Elektrody łukowe ze względu na wysoką temperaturę emitują oślepiające światło, dlatego łuk elektryczny jest jednym z najlepszych źródeł światła. Zużywa tylko około 0,3 wata na świecę i jest znacznie bardziej oszczędny. Niż najlepsze żarówki. Łuk elektryczny został po raz pierwszy użyty do oświetlenia przez P. N. Jabłoczkowa w 1875 roku i został nazwany „światłem rosyjskim” lub „światłem północnym”.
Łuk elektryczny wykorzystuje się także do spawania części metalowych (spawanie łukiem elektrycznym). Obecnie łuk elektryczny jest bardzo szeroko stosowany w przemysłowych piecach elektrycznych. W światowym przemyśle około 90% stali narzędziowej i prawie wszystkie stale specjalne wytapia się w piecach elektrycznych.
Dużym zainteresowaniem cieszy się łuk rtęciowy płonący w rurce kwarcowej, tzw. lampie kwarcowej. W tej lampie wyładowanie łukowe nie następuje w powietrzu, ale w atmosferze par rtęci, dla której do lampy wprowadza się niewielką ilość rtęci, a powietrze jest wypompowywane. Światło łuku rtęciowego jest niezwykle bogate w niewidzialne promienie ultrafioletowe, które mają silne działanie chemiczne i fizjologiczne. Lampy rtęciowe znajdują szerokie zastosowanie w leczeniu różnych chorób („sztuczne słońce górskie”), a także w badaniach naukowych jako silne źródło promieni ultrafioletowych.
Wyładowanie jarzeniowe. Oprócz iskry, korony i łuku w gazach istnieje inna forma niezależnego wyładowania - tzw. wyładowanie jarzeniowe. Aby uzyskać tego typu wyładowanie, wygodnie jest użyć szklanej rurki o długości około pół metra, zawierającej dwie metalowe elektrody. Podłączmy elektrody do źródła prądu stałego o napięciu kilku tysięcy woltów (zrobi to maszyna elektryczna) i stopniowo wypompujmy powietrze z rurki. Pod ciśnieniem atmosferycznym gaz wewnątrz rurki pozostaje ciemny, ponieważ przyłożone napięcie kilku tysięcy woltów nie jest wystarczające, aby przebić długą szczelinę gazową. Gdy jednak ciśnienie gazu dostatecznie spadnie, w rurze pojawia się wyładowanie świetlne. Wygląda jak cienki sznur (karmazynowy w powietrzu, inne kolory w innych gazach) łączący obie elektrody. W tym stanie kolumna gazowa dobrze przewodzi prąd.
W miarę dalszej ewakuacji świetlisty sznur rozmywa się i rozszerza, a blask wypełnia prawie całą tubę. Wyróżnia się dwie części wyładowania: 1) część nieświecącą przylegającą do katody, zwaną ciemną przestrzenią katodową; 2) świetlista kolumna gazu wypełniająca resztę rury, aż do anody. Ta część wyładowania nazywana jest kolumną dodatnią.
I tak to działa. Podczas wyładowania jarzeniowego gaz dobrze przewodzi prąd, co oznacza, że w gazie przez cały czas utrzymuje się silna jonizacja. W tym przypadku, w przeciwieństwie do wyładowania łukowego, katoda pozostaje cały czas zimna. Dlaczego w tym przypadku dochodzi do powstawania jonów?
Spadek potencjału lub napięcia na każdy centymetr długości słupa gazu w wyładowaniu jarzeniowym jest bardzo różny w różnych częściach wyładowania. Okazuje się, że prawie cały spadek potencjału następuje w ciemnej przestrzeni. Różnica potencjałów istniejąca między katodą a najbliższą jej granicą przestrzeni nazywana jest spadkiem potencjału katody. Mierzy się go w setkach, a w niektórych przypadkach tysiącach woltów. Wydaje się, że całe wyładowanie występuje w wyniku upadku katody.
Znaczenie spadku katody polega na tym, że jony dodatnie, przepływając przez tę dużą różnicę potencjałów, uzyskują większą prędkość. Ponieważ padanie katody jest skoncentrowane w cienkiej warstwie gazu, prawie nie dochodzi tu do zderzeń jonów z atomami gazu, dlatego też przechodząc przez obszar padania katody, jony uzyskują bardzo dużą energię kinetyczną. W efekcie zderzając się z katodą, wybijają z niej pewną liczbę elektronów, które zaczynają przemieszczać się w stronę anody. Przechodząc przez ciemną przestrzeń, elektrony są z kolei przyspieszane przez spadek potencjału katody, a zderzając się z atomami gazu w dalszej części wyładowania, powodują jonizację uderzeniową. Powstające w tym przypadku jony dodatnie są ponownie przyspieszane przez spadek katody i wybijają z katody nowe elektrony itp. Zatem wszystko się powtarza, dopóki na elektrodach jest napięcie.
Oznacza to, że przyczyną jonizacji gazu w wyładowaniu jarzeniowym jest jonizacja uderzeniowa i wybijanie elektronów z katody przez jony dodatnie.
Wyładowanie to wykorzystywane jest głównie do oświetlenia. Stosowany w świetlówkach.
DO C L A D
na temat: „RODZAJE WYŁADOWAŃ I ICH ZASTOSOWANIE”
Ukończył: Shutov E.Yu.
10. klasa
Sprawdziłem.
Jeżeli po zapaleniu wyładowania iskrowego rezystancja obwodu będzie stopniowo zmniejszana, natężenie prądu w iskrze wzrośnie. Kiedy rezystancja obwodu staje się wystarczająco niska, następuje nowa forma wyładowania gazowego, zwana wyładowaniem łukowym (patrz Dodatek 1.5). W tym przypadku prąd gwałtownie wzrasta, osiągając dziesiątki i setki amperów, a napięcie na szczelinie wyładowczej spada do kilkudziesięciu woltów. Pokazuje to, że w wyładowaniu powstają nowe procesy, nadające gazowi bardzo wysoką przewodność.
