkladem je oddělení elektrických kontaktů ve spínačích, relé nebo jističích; ve vysokoenergetických obvodech může být vyžadováno potlačení oblouku, aby se zabránilo poškození kontaktů.

Elektrický odpor podél spojitého elektrického oblouku vytváří teplo, které ionizuje více molekul plynu (kde je stupeň ionizace určen teplotou) a podle této sekvence: pevná látka-kapalina-plyn-plazma; plyn se postupně mění v tepelné plazma. Tepelné plazma je v tepelné rovnováze; teplota je v atomech, molekulách, iontech a elektronech relativně homogenní. Energie daná elektronům je díky jejich velké mobilitě a velkému počtu rychle rozptýlena do těžších částic pružnými srážkami .

Proud v oblouku je udržován termionickou emisí a polní emisí elektronů na katodě. Proud může být koncentrován ve velmi malém horkém místě na katodě; lze nalézt proudové hustoty v řádu jednoho milionu ampér na čtvereční centimetr. Na rozdíl od doutnavého výboje má oblouk malou rozeznatelnou strukturu, protože kladný sloupec je docela jasný a zasahuje téměř k elektrodám na obou koncích. K pádu katody a anodě o několik voltů dochází ve zlomku milimetru každé elektrody. Kladný sloupec má nižší gradient napětí a ve velmi krátkých obloucích může chybět.

Nízkofrekvenční (méně než 100 Hz) střídavý elektrický oblouk připomíná stejnosměrný elektrický oblouk; v každém cyklu je oblouk iniciován rozpadem a elektrody si vyměňují role jako anoda nebo katoda, když se proud obrátí. Jak se zvyšuje frekvence proudu, není dostatek času na to, aby se veškerá ionizace rozptýlila v každém polovičním cyklu, a rozpad již není potřeba k udržení oblouku; charakteristika napětí vs. proud se stává téměř ohmickou.

Elektrický oblouk mezi prameny drátu.

Různé tvary elektrických oblouků jsou naléhavými vlastnostmi nelineárních obrazců proudu a elektrického pole . Oblouk se vyskytuje v prostoru naplněném plynem mezi dvěma vodivými elektrodami (často z wolframu nebo uhlíku) a má za následek velmi vysokou teplotu , schopnou roztavit nebo odpařit většinu materiálů. Elektrický oblouk je nepřetržitý výboj, zatímco podobný elektrický jiskrový výboj je chvilkový. K elektrickému oblouku může dojít buď v obvodech stejnosměrného proudu (DC), nebo v obvodech střídavého proudu (AC). V druhém případě může oblouk znovu udeřit v každém polovičním cyklu proudu. Elektrický oblouk se liší od doutnavého výboje v tom, že proudová hustota je poměrně vysoká a úbytek napětí v oblouku je nízký; na katodě může být proudová hustota až jedna megaampere na centimetr čtvereční.

Elektrický oblouk má nelineární vztah mezi proudem a napětím. Jakmile je oblouk vytvořen (buď postupem ze žhavého výboje, nebo krátkým dotykem elektrod a jejich oddělením), zvýšený proud má za následek nižší napětí mezi svorkami oblouku. Tento negativní účinek odporu vyžaduje, aby byla do obvodu umístěna nějaká pozitivní forma impedance (jako elektrický předřadník ), aby se udržel stabilní oblouk. Tato vlastnost je důvodem, proč se nekontrolované elektrické oblouky v přístrojích stávají tak destruktivními, protože jakmile je iniciován, oblouk bude odebírat stále více proudu ze zdroje s pevným napětím, dokud nebude zařízení zničeno.

Využití

Elektrický oblouk může roztavit oxid vápenatý

Průmyslově se elektrické oblouky používají pro svařování , plazmové řezání , pro obrábění elektrickým výbojem , jako oblouková lampa u filmových projektorů a následná světla při jevištním osvětlení . Elektrické obloukové pece se používají k výrobě oceli a dalších látek. Karbid vápenatý se vyrábí tímto způsobem, protože k podpoře endotermické reakce (při teplotách 2 500 ° C) vyžaduje velké množství energie .

První elektrická světla byla uhlíková oblouková světla. Byly použity pro pouliční osvětlení v 19. století a pro specializované aplikace, jako jsou světlomety až do druhé světové války. Nízkotlaké elektrické oblouky se dnes používají v mnoha aplikacích. K osvětlení se používají například zářivky , rtuťové, sodíkové a halogenidové výbojky ; Pro filmové projektory se používají xenonové obloukové výbojky .

Vytvoření intenzivního elektrického oblouku, podobného obloukovému záblesku malého rozsahu , je základem detonátorů s explozivním můstkem .

Hlavní zbývající aplikace je ve vysokonapěťových rozváděčích pro vysokonapěťové přenosové sítě. Moderní zařízení používají hexafluorid síry při vysokém tlaku v proudu trysky mezi oddělenými elektrodami v tlakové nádobě. AC poruchový proud je přerušen při nulovém proudu vysoce elektronegativními ionty SF6 absorbujícími volné elektrony z rozpadajícího se plazmatu. Podobná technologie založená na vzduchu byla z velké části nahrazena, protože bylo zapotřebí mnoha hlučných jednotek v sérii, aby se zabránilo současnému opětovnému vznícení za podobných supergridových podmínek.

Pro elektrický pohon kosmických lodí byly studovány elektrické oblouky .

