Elektrický oblouk ( voltaický oblouk , obloukový výboj ) je jedním z typů elektrického výboje v plynu .
Poprvé popsal v roce 1801 britský vědec Sir Humphrey Davy v časopise Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts a předvedl jej na zasedání Královské vědecké společnosti a v roce 1802 ruský vědec V. Petrov v knize s příznačný název „Zprávy o galvanicko-voltaických experimentech pomocí obrovské baterie, sestávající někdy ze 4200 měděných a zinkových kruhů“ (Petrohrad, 1803) . Elektrický oblouk je zvláštním případem čtvrté formy stavu hmoty – plazmy – a skládá se z ionizovaného, elektricky kvazineutrálního plynu. Přítomnost volných elektrických nábojů zajišťuje vodivost elektrického oblouku.
Elektrický oblouk mezi dvěma elektrodami ve vzduchu při atmosférickém tlaku vzniká následovně:
Když se napětí mezi dvěma elektrodami ve vzduchu zvýší na určitou úroveň, dojde mezi elektrodami k elektrickému průrazu . Elektrické průrazné napětí závisí na vzdálenosti mezi elektrodami a dalších faktorech. Ionizační potenciál prvního elektronu atomů kovu je přibližně 4,5 - 5 V a napětí elektrického oblouku je dvojnásobné (9 - 10 V). Je potřeba vynaložit energii na výstup elektronu z atomu kovu jedné elektrody a na ionizaci atomu druhé elektrody. Proces vede ke vzniku plazmatu mezi elektrodami a hoření oblouku (pro srovnání: minimální napětí pro vznik jiskrového výboje mírně přesahuje výstupní potenciál elektronů - do 6 V).
Pro zahájení průrazu při dostupném napětí se elektrody přiblíží k sobě. Při poruše obvykle mezi elektrodami dojde k jiskrovému výboji , který pulzně uzavře elektrický obvod . Elektrony v jiskrových výbojích ionizují molekuly ve vzduchové mezeře mezi elektrodami. Při dostatečném výkonu zdroje napětí ve vzduchové mezeře se vytvoří dostatečné množství plazmatu pro výrazný pokles průrazného napětí nebo odporu vzduchové mezery. V tomto případě se jiskrové výboje mění v obloukový výboj - plazmový provazec mezi elektrodami, což je plazmový tunel. Výsledný oblouk je ve skutečnosti vodič a uzavírá elektrický obvod mezi elektrodami. V důsledku toho se průměrný proud ještě zvýší a oblouk se zahřeje až na 5000-50000 K. V tomto případě se má za to, že zapálení oblouku je dokončeno. Po zapálení je stabilní hoření oblouku zajištěno termionickou emisí z katody zahřáté proudem a iontovým bombardováním.
Po zapálení může oblouk zůstat stabilní, když jsou elektrické kontakty odděleny do určité vzdálenosti.
Interakce elektrod s obloukovým plazmatem vede k jejich zahřívání, částečnému roztavení, vypařování, oxidaci a dalším typům koroze.
Elektrický oblouk se skládá z katodových a anodových oblastí, obloukového sloupce, přechodových oblastí. Tloušťka anodové oblasti je 0,001 mm a tloušťka katodové oblasti je asi 0,0001 mm.
Teplota v oblasti anody během svařování stavnou elektrodou je asi 2500 ... 4000 ° C, teplota v obloukovém sloupci je od 7 000 do 18 000 ° C, v oblasti katody - 9 000 - 12 000 ° C.
Sloupec oblouku je elektricky neutrální. V kterékoli jeho sekci je stejný počet nabitých částic opačných znamének. Úbytek napětí ve sloupci oblouku je úměrný jeho délce [1] .
Svařovací oblouky jsou klasifikovány podle:
Elektrický oblouk jako silný a koncentrovaný zdroj tepla se používá při obloukovém svařování a plazmovém řezání kovů, pro tavení oceli v obloukových pecích a iniciaci výbušnin v elektrických rozbuškách . Oblouk lze také použít k ohřevu pracovní tekutiny v elektrických raketových motorech .
Kombinovaný efekt ohřevu obloukem a rázových vln vznikajících zhroucením obloukového kanálu se využívá při obrábění elektrickým výbojem . Objemové pulzace plazmového kanálu vysokofrekvenčního oblouku se používají pro reprodukci zvuku v ionofonech .
K osvětlení se využívá jasné záření oblouku. Arc byly první sériové zdroje elektrického světla - Yablochkovovy svíčky . Výkonné světelné zdroje založené na elektrickém oblouku - obloukové elektrické lampy - dostaly určitou distribuci . V závislosti na složení média, ve kterém oblouk hoří, mohou být takové výbojky buď přímé záření ( xenonová oblouková výbojka , uhlíková oblouková výbojka , sodíková výbojka ), nebo nepřímé s použitím fosforu - rtuťová výbojka .
Vliv na plazmové složení oblouku materiálu elektrody se využívá ve vakuovém obloukovém potahování a ve spektroskopii , například v steeloskopech , k získání emisního spektra studovaného vzorku.
Fyzikální vlastnosti zapalování oblouku (potřeba katodové skvrny) se využívají u rtuťových usměrňovačů .
Někdy se využívá vlastnosti nelineární proudově-napěťové charakteristiky oblouku (viz zhášeč pole , svodiče ).
V řadě zařízení je jev elektrického oblouku škodlivý. Jedná se především o kontaktní spínací zařízení používaná v napájení a elektrickém pohonu: vysokonapěťové spínače , automatické spínače , stykače , sekční izolátory na kontaktní síti elektrifikovaných drah a městské elektrické dopravy. Když jsou zátěže odpojeny výše uvedenými zařízeními, vznikne mezi vypínacími kontakty oblouk.
Mechanismus vzniku oblouku je v tomto případě následující:
Pro minimální poškození kontaktů je nutné oblouk uhasit v co nejkratším čase a vynaložit veškeré úsilí, aby oblouk nebyl na jednom místě (při pohybu oblouku se teplo, které se v něm uvolňuje, rovnoměrně rozloží po těle kontaktu ).
Ke splnění výše uvedených požadavků se používají následující metody potlačení oblouku:
Elektrický oblouk vytváří silné záření v širokém rozsahu vln. Při hoření na vzduchu dopadá asi 70 % energie záření na ultrafialové , 15 % na viditelné záření a 15 % na infračervené [2] . Vystavení očím může způsobit elektroftalmii a styk s pokožkou může způsobit popáleniny . K ochraně očí a obličeje svářeči používají speciální svářečské masky s tmavým filtrem . Na ochranu těla - tepelně odolný overal .
Vzhledem k tomu, že obloukový výboj je v podstatě otevřený vodič, přímý dopad oblouku na osobu povede k úrazu elektrickým proudem .
| Svařování | |
|---|---|
| Terminologie | |
| Elektrický oblouk | |
| tlakové svařování | |
| kontaktní svařování | |
| Jiné druhy svařování | |
| Svařování kovů | |
| Svařování nekovů | |
| Vybavení a vybavení | |
| Profesní organizace | |
| Profesionální edice | |
| Nemoci z povolání | |