Wyładowanie łukowe można uzyskać ze źródła niskiego napięcia, z pominięciem stopnia iskrowego. Profesor fizyki Akademii Medyczno-Chirurgicznej w Petersburgu V.V. Petrov, który odkrył tę ważną formę wyładowania gazowego w 1802 roku, wytworzył łuk elektryczny, odpychając od siebie dwa kawałki węgla drzewnego, wcześniej zetknięte i połączone z potężną baterią galwaniczną komórki. Odkrył, że w tym przypadku pomiędzy końcami węgli pojawiła się jasno świecąca kolumna gazu, a same węgle nagrzały się do oślepiającego blasku.
Obecnie najczęściej łuk elektryczny płonący pod ciśnieniem atmosferycznym powstaje pomiędzy specjalnymi elektrodami węglowymi, wykonanymi poprzez prasowanie sproszkowanego grafitu, a spoiwami (węglem łukowym). Najgorętszym punktem łuku jest zagłębienie utworzone na elektrodzie dodatniej i nazywane jest „kraterem łukowym”. Jego temperatura przy ciśnieniu atmosferycznym wynosi około 4000 K, a przy ciśnieniu 20 atm przekracza 7000 K, tj. wyższa niż temperatura zewnętrznej powierzchni Słońca (około 6000 K).
Jaki jest główny powód wysokiej przewodności elektrycznej gazu podczas wyładowania łukowego? Ustalono, że dobra przewodność elektryczna łuku jest utrzymywana dzięki wysokiej temperaturze elektrody ujemnej, spowodowanej intensywną emisją termoelektryczną. Dobrze potwierdza to fakt, że w wielu przypadkach stabilny łuk można uzyskać tylko wtedy, gdy katoda ma wysoką temperaturę, natomiast temperatura anody nie ma większego znaczenia. Jeśli więc przykładowo jedna z elektrod łukowych jest wykonana z pręta węglowego, a druga z masywnej, dobrze schłodzonej płyty miedzianej, a pręt węglowy zostanie przesunięty w pobliże płytki (aby nie mógł się nagrzać), to stabilny łuk występuje tylko pod kątem ujemnym. Jeśli płyta służy jako biegun ujemny, wówczas łuk okresowo zapala się i gaśnie ponownie, a uzyskanie stabilnego spalania jest niemożliwe. Wyładowanie łukowe występuje we wszystkich przypadkach, gdy w wyniku nagrzania katody emisja termojonowa staje się główną przyczyną jonizacji gazu. Na przykład podczas wyładowania jarzeniowego jony dodatnie bombardujące katodę nie tylko powodują wtórną emisję elektronów, ale także podgrzewają katodę. Dlatego jeśli zwiększymy prąd w wyładowaniu jarzeniowym, temperatura katody wzrośnie, a gdy osiągnie taką wartość, że rozpoczyna się zauważalna emisja termojonowa, wyładowanie jarzeniowe zamienia się w łuk. W tym przypadku zanika również spadek potencjału katody.
Oprócz omówionych powyżej łuków termionowych, wyładowania łukowe obserwuje się również przy stosunkowo niskiej temperaturze katody (na przykład w rtęciowej lampie łukowej).
Łuk elektryczny został po raz pierwszy użyty do oświetlenia w 1875 roku przez rosyjskiego inżyniera-wynalazcę P.N. Jabłoczkina (1847–1894) i otrzymał nazwę „rosyjskie światło” lub „światło północne”. W „świecie Jabłoczkowa” węgle ułożono równolegle i oddzielono zakrzywioną warstwą, a ich końce połączono przewodzącym „mostkiem zapłonowym”. Po włączeniu prądu mostek zapłonowy przepalił się i pomiędzy węglami utworzył się łuk elektryczny. Podczas spalania węgli warstwa izolacyjna wyparowała.
Liczne badania łuków elektrycznych z zimnymi elektrodami pokazują, że źródłem silnej emisji elektronów z katody jest mała, jasno świecąca i stale poruszająca się plamka na katodzie, która zawsze pojawia się w takich łukach (plamka katodowa). Gęstość prądu w miejscu katody jest ogromna i może osiągnąć 10 10 -10 11 A/m2. Przyczyną powstawania plamki katodowej jest silny wzrost stężenia jonów dodatnich na katodzie, co powoduje wytworzenie bardzo silnego lokalnego pola elektrycznego, powodującego potężną emisję polową. Dlatego łuki elektryczne z zimnymi katodami nazywane są czasami łukami polowo-elektronowymi. Plamka katodowa może wystąpić nie tylko na powierzchni rtęci, ale także na dowolnej elektrodzie z litego metalu.
Ze względu na wysoką temperaturę elektrody łukowe emitują oślepiające światło (jarzenie kolumny łuku jest słabsze, ponieważ emisyjność gazu jest mała), dlatego łuk elektryczny jest jednym z najlepszych źródeł światła. Łuk elektryczny jest szeroko stosowany w instalacjach projekcyjnych, reflektorowych i innych. Pobierana przez nią moc właściwa jest mniejsza niż w przypadku lamp żarowych. Zużywa tylko około 3 watów na kandelę i jest znacznie bardziej ekonomiczna niż najlepsze żarówki.
Jako źródła światła stosowane są również wysokociśnieniowe lampy łukowe. Dużym zainteresowaniem cieszy się łuk rtęciowy płonący w rurce kwarcowej, tzw. lampie kwarcowej. W tej lampie wyładowanie łukowe nie następuje w powietrzu, ale w atmosferze par rtęci, dla której do lampy wprowadza się niewielką ilość rtęci, a powietrze jest wypompowywane. Światło łuku rtęciowego jest niezwykle bogate w promienie ultrafioletowe, które mają silne działanie chemiczne i fizjologiczne. Aby móc wykorzystać to promieniowanie, lampa została wykonana nie ze szkła, które silnie pochłania promienie UV, ale ze stopionego kwarcu. Lampy rtęciowe mają szerokie zastosowanie w leczeniu różnych chorób, a także w badaniach naukowych jako silne źródło promieniowania ultrafioletowego.