Používají se v laboratoři pro spektroskopii k vytváření spektrálních emisí intenzivním zahříváním vzorku hmoty .

Vedení oblouku

Vědci objevili způsob ovládání dráhy oblouku mezi dvěma elektrodami vypalováním laserových paprsků na plyn mezi elektrodami. Plyn se stává plazmou a vede oblouk. Zkonstruováním plazmové dráhy mezi elektrodami s různými laserovými paprsky lze oblouk vytvarovat do zakřivených drah ve tvaru písmene S. Oblouk také mohl zasáhnout překážku a reformovat se na druhé straně překážky. Technologie laserem vedeného oblouku by mohla být užitečná v aplikacích k dodávání jiskry elektřiny na přesné místo.

Nežádoucí oblouk

Popálení v zástrčce způsobené elektrickým obloukem během zkratu .

Nežádoucí nebo nezamýšlený elektrický oblouk může mít škodlivé účinky na přenos elektrické energie , distribuční systémy a elektronická zařízení. Mezi zařízení, která mohou způsobovat jiskření, patří spínače, jističe, kontakty relé, pojistky a špatné zakončení kabelů. Když je indukční obvod vypnutý, proud nemůže okamžitě přeskočit na nulu: přes oddělující kontakty se vytvoří přechodový oblouk. Spínací zařízení náchylná k oblouku jsou obvykle navržena tak, aby obsahovala a zhasínala oblouk, a tlumicí obvody mohou dodávat cestu pro přechodové proudy, které brání oblouku. Pokud má obvod dostatečný proud a napětí, aby udržel oblouk vytvořený mimo spínací zařízení, může oblouk způsobit poškození zařízení, jako je roztavení vodičů, zničení izolace a požár. Obloukovým výbojem popisuje výbušnou elektrický událost, která představuje nebezpečí pro lidi a vybavení.

Nežádoucí jiskření v elektrických kontaktech stykačů , relé a spínačů lze omezit zařízeními, jako jsou tlumiče oblouku kontaktu a RC tlumiče, nebo technikami zahrnujícími:

Oblouk může také nastat, když se mezi místy s různým napětím vytvoří nízkoodporový kanál (cizí předmět, vodivý prach , vlhkost ...). Vodivý kanál pak může usnadnit vytvoření elektrického oblouku. Ionizovaný vzduch má vysokou elektrickou vodivost blížící se kovům a může vést extrémně vysoké proudy, což způsobuje zkrat a vypnutí ochranných zařízení ( pojistky a jističe ). Podobná situace může nastat, když žárovka shoří a úlomky vlákna táhnou elektrický oblouk mezi vývody uvnitř žárovky, což vede k nadproudu, který vypne jističe.

Elektrický oblouk přes povrch plastů způsobuje jejich degradaci. Vodivá dráha bohatá na uhlík má tendenci se tvořit v obloukové dráze, nazývaná „sledování uhlíku“, což negativně ovlivňuje jejich izolační vlastnosti. Citlivost na oblouk neboli „odpor dráhy“ je testována podle ASTM D495 bodovými elektrodami a spojitými a přerušovanými oblouky; měří se v sekundách potřebných k vytvoření dráhy, která je vodivá za podmínek vysokého napětí a nízkého proudu. Některé materiály jsou méně náchylné k degradaci než jiné. Například polytetrafluorethylen má odolnost proti oblouku asi 200 sekund (3,3 minuty). Z termosetových plastů jsou alkydy a melaminové pryskyřice lepší než fenolické pryskyřice . Polyethyleny mají odolnost proti oblouku přibližně 150 sekund; polystyreny a polyvinylchloridy mají relativně nízký odpor asi 70 sekund. Plasty mohou být formulovány tak, aby emitovaly plyny s vlastnostmi hasícími oblouk; tyto jsou známé jako plasty zhášející oblouk .

Oblouky nad některými typy desek s plošnými spoji , pravděpodobně v důsledku prasklin stop nebo selhání pájky, činí postiženou izolační vrstvu vodivou, protože je dielektrikum spalováno kvůli vysokým teplotám. Tato vodivost prodlužuje oblouk v důsledku kaskádového selhání povrchu.

Potlačení oblouku

Potlačení oblouku je metoda pokusu o snížení nebo odstranění elektrického oblouku. Existuje několik možných oblastí použití metod potlačení oblouku, mezi něž patří nanášení a naprašování kovového filmu , ochrana před obloukovým zábleskem , elektrostatické procesy, kde nejsou žádoucí elektrické oblouky (jako je práškové lakování , čištění vzduchu , polování filmu PVDF ) a potlačení kontaktního proudu . V průmyslovém, vojenském a spotřebním elektronickém designu se druhá metoda obecně vztahuje na zařízení, jako jsou elektromechanické výkonové spínače, relé a stykače. V této souvislosti potlačení oblouku používá ochranu kontaktů .

Část energie elektrického oblouku tvoří nové chemické sloučeniny ze vzduchu obklopujícího oblouk: mezi ně patří oxidy dusíku a ozonu , z nichž druhý lze detekovat podle výrazného ostrého zápachu. Tyto chemikálie mohou být vyráběny vysoce výkonnými kontakty v relé a motorových komutátorech a jsou korozivní pro blízké kovové povrchy. Jiskření také rozrušuje povrchy kontaktů, opotřebovává je a při zavření vytváří vysoký odpor kontaktu.

Viz také

Reference

externí odkazy