Το ηλεκτρικό τόξο και τα χαρακτηριστικά του

Ηλεκτρικό τόξο — η διέλευση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός αερίου μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, το ένα από τα οποία είναι πηγή ηλεκτρονίων (κάθοδος). Ένα ηλεκτρόδιο είναι ένα καλώδιο που τερματίζει σε οποιοδήποτε τμήμα ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.

Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο σε μεγάλες ποσότητες προκαλούν ισχυρό ιονισμό του αερίου μεταξύ των ηλεκτροδίων και έτσι καθιστούν δυνατή τη ροή μεγάλου ρεύματος μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός ηλεκτρικού τόξου, σε αντίθεση με μια συμβατική εκκένωση αερίου, είναι ότι μπορεί να καεί σε χαμηλή τάση.

Το ηλεκτρικό τόξο ανακαλύφθηκε από έναν φυσικό από την Αγία Πετρούπολη V. V. Petrov το 1802 και βρήκε σημαντικές εφαρμογές στην τεχνολογία.

Το ηλεκτρικό τόξο είναι ένας τύπος εκφόρτισης που χαρακτηρίζεται από υψηλή πυκνότητα ρεύματος, υψηλή θερμοκρασία, αυξημένη πίεση αερίου και χαμηλή πτώση τάσης στο διάκενο τόξου. Στην περίπτωση αυτή γίνεται εντατική θέρμανση των ηλεκτροδίων (επαφών), πάνω στα οποία σχηματίζονται τα λεγόμενα. Καθοδικές και ανοδικές κηλίδες. Η λάμψη της καθόδου συγκεντρώνεται σε ένα μικρό φωτεινό σημείο, το πυρακτωμένο τμήμα του απέναντι ηλεκτροδίου σχηματίζει το σημείο ανόδου.

Τρεις περιοχές μπορούν να σημειωθούν στο ουράνιο τόξο, οι οποίες είναι πολύ διαφορετικές ως προς τη φύση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε αυτά. Απευθείας στο αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) του τόξου βρίσκεται η περιοχή πτώσης τάσης της καθόδου. Ακολουθεί ο κύλινδρος τόξου πλάσματος. Απευθείας στο θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) βρίσκεται η περιοχή πτώσης ανοδικής τάσης. Αυτές οι περιοχές φαίνονται σχηματικά στο Σχ. 1.

Ρύζι. 1. Η δομή του ηλεκτρικού τόξου

Τα μεγέθη των περιοχών καθοδικής και ανοδικής πτώσης τάσης στο σχήμα είναι πολύ υπερβολικά. Στην πραγματικότητα, το μήκος τους είναι πολύ μικρό.Για παράδειγμα, το μήκος της καθοδικής πτώσης τάσης είναι της τάξης της διαδρομής ελεύθερης κίνησης ενός ηλεκτρονίου (λιγότερο από 1 micron). Το μήκος της περιοχής πτώσης τάσης της ανόδου είναι συνήθως ελαφρώς μεγαλύτερο από αυτήν την τιμή.

Υπό κανονικές συνθήκες, ο αέρας είναι καλός μονωτής. Έτσι, η τάση που απαιτείται για να σπάσει ένα διάκενο αέρα 1 cm είναι 30 kV. Προκειμένου το διάκενο αέρα να γίνει αγωγός, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια ορισμένη συγκέντρωση φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρόνια και ιόντα) σε αυτό.

Πώς εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό τόξο

Το ηλεκτρικό τόξο, το οποίο είναι ένα ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων, στην αρχική στιγμή του διαχωρισμού επαφής εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της παρουσίας ελεύθερων ηλεκτρονίων στο αέριο του κενού τόξου και ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την επιφάνεια της καθόδου. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στο διάκενο μεταξύ των επαφών κινούνται με μεγάλη ταχύτητα προς την κατεύθυνση από την κάθοδο προς την άνοδο υπό τη δράση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου.

Η ένταση πεδίου στην αρχή του διακένου επαφής μπορεί να φτάσει αρκετές χιλιάδες κιλοβολτ ανά εκατοστό.Κάτω από τη δράση των δυνάμεων αυτού του πεδίου, τα ηλεκτρόνια αντλούνται από την επιφάνεια της καθόδου και μετακινούνται προς την άνοδο, χτυπώντας ηλεκτρόνια από αυτήν, τα οποία σχηματίζουν ένα νέφος ηλεκτρονίων. Η αρχική ροή ηλεκτρονίων που δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο σχηματίζει περαιτέρω έναν έντονο ιονισμό του κενού τόξου.