W 1882 roku N. N. Benardos po raz pierwszy zastosował wyładowanie łukowe do cięcia i spawania metalu. Wyładowanie pomiędzy nieruchomą elektrodą węglową a metalem podgrzewa połączenie dwóch blach (lub płyt) i powoduje ich spawanie. Benardos zastosował tę samą metodę do cięcia metalowych płyt i tworzenia w nich otworów. W 1888 r. N. G. Slavyanov ulepszył tę metodę spawania, zastępując elektrodę węglową metalową. Wysoka temperatura wyładowania łukowego umożliwia wykorzystanie go do budowy pieca łukowego. Obecnie piece łukowe zasilane bardzo dużym prądem znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu: do wytopu stali, żeliwa, żelazostopów, brązu, do produkcji węglika wapnia, tlenku azotu itp.
Kanał prądu świetlnego tego wyładowania był łukowy, co dało podstawę do nazwy D. r.
Formacja D. r. poprzedzony krótkim, niestacjonarnym procesem w przestrzeni pomiędzy elektrodami – szczeliną wyładowczą. Czas trwania tego procesu (czas powstania D. r.) to zwykle wyładowanie łukowe 10 -6 -10 -4 sek w zależności od ciśnienia i rodzaju gazu, długości szczeliny wyładowczej, stanu powierzchni elektrod itp. Dr. uzyskiwany poprzez jonizację gazu w szczelinie wyładowczej (np. przy użyciu pomocniczej, tzw. elektrody zapłonowej). W pozostałych przypadkach, aby uzyskać D. r. podgrzać jedną lub obie elektrody do wysokiej temperatury lub rozsunąć na krótki czas elektrody zamknięte. Dr. może również powstać w wyniku awarii elektrycznej przerwy wyładowczej (patrz Awaria elektryczna) podczas krótkotrwałego gwałtownego wzrostu napięcia między elektrodami. Jeżeli do przebicia dochodzi przy ciśnieniu gazu zbliżonym do atmosferycznego, wówczas niestacjonarnym procesem poprzedzającym przebicie jest wyładowanie iskrowe.
Typowe parametry D. r. Dla D. r. charakteryzuje się niezwykłą różnorodnością form, jakie przybiera: może występować przy niemal każdym ciśnieniu gazu – od mniej niż 10 -5 mmHg Sztuka. aż do setek bankomat; różnica potencjałów pomiędzy elektrodami D. r. może przyjmować wartości od kilku woltów do kilku tysięcy woltów (wysokie napięcie D. r.). Dr. może wystąpić nie tylko przy stałym, ale także przy napięciu przemiennym między elektrodami. Jednak półcykl napięcia przemiennego jest zwykle znacznie dłuższy niż czas potrzebny do ustalenia napięcia, co pozwala uważać każdą elektrodę za katodę w jednym półokresie, a jako anodę w następnym półokresie. cykl. Charakterystyczne cechy wszystkich form D. r. (ściśle związane z naturą emisji elektronów z katody w tego typu wyładowaniach) to mała wartość spadku katody (patrz spadek katody) i duża gęstość prądu na katodzie. Spadek katody w D. r. zwykle rzędu potencjału jonizacji (patrz potencjał jonizacji ) gazu roboczego lub nawet niższego (1-10 V); Gęstość prądu na katodzie wynosi 10 2 -10 7 a/cm2. Przy tak dużej gęstości prądu natężenie prądu w D. r. zwykle również duże - około 1-10 A i wyższe, a także w niektórych formach D. r. osiąga wiele setek i tysięcy amperów. Istnieją jednak również D. r. o niskim natężeniu prądu (na przykład D. R. z katodą rtęciową może palić się przy prądzie 0,1 A i poniżej).
Emisja elektronowa w D. rub. Zasadnicza różnica między D. r. od innych rodzajów stacjonarnych wyładowań elektrycznych w gazie wynika z natury procesów elementarnych zachodzących na katodzie i w obszarze przykatodowym. Jeżeli w wyładowaniu jarzeniowym (patrz wyładowanie jarzeniowe) i ujemnym wyładowaniu koronowym (patrz wyładowanie koronowe) występuje wtórna emisja elektronów, to w D. r. elektrony wylatują z katody w procesach emisji termionowej (patrz emisja termionowa) i emisji polowej (zwanej także emisją tunelową (patrz emisja tunelowa)). Kiedy w D. r. Zachodzi tylko pierwszy z tych procesów, nazywany termojonowym. Intensywność emisji termoelektrycznej zależy od temperatury katody; dlatego za istnieniem termojonu D. r. konieczne jest podgrzanie katody lub jej poszczególnych sekcji do wysokiej temperatury. Ogrzewanie takie odbywa się poprzez podłączenie katody do pomocniczego źródła energii (Dr. z ogrzewaniem zewnętrznym; D.r. ze sztucznym ogrzewaniem). Thermionic D. r. Dzieje się tak również wtedy, gdy temperatura katody zostanie dostatecznie podniesiona przez uderzenia jonów dodatnich powstających w szczelinie wyładowczej i przyspieszanych przez pole elektryczne w kierunku katody. Częściej jednak u D. r. Bez sztucznego ogrzewania intensywność emisji termoelektrycznej jest zbyt niska, aby utrzymać wyładowanie, a proces emisji polowej odgrywa znaczącą rolę. Połączenie tych dwóch rodzajów emisji nazywa się emisją pola termicznego.
Emisja pola z katody wymaga istnienia silnego pola elektrycznego na jej powierzchni. Takie pole w D. r. powstaje w wyniku ładunku objętościowego jonów dodatnich usuniętych z katody w odległości rzędu średniej swobodnej drogi (patrz Średnia droga swobodna) tych jonów (10 -6 -10 -4 cm). Obliczenia pokazują, że emisja polowa nie może niezależnie wspierać D. r. i zawsze w takim czy innym stopniu towarzyszy mu emisja termojonowa. Ze względu na trudność badania procesów w cienkiej warstwie przykatodowej przy dużych gęstościach prądu, dane eksperymentalne dotyczące roli emisji polowej w D.R. Nie zgromadzono jeszcze wystarczającej ilości. Analiza teoretyczna nie jest jeszcze w stanie w zadowalający sposób wyjaśnić wszystkich zjawisk obserwowanych w różnych postaciach D. r.
Związek między cechami D. r. i procesy emisji. Warstwa, w której powstaje pole elektryczne powodujące emisję pola, jest na tyle cienka, że nie powoduje dużego spadku różnicy potencjałów na katodzie. Aby jednak to pole było wystarczająco silne, objętościowa gęstość ładunku jonów na katodzie, a co za tym idzie, gęstość prądu jonowego, musi być duża. Emisja termionowa może również zachodzić przy niskiej energii kinetycznej jonów na katodzie (tj. przy małym padaniu na katodę), jednak w tych warunkach wymaga dużej gęstości prądu – katoda nagrzewa się tym bardziej, im większa jest liczba bombardujących ją jonów . Zatem charakterystyczne cechy D. r. (mały spadek katody i duża gęstość prądu) wynikają z natury procesów przykatodowych.
Plazma D. r. Szczelina wyładowcza D. r. wypełnione plazmą, złożoną z elektronów, jonów, neutralnych i wzbudzonych atomów oraz cząsteczek gazu roboczego i substancji elektrody. Średnie energie cząstek różnych typów w plazmie D. r. może być inny. Dlatego też, mówiąc o temperaturze elektronu, rozróżnia się temperaturę jonową, temperaturę elektronu i temperaturę składnika neutralnego. Jeśli te temperatury są równe, plazmę nazywa się izotermiczną.
Zależny D. r. D. r. nazywany jest zależnym. ze sztucznym ogrzewaniem katody, ponieważ takiego wyładowania nie można utrzymać przy użyciu własnej energii: gdy zewnętrzne źródło ciepła jest wyłączone, gaśnie. Wyładowanie można łatwo zapalić bez pomocniczych elektrod zapłonowych. Zwiększenie napięcia takiego D. r. po pierwsze, wzmacnia swój prąd do wartości określonej przez intensywność emisji termoelektrycznej z katody przy danej temperaturze żarnika. Następnie do pewnego napięcia krytycznego prąd pozostaje prawie stały (tzw. tryb swobodny). Kiedy napięcie przekroczy wartość krytyczną, zmienia się charakter emisji z katody: efekt fotoelektryczny i wtórna emisja elektronów zaczynają odgrywać w nim znaczącą rolę (energia jonów dodatnich staje się wystarczająca do wybicia elektronów z katody). Prowadzi to do gwałtownego wzrostu prądu rozładowania - przechodzi w tryb niewoli.
Pod pewnymi warunkami D. r. przy sztucznym nagrzewaniu pali się nadal równomiernie, gdy napięcie między elektrodami spadnie do wartości mniejszych nie tylko od potencjału jonizacji gazu roboczego, ale także od jego najniższego potencjału wzbudzenia. Ta forma D. r. zwany łukiem niskonapięciowym. Jego istnienie wynika z pojawienia się w pobliżu katody maksymalnego potencjału, przekraczającego potencjał anody i zbliżonego do pierwszego potencjału wzbudzenia gazu, w wyniku czego możliwa staje się stopniowa jonizacja (patrz Jonizacja).
Niezależny D. r. Utrzymanie takiego D. r. odbywa się dzięki energii samego wyładowania. O katodach ogniotrwałych (wolfram, molibden, grafit) niezależny D. r. ma charakter czysto termionowy - bombardowanie jonami dodatnimi podgrzewa katodę do bardzo wysokiej temperatury. Substancja niskotopliwej katody intensywnie odparowuje podczas D. r.; parowanie chłodzi katodę, a jej temperatura nie osiąga wartości, przy których wyładowanie może być wspomagane samą emisją termionową - wraz z nią następuje emisja polowa.
Niezależny D. r. może występować zarówno przy skrajnie niskich ciśnieniach gazów (tzw. łuki próżniowe), jak i przy wysokich ciśnieniach. Osocze niezależnego D. r. niskie ciśnienie charakteryzuje się nieizotermicznością: temperatura jonów tylko nieznacznie przekracza temperaturę gazu obojętnego w przestrzeni otaczającej obszar wyładowania, podczas gdy temperatura elektronów sięga dziesiątek tysięcy stopni, a w wąskich rurkach i przy dużych prądach - setki tysięcy. Wyjaśnia to fakt, że bardziej mobilne elektrony, odbierające energię z pola elektrycznego, nie mają czasu na przeniesienie jej na ciężkie cząstki w rzadkich zderzeniach.
W D. r. Plazma wysokociśnieniowa jest izotermiczna (dokładniej quasi-izotermiczna, ponieważ chociaż temperatury wszystkich składników są równe, to temperatura w różnych częściach kolumny plazmy nie jest taka sama). Ta forma D. r. charakteryzuje się znaczną siłą prądu (od 10 do 10 3 A) i wysoką temperaturę plazmy (około 10 4 DO). Najwyższe temperatury w takiej rzece D. osiąga się poprzez chłodzenie łuku przepływem cieczy lub gazu - kanał prądowy „schłodzonego łuku” staje się cieńszy i przy tej samej wartości prądu bardziej się nagrzewa. To jest ta forma D. r. zwany łukiem elektrycznym - pod wpływem skierowanych zewnętrznie lub konwekcyjnych przepływów gazu spowodowanych samym wyładowaniem, kanał prądowy D. r. pochyla się.
Plamy katodowe. Niezależny D. r. Katody niskotopliwe wyróżniają się tym, że termiczna autoemisja elektronów zachodzi w nich jedynie z małych obszarów katody – tzw. plamek katodowych. Małe rozmiary tych plamek (mniej niż 10 -2 cm) spowodowane są efektem zaciskania - skurczem kanału prądowego pod wpływem własnego pola magnetycznego. Gęstość prądu w miejscu katody zależy od materiału katody i może sięgać dziesiątek tysięcy a/cm2. Dlatego w plamach katodowych dochodzi do intensywnej erozji - strumienie pary substancji katodowej wylatują z nich z prędkością rzędu 10 6 cm/sek. Plamy katodowe powstają również podczas D. r. na katodach ogniotrwałych, jeśli ciśnienie gazu roboczego jest mniejsze niż około 10 2 mmHg Sztuka. Przy wyższych ciśnieniach emisja pola termicznego D. r. z plamami katodowymi poruszającymi się chaotycznie wzdłuż katody, przekształca się w promieniowanie termionowe. bez plamki katodowej.