Μαζί με τις διαδικασίες ιονισμού, οι διαδικασίες απιονισμού συμβαίνουν παράλληλα και συνεχώς στο τόξο. Οι διαδικασίες απιονισμού συνίστανται στο γεγονός ότι όταν δύο ιόντα διαφορετικών σημείων ή ένα θετικό ιόν και ένα ηλεκτρόνιο πλησιάζουν το ένα το άλλο, έλκονται και, συγκρουόμενοι, εξουδετερώνονται, επιπλέον, φορτισμένα σωματίδια μετακινούνται από τη ζώνη καύσης των ψυχών με περισσότερα - υψηλή συγκέντρωση φορτίων στο περιβάλλον με χαμηλότερη συγκέντρωση φορτίων. Όλοι αυτοί οι παράγοντες οδηγούν σε μείωση της θερμοκρασίας του τόξου, στην ψύξη και την εξαφάνισή του.

Ρύζι. 2. Ηλεκτρικό τόξο

Τόξο μετά την ανάφλεξη

Στην κατάσταση σταθερής καύσης, οι διαδικασίες ιονισμού και απιονισμού βρίσκονται σε ισορροπία.Ο κύλινδρος τόξου με ίση ποσότητα ελεύθερων θετικών και αρνητικών φορτίων χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό ιονισμού αερίου.

Μια ουσία της οποίας ο βαθμός ιοντισμού είναι κοντά στη μονάδα, δηλ. στο οποίο δεν υπάρχουν ουδέτερα άτομα και μόρια ονομάζεται πλάσμα.

Το ηλεκτρικό τόξο χαρακτηρίζεται από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

1. Ένα σαφώς καθορισμένο όριο μεταξύ του άξονα τόξου και του περιβάλλοντος.

2. Η υψηλή θερμοκρασία μέσα στην κάννη τόξου, που φτάνει τα 6000 — 25000Κ.

3. Υψηλή πυκνότητα ρεύματος και σωλήνας τόξου (100 — 1000 A / mm2).

4. Μικρές τιμές της ανοδικής και καθοδικής τάσης πέφτουν και πρακτικά δεν εξαρτάται από το ρεύμα (10 — 20 V).

Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης ηλεκτρικού τόξου

Το κύριο χαρακτηριστικό ενός τόξου συνεχούς ρεύματος είναι η εξάρτηση της τάσης τόξου από το ρεύμα, το οποίο ονομάζεται χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (VAC).

Το τόξο εμφανίζεται μεταξύ των επαφών σε μια ορισμένη τάση (Εικ. 3), που ονομάζεται τάση ανάφλεξης Uz και ανάλογα με την απόσταση μεταξύ των επαφών, τη θερμοκρασία και την πίεση του περιβάλλοντος και την ταχύτητα του διαχωρισμού των επαφών. Τάση κατάσβεσης τόξου Ug πάντα λιγότερη τάση U3.

Ρύζι. 3. Χαρακτηριστικό τάσης ρεύματος ενός τόξου συνεχούς ρεύματος (a) και του ισοδύναμου κυκλώματος του (β)

Η καμπύλη 1 είναι το στατικό χαρακτηριστικό του τόξου, δηλ. που επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας αργά το ρεύμα. Το χαρακτηριστικό έχει χαρακτήρα πτώσης. Καθώς το ρεύμα αυξάνεται, η τάση τόξου μειώνεται. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση του διακένου τόξου μειώνεται γρηγορότερα όσο αυξάνεται το ρεύμα.

Εάν με τη μία ή την άλλη ταχύτητα το ρεύμα στο τόξο μειωθεί από I1 στο μηδέν και ταυτόχρονα καθορίσει την πτώση τάσης κατά μήκος του τόξου, τότε θα προκύψουν οι καμπύλες 2 και 3. Αυτές οι καμπύλες ονομάζονται δυναμικά χαρακτηριστικά.

Όσο πιο γρήγορα μειώνεται το ρεύμα, τόσο χαμηλότερα θα είναι τα δυναμικά χαρακτηριστικά I — V. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι με τη μείωση του ρεύματος, τέτοιες παράμετροι του τόξου όπως η διατομή της κάννης, η θερμοκρασία, δεν έχουν χρόνο να αλλάξουν γρήγορα και να αποκτήσουν τιμές που αντιστοιχούν σε χαμηλότερη τιμή του ρεύματος σε σταθερή κατάσταση.

Πτώση τάσης κενού τόξου:

Ud = Usc + EdId,

όπου Us = Udo + Ua — πτώση τάσης κοντά στο ηλεκτρόδιο, Ed — διαμήκης κλίση τάσης στο τόξο, ID — το μήκος του τόξου.

Από τον τύπο προκύπτει ότι καθώς αυξάνεται το μήκος του τόξου, η πτώση τάσης κατά μήκος του τόξου θα αυξάνεται και το χαρακτηριστικό I — V θα βρίσκεται υψηλότερα.

Ασχολούνται με το τόξο στο σχεδιασμό ηλεκτρικών συσκευών μεταγωγής. Οι ιδιότητες του ηλεκτρικού τόξου χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις ηλεκτροσυγκόλλησης με τόξο και στο φούρνοι τήξης τόξου.