Zastosowania D. r. Dr. szeroko stosowany w piecach łukowych (patrz Piec łukowy) do wytapiania metali, w wyładowczych źródłach światła (patrz), w spawaniu elektrycznym (patrz Spawanie elektryczne) i służy jako źródło plazmy w plazmotronach. Różne formy D. r. występują w wypełnionych gazem i próżniowych przetwornikach prądu elektrycznego (prostownikach prądu rtęciowego (patrz Prostownik prądu), przełącznikach elektrycznych gazu i próżni (patrz Przełącznik elektryczny) itp.). Dr. ze sztucznym ogrzewaniem katody jest stosowany w lampach fluorescencyjnych (patrz lampa fluorescencyjna), Gazotron ah, tyratron ah, źródłach jonów i źródłach wiązek elektronów.
Oświetlony.: Prąd elektryczny w gazie. Prąd stały, M., 1971; Kesaev I.G., Procesy katodowe łuku elektrycznego, M., 1968; Finkelnburg V., Mecker G., Łuki elektryczne i plazma termiczna, przeł. z języka niemieckiego, M., 1961; Engel A., Gazy zjonizowane, przeł. z języka angielskiego, M., 1959; Kaptsov N. A., Zjawiska elektryczne w gazach i próżni, M.-L., 1947.
AK Musin.
Wielka encyklopedia radziecka. - M .: Encyklopedia radziecka. 1969-1978 .
wyładowanie łukowe- wyładowanie łukowe; przemysł wyładowanie łukowe; łuk galwaniczny Wyładowanie elektryczne, w którym pole elektryczne w szczelinie wyładowczej zależy głównie od wielkości i umiejscowienia w niej ładunków kosmicznych, charakteryzujące się małą katodą ... ... Politechniczny słownik terminologiczny objaśniający
Wyładowanie elektryczne w gazach, charakteryzujące się dużą gęstością prądu i niewielkim spadkiem potencjału w pobliżu katody. Wspomagane emisją termoelektryczną lub emisją polową z katody. Temperatura gazu w kanale wyładowania łuku przy... ... Wielki słownik encyklopedyczny
WYŁADOWANIE ŁUKU- jeden z rodzajów niezależnych wyładowań elektrycznych w gazie, charakteryzujący się dużą gęstością prądu. Zjonizowany gaz podgrzany do wysokiej temperatury w kolumnie pomiędzy elektrodami, do której przyłożone jest napięcie elektryczne, znajduje się w... ... Wielka encyklopedia politechniczna
wyładowanie łukowe- lankinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. wyładowanie łukowe; łuk elektryczny w voku gazowym. Bogenentladung, f rus. wyładowanie łukowe, m; wyładowanie łukowe w gazie, m pranc. décharge d'arc, f; décharge en régime d'arc, f; décharge par arc, f … Fizikos terminų žodynas
Wyładowanie elektryczne w gazach, spalające się przy prawie każdym ciśnieniu gazu przekraczającym 10 2 10 3 mm Hg. Sztuka.; charakteryzuje się dużą gęstością prądu na katodzie i niewielkim spadkiem potencjału. Po raz pierwszy zaobserwowany w powietrzu w 1802 roku przez V.V. Pietrowa... ... słownik encyklopedyczny
Łuk elektryczny w powietrzu Łuk elektryczny jest zjawiskiem fizycznym, jednym z rodzajów wyładowań elektrycznych w gazie. Synonimy: łuk galwaniczny, wyładowanie łukowe. Po raz pierwszy został opisany w 1802 roku przez rosyjskiego naukowca V.V. Pietrowa. Łuk elektryczny to... ... Wikipedia
wyładowanie łukowe- lankinis išlydis statusas T sritis automatika atitikmenys: engl. wyładowanie łukowe vok. Bogenentladung, f; Lichtbogenentladung, f rus. wyładowanie łukowe, m pranc. rozładowanie d arc, f; décharge en arc, f … Automatikos terminų žodynas
wyładowanie łukowe- lankinis išlydis statusas T sritis chemija apibrėžtis Savaiminio elektros išlydžio dujose rūšis. atitikmenys: pol. wyładowanie łukowe ros. wyładowanie łukowe... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Łuk elektryczny powstaje przy dużej gęstości prądu rozładowania i spadku potencjału katody wynoszącym zaledwie od dwóch do trzech dziesiątych woltów. W normalnych warunkach wyładowanie łukowe jest podtrzymywane przez emisję elektronów z powierzchni katody nagrzanej uderzeniami jonów (ustalało to w 1905 r. akademik V.F. Mitkiewicz). Wraz z emisją termionową, przewodność elektryczna łuku spowodowana wysoką temperaturą jest utrzymywana przez jonizację termiczną.
Ryż. 169. Wyładowanie łukowe pod obniżonym ciśnieniem.
Ryż. 170. Łuk pod normalnym ciśnieniem.
Pod wieloma innymi względami wyładowanie łukowe ma wiele wspólnego z wyładowaniem jarzeniowym, zwłaszcza jeśli łuk jest zajarzany pod stosunkowo niskim ciśnieniem (i, co jest typowe dla łuku, przy dużej gęstości prądu). Wygląd łuku przy niskim ciśnieniu pokazano na ryc. 169, Przy wysokich ciśnieniach dodatnia kolumna łuku ma wygląd mniej więcej cienkiego, jasno świecącego sznura. Na ryc. 170 przedstawia charakterystyczny widok łuku i strefy wyładowania przy normalnym ciśnieniu.
W przypadku łuku wyładowanie na katodzie koncentruje się w małej, jasnej plamce na katodzie. Pod ciśnieniem atmosferycznym gęstość prądu wyładowczego w miejscu katody dla katody węglowej jest równa
dla katody żelaznej, dla łuku z elektrodami rtęciowymi. W miarę spalania łuku katoda węglowa staje się ostrzejsza, a na anodzie, przeciwnie, powstaje wgłębienie - krater łuku dodatniego. W dodatniej strefie jarzenia temperatura gazu dla łuku przy ciśnieniu atmosferycznym osiąga 6000° K. Dla łuku pod ciśnieniem dziesiątek i setek atmosfer temperatura gazu w kolumnie odłączonego łuku dodatniego osiąga 10 000°. Temperatura dodatniego krateru i plamki katodowej jest znacznie niższa. Zatem pod ciśnieniem atmosferycznym temperatura nagrzanej powierzchni anody dla anody węglowej i wolframowej wynosi około 4200° K, a temperatura plamki katodowej wynosi 2000-3000°. Fakt, że katoda ma niższą temperaturę niż anoda, tłumaczy się po pierwsze tym, że anoda jest bombardowana głównie przez elektrony, katoda przez jony, które mają mniejszą drogę swobodną, a co za tym idzie mniejszą energię, a po drugie , przez to, że część Energia dostarczona do katody podczas wyładowania jest zużywana na emisję termionową.
Ryż. 171. Charakterystyki prądowo-napięciowe łuku w różnych odległościach między elektrodami.
Wraz ze wzrostem prądu znacznie wzrasta przewodność elektryczna łuku, wraz ze wzrostem emisji termojonowej i jonizacji termicznej. Opór pomiędzy węglem łukowym maleje wraz ze wzrostem prądu w przybliżeniu zgodnie z prawem.W przypadku łuku pomiędzy metalowymi elektrodami wykładnik drugiego członu jest różny od 2 i nie jest taki sam dla różnych metali.
Wpływ ładunków kosmicznych na łuk objawia się pojawieniem się znacznej (około 10 V) odwrotnej siły elektromotorycznej, którą należy pokonać napięciem przyłożonym do elektrod:
W rezultacie wraz ze wzrostem prądu różnica potencjałów na elektrodach maleje; więc dla łuku między węglami
Rezultatem jest opadająca charakterystyka woltoamperowa łuku (ryc. 171). Kiedy prąd wzrośnie do pewnego
Po osiągnięciu wartości krytycznej różnica potencjałów na elektrodach gwałtownie spada, o około 10 V, a łuk staje się niespokojny (łuk zaczyna syczeć). Im większa odległość między elektrodami, tym większe powinno być napięcie przyłożone do elektrod łukowych i tym wyższa jest charakterystyka prądowo-napięciowa.
Jeżeli w wyniku przypadkowego ochłodzenia szczeliny wyładowczej prąd w łuku spadnie, to jak wynika z powyższego, należy zwiększyć napięcie na elektrodach, w przeciwnym razie łuk zgaśnie (poprzez zbliżenie elektrod do siebie) , można oczywiście utrzymać łuk do czasu ostygnięcia katody). Aby zapewnić stabilne spalanie łuku, do obwodu zewnętrznego wprowadza się szeregowo z łukiem rezystancję reostatu („rezystancję spoczynkową”). Wraz z losowym spadkiem prądu w łuku zmniejsza się również spadek napięcia na rezystancji tłumiącej, dlatego też, jeśli dostarczane napięcie pozostaje stałe, jego część, która spada na łuk, odpowiednio wzrasta.
Ryż. 172. Lampa łukowa rtęciowa.
Ryż. 173. Lampa SVD,
Łuk elektryczny ma różnorodne zastosowania. Jego zastosowanie do spawania elektrycznego opisano w § 27. Przy zastosowaniu łuku do zapalania węgle wykonuje się z wywierconym wzdłuż osi kanałem i wypełnionym w postaci knota solami metali, których para zwiększa strumień świetlny płomień łukowy (węgle knotowe). Podobne, tak zwane łuki płomieniowe zużywają około jednej świecy, zamiast jak zwykłe łuki z czystymi węglami. Podczas używania łuków w reflektorach stosuje się prąd o wartości setek amperów; powstałe światło łuku setek tysięcy świec jest skupiane przez światło punktowe na miliardach świec.
Powszechnie stosowane są lampy łukowe rtęciowe z elektrodami rtęciowymi w cylindrach kwarcowych – „sztuczne górskie słońce” (ryc. 172). Aby zapalić taką lampę, należy ją przechylić; strumień rtęci łączy elektrody, a po obróceniu lampy do pozycji pionowej w miejscu załamania strumienia powstaje łuk.
Obecnie wyładowanie łukowe jest szeroko stosowane w lampach „ultrawysokociśnieniowych” (lampach SVD). Lampy te to grubościenne kuliste kolby kwarcowe z wlutowanymi w nie elektrodami wolframowymi (ryc. 173). Lampa zapala się ze źródła wysokiego napięcia za pomocą trzeciej elektrody. Wyładowanie łukowe przeprowadza się w parach rtęci pod ciśnieniem około 100 atmosfer lub lampy napełnia się gazem obojętnym (neon, argon, krypton, ksenon) pod ciśnieniem około 20 atmosfer.
W przemyśle chemicznym szeroko stosowane są elektryczne piece łukowe, w których ogrzewanie wyładowaniem łukowym jest połączone z ogrzewaniem prądem przewodzącym. Piece te służą do topienia substancji reagujących
i jednocześnie prowadzić reakcję w wysokiej temperaturze. W ten sposób z wapna i koksu otrzymuje się na przykład miliony ton węglika wapnia. (Podczas kontaktu węglika wapnia z wodą powstaje acetylen, który wykorzystuje się do spawania autogenicznego, do syntezy związków organicznych, do przetwarzania na cyjanek wapnia, który służy jako nawóz itp.) W przemyśle chemicznym łuk jest używany również do przeprowadzania szeregu reakcji; na przykład opracowano i zastosowano metodę wytwarzania tlenku azotu z powietrza (zgodnie z równaniem, a następnie utlenianie w celu wytworzenia kwasu azotowego. Istnieje metoda obróbki benzyny w wyładowaniu gazowym w celu zwiększenia jej właściwości palnych. W mieszaninie gazów wodoru i azotu wyładowania (zwłaszcza jarzeniowe) prowadzą do powstania amoniaku.Ciche wyładowania służą do produkcji ozonu z tlenu itp.
W elektrotechnice wyładowanie łukowe stosuje się w urządzeniach służących do prostowania prądu, na przykład w prostownikach rtęciowych.
WSTĘP.
Właściwości wyładowania łukowego.
1. Tworzenie się łuku.
2. Miejsce katodowe. Wygląd i poszczególne części
wyładowanie łukowe.
3. Rozkład potencjałów i napięcie prądowe
charakterystyka wyładowania łukowego.
4. Temperatura i promieniowanie poszczególnych części wyładowania łukowego.
5. Wytwarzanie ciągłych oscylacji za pomocą prądu elektrycznego
łuk trilowy.
6. Dodatnie wyładowanie łuku przy wysokim poziomie
i ultrawysokie ciśnienie.
III. Zastosowanie wyładowań łukowych.
1. Nowoczesne metody obróbki elektrycznej.
2. Spawanie łukiem elektrycznym.
3. Technologia plazmowa.
4. Spawanie plazmowe.
IV. Wniosek.
Wyładowanie łukowe w postaci tzw. łuku elektrycznego (lub woltaicznego) odkrył po raz pierwszy w 1802 roku rosyjski naukowiec, profesor fizyki Wojskowej Akademii Medyczno-Chirurgicznej w Petersburgu, a później akademik petersburskiej uczelni Akademia Nauk Wasilij Władimirowicz Pietrow. W jednej z opublikowanych książek Pietrow w następujący sposób opisuje swoje pierwsze obserwacje łuku elektrycznego:
„Jeśli dwa lub trzy węgle umieścimy na szklanej płytce lub na ławce ze szklanymi nogami... i jeśli prowadnice izolowane metalem... połączone z obydwoma biegunami ogromnej baterii zostaną zbliżone do siebie na odległość jednego do trzy linie, następnie pomiędzy nimi pojawia się bardzo jasne białe światło lub płomień, od którego te węgle zapalają się szybciej lub wolniej i z którego można dość wyraźnie oświetlić ciemny spokój…”
Droga do łuku elektrycznego rozpoczęła się w czasach starożytnych. Nawet grecki Tales z Miletu, żyjący w VI wieku p.n.e., znał właściwość bursztynu, który po potarciu przyciągał lekkie przedmioty, takie jak pióra, słomę, włosy, a nawet tworzył iskierki. Do XVII wieku był to jedyny sposób elektryzowania ciał, który nie miał praktycznego zastosowania. Naukowcy szukali wyjaśnienia tego zjawiska.
Angielski fizyk William Gilbert (1544-1603) odkrył, że inne ciała (na przykład kryształ górski, szkło), takie jak bursztyn, mają właściwość przyciągania lekkich obiektów po pocieraniu. Właściwości te nazwał elektrycznymi, wprowadzając to określenie po raz pierwszy (po grecku bursztyn to elektron).
Burmistrz Magdeburga Otto von Guericke (1602-1686) zaprojektował jedną z pierwszych maszyn elektrycznych. Była to maszyna elektrostatyczna, czyli kula siarki zamontowana na osi. Jednym z biegunów był... sam wynalazca. Gdy obrócono klamkę, z dłoni zadowolonego burmistrza wyleciały niebieskawe iskry z lekkim trzaskiem. Później maszyna Guericke została udoskonalona przez innych wynalazców. Kulę siarkową zastąpiono szklaną, a zamiast dłoni badacza jako jeden z drążków zastosowano skórzane podkładki.
Duże znaczenie miał wynalezienie w XVIII wieku lejdejskiego kondensatora słoikowego, który umożliwił magazynowanie energii elektrycznej. Było to szklane naczynie wypełnione wodą, owinięte w folię. Metalowy pręt przechodzący przez korek zanurzono w wodzie.
Amerykański naukowiec Benjamin Franklin (1706-1790) udowodnił, że woda nie odgrywa żadnej roli w gromadzeniu ładunków elektrycznych, taką właściwość posiada szkło dielektryczne.
Maszyny elektrostatyczne stały się dość powszechne, ale tylko jako zabawne gadżety. Podejmowano natomiast próby leczenia pacjentów prądem elektrycznym, jednak trudno powiedzieć, jaki był efekt fizjoterapeutyczny takiego leczenia.
Francuski fizyk Charles Coulomb (1736-1806), twórca elektrostatyki, ustalił w 1785 roku, że siła oddziaływania pomiędzy ładunkami elektrycznymi jest proporcjonalna do ich wielkości i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
W latach czterdziestych XVIII wieku Benjamin Franklin wysunął teorię, że istnieje tylko jeden rodzaj elektryczności – specjalna materia elektryczna składająca się z maleńkich cząstek zdolnych do wnikania w materię. Jeśli ciało ma nadmiar materii elektrycznej, jest naładowane dodatnio; jeśli występuje niedobór, ciało jest naładowane ujemnie. Franklin wprowadził do praktyki znaki plus i minus oraz pojęcia: kondensator, przewodnik, ładunek.
Oryginalne teorie na temat natury elektryczności stworzyli M. V. Łomonosow (1711-1765), Leonhard Euler (1707-1783), Franz Apinus (1724-1802) i inni naukowcy. Pod koniec XVIII wieku właściwości i zachowanie ładunków stacjonarnych zostały dostatecznie zbadane i w pewnym stopniu wyjaśnione. Jednakże nic nie było wiadomo na temat ładunków przenoszących prąd elektryczny, ponieważ nie było urządzenia, które mogłoby wprawić w ruch dużą liczbę ładunków. Prądy odbierane z maszyny elektrostatycznej były zbyt małe, aby można je było zmierzyć.
1. Jeśli zwiększysz prąd w wyładowaniu jarzeniowym, zmniejszając opór zewnętrzny, to przy dużym prądzie napięcie na zaciskach lampy zacznie spadać, wyładowanie szybko się rozwija i zamienia w łuk. W większości przypadków przejście następuje nagle i prawie często prowadzi do zwarcia. Dobierając rezystancję obwodu zewnętrznego, można ustabilizować formę przejściową wyładowania i obserwować, przy określonych ciśnieniach, ciągłe przejście wyładowania jarzeniowego w łuk. Równolegle ze spadkiem napięcia pomiędzy elektrodami lampy następuje wzrost temperatury katody i stopniowy spadek spadku katody.
Zastosowanie zwykłej metody zapalania łuku poprzez rozsunięcie elektrod wynika z faktu, że łuk pali się przy stosunkowo niskich napięciach rzędu kilkudziesięciu woltów, natomiast do zapalenia wyładowania jarzeniowego potrzebne jest napięcie rzędu kilkudziesięciu kilowoltów pod ciśnieniem atmosferycznym. Proces zapłonu podczas rozsuwania elektrod tłumaczy się lokalnym nagrzewaniem elektrod w wyniku powstawania słabego kontaktu między nimi w momencie przerwania obwodu.
Kwestia rozwoju łuku w przypadku przerwy w obwodzie jest istotna technicznie nie tylko z punktu widzenia uzyskania „użytecznych” łuków, ale także z punktu widzenia zwalczania „szkodliwych” łuków, na przykład poprzez powstawanie łuk po otwarciu wyłącznika. Niech L będzie indukcyjnością własną obwodu, W będzie jego oporem, ع będzie siłą elektromotoryczną. źródło prądu, U(I) jest funkcją charakterystyki prądowo-napięciowej łuku. Wtedy musimy mieć: ع= L dI/dt+WI+U(I) (1) lub
LdI/dt=(ع-WI)-U(I)=∆ (2).
Różnica (ع - WI) to nic innego jak rzędna oporu bezpośredniego AB (rys. 1), a U(I) to rzędna łuku charakterystycznego dla danego I. Zatem dI/dt jest ujemne, tj. Aby prąd I z czasem z pewnością malał i pomiędzy elektrodami wyłącznika nie powstał trwały łuk, konieczne jest, aby
Ryc.1. Względne położenie linii rezystancji i charakterystyki prądowo-napięciowej łuku stałego dla przypadków: a) gdy łuk nie może wystąpić w przypadku przerwania obwodu; b) gdy w czasie przerwy w zakresie prądu odpowiadającym punktom P i Q pojawi się łuk.
∆ع-WI miało miejsce.
Aby to zrobić, charakterystyka ze wszystkimi jej punktami musi znajdować się powyżej linii oporu (ryc. 1, a). Ten prosty wniosek nie uwzględnia pojemności w obwodzie i dotyczy tylko prądu stałego.
Punkt przecięcia linii rezystancji z krzywą charakterystyki prądu i napięcia stałego łuku odpowiada najniższej granicy natężenia prądu stałego, przy której może wystąpić łuk w przypadku przerwania obwodu (ryc. 1, b). W przypadku wyłącznika otwierającego łuk prądu przemiennego, który gaśnie przy każdym przejściu napięcia przez zero, istotne jest, aby warunki panujące w szczelinie wyładowczej podczas otwierania nie pozwoliły na ponowne zajarzenie łuku wraz z późniejszym wzrostem napięcia bieżącego źródła. Wymaga to, aby wraz ze wzrostem napięcia szczelina wyładowcza była dostatecznie zdejonizowana. W przełącznikach silnych prądów przemiennych wzmożoną dejonizację uzyskuje się sztucznie poprzez wprowadzenie specjalnych elektrod, które odsysają naładowane cząsteczki gazu w wyniku dyfuzji bipolarnej, a także poprzez zastosowanie mechanicznego przedmuchu lub wystawienie wyładowania na działanie pola magnetycznego. Przy wysokich napięciach stosuje się przełączniki olejowe.
2. Plamka katodowa, nieruchoma na katodzie węglowej, na powierzchni ciekłej rtęci znajduje się w ciągłym, szybkim ruchu. Położenie plamki katodowej na powierzchni ciekłej rtęci można ustalić za pomocą metalowego kołka zanurzonego w rtęci i lekko z niej wystającego.
W przypadku małej odległości między anodą a katodą promieniowanie cieplne anody znacząco wpływa na właściwości plamki katodowej. Przy dostatecznie dużej odległości anody od katody węglowej wymiary plamki katodowej dążą do pewnej stałej wartości granicznej, a powierzchnia zajmowana przez plamkę katodową na elektrodzie węglowej w powietrzu jest proporcjonalna do natężenia prądu i odpowiada ciśnienie atmosferyczne wynosiło 470 A/cm². Dla łuku rtęciowego w próżni stwierdzono 4000 a/cm².
Wraz ze spadkiem ciśnienia zwiększa się obszar zajmowany przez plamkę katodową na katodzie węglowej przy stałym prądzie.
Ostrość widocznej granicy plamki katodowej tłumaczy się tym, że stosunkowo powolny spadek temperatury wraz z odległością od środka plamki odpowiada szybkiemu spadkowi zarówno promieniowania świetlnego, jak i emisji termoelektrycznej, co jest równoznaczne z ostrym „ granice optyczne” i „elektryczne” plamki.
Kiedy łuk pali się w powietrzu, katoda węglowa ulega zaostrzeniu, natomiast na anodzie węglowej, jeśli wyładowanie nie obejmuje całej przedniej powierzchni anody, powstaje okrągłe wgłębienie - krater łuku dodatniego.
Tworzenie plamki katodowej wyjaśniono w następujący sposób. Rozmieszczenie ładunków przestrzennych w cienkiej warstwie w pobliżu katody jest takie, że wyładowanie wymaga mniejszego przekroju kanału wyładowczego do jego utrzymania, tym mniejsza jest różnica potencjałów. Dlatego wyładowanie na katodzie musi się skurczyć.
W bezpośrednim sąsiedztwie miejsca katody znajduje się część wyładowania zwana szczotką katodową ujemną lub płomieniem ujemnym. Długość szczotki katodowej w łuku przy niskim ciśnieniu zależy od odległości, na jaką przelatują szybkie elektrony pierwotne, po otrzymaniu ich prędkości w obszarze spadku potencjału katody.
Pomiędzy szczotką ujemną a kolumną dodatnią znajduje się obszar podobny do ciemnej przestrzeni Faradaya wyładowania jarzeniowego. W łuku Pietrowa w powietrzu, oprócz negatywnego pędzla, pojawia się dodatni płomień i szereg aureoli. Analiza spektralna wskazuje na obecność szeregu związków chemicznych (cyjaniny i tlenków azotu) w tych płomieniach i aureolach.
Forma przerywana (nawet przy korzystaniu ze źródeł prądu stałego). Zwykle występuje w gazach pod ciśnieniem rzędu ciśnienia atmosferycznego. W warunkach naturalnych obserwuje się wyładowanie iskrowe w postaci błyskawicy. Z wyglądu wyładowanie iskrowe to wiązka jasnych, zygzakowatych, rozgałęzionych cienkich pasków, które natychmiast przenikają przez szczelinę wyładowczą, szybko gasną i stale...