Valokaari ja sen ominaisuudet

Sähkökaari — sähkön kulku kaasun läpi kahden elektrodin välillä, joista toinen on elektronien lähde (katodi). Elektrodi on johto, joka päättyy mihin tahansa sähköpiirin osaan.

Katodista suuria määriä emittoivia elektroneja aiheuttavat kaasun voimakasta ionisaatiota elektrodien välillä ja mahdollistavat siten suuren virran kulkemisen elektrodien välillä.

Sähkökaaren ominaisuus, toisin kuin tavanomaisessa kaasupurkauksessa, on, että se voi palaa alhaisella jännitteellä.

Sähkökaaren löysi pietarilainen fyysikko V. V. Petrov vuonna 1802 ja löysi tärkeitä sovelluksia tekniikassa.

Sähkökaari on purkauksen tyyppi, jolle on tunnusomaista suuri virrantiheys, korkea lämpötila, kohonnut kaasunpaine ja pieni jännitehäviö kaarivälin yli. Tällöin tapahtuu intensiivistä elektrodien (koskettimien) lämmitystä, joihin muodostuu ns. Katodiset ja anodipisteet. Katodin hehku on keskittynyt pieneen kirkkaaseen pisteeseen, vastakkaisen elektrodin hehkuva osa muodostaa anodipisteen.

Sateenkaaresta voidaan havaita kolme aluetta, jotka ovat hyvin erilaisia ​​niissä tapahtuvien prosessien luonteeltaan. Suoraan kaaren negatiiviselle elektrodille (katodille) on katodin jännitehäviön alue. Seuraavana on plasmakaaripiippu. Suoraan positiiviselle elektrodille (anodi) on anodinen jännitehäviön alue. Nämä alueet on esitetty kaavamaisesti kuvassa. 1.

Riisi. 1. Sähkökaaren rakenne

Katodisten ja anodisten jännitehäviön alueiden koot kuvassa ovat suuresti liioiteltuja. Todellisuudessa niiden pituus on hyvin pieni, esimerkiksi katodisen jännitehäviön pituus on elektronin vapaan liikeradan suuruusluokkaa (alle 1 mikroni). Anodin jännitehäviön alueen pituus on yleensä hieman suurempi kuin tämä arvo.

Normaaliolosuhteissa ilma on hyvä eriste. Joten 1 cm:n ilmavälin rikkomiseen tarvittava jännite on 30 kV. Jotta ilmaraosta tulisi johtime, siihen on luotava tietty pitoisuus varautuneita hiukkasia (elektroneja ja ioneja).

Kuinka sähkökaari syntyy

Sähkökaari, joka on varautuneiden hiukkasten virta, syntyy kosketuksen erotuksen alkuhetkellä vapaiden elektronien läsnäolon seurauksena kaariraon kaasussa ja katodin pinnalta emittoivista elektroneista. Koskettimien välisessä raossa olevat vapaat elektronit liikkuvat suurella nopeudella katodilta anodille sähkökenttävoimien vaikutuksesta.

Kentänvoimakkuus kosketusvälin alussa voi olla useita tuhansia kilovoltteja senttimetriä kohti.Tämän kentän voimien vaikutuksesta elektronit vedetään katodin pinnalta ja siirtyvät anodille lyömällä siitä elektroneja, jotka muodostavat elektronipilven. Tällä tavalla syntyvä alkuelektronivirtaus muodostaa edelleen voimakkaan kaarivälin ionisaation.

Ionisointiprosessien ohella deionisaatioprosessit tapahtuvat kaaressa rinnakkain ja jatkuvasti. Deionisaatioprosessit koostuvat siitä, että kun kaksi erimerkkistä ionia tai positiivinen ioni ja elektroni lähestyvät toisiaan, ne vetäytyvät ja törmääessään neutraloituvat, lisäksi varautuneita hiukkasia siirtyy sielujen palamisvyöhykkeeltä enemmän. - korkea varauspitoisuus ympäristössä alhaisemmalla varauspitoisuudella. Kaikki nämä tekijät johtavat kaaren lämpötilan laskuun, sen jäähtymiseen ja katoamiseen.

Riisi. 2. Sähkökaari

Valokaari sytytyksen jälkeen

Kiinteässä polttotilassa ionisaatio- ja deionisaatioprosessit ovat tasapainossa Valokaaritynnyrille, jossa on yhtä paljon vapaita positiivisia ja negatiivisia varauksia, on ominaista korkea kaasuionisaatioaste.

Aine, jonka ionisaatioaste on lähellä yksikköä, ts. jossa ei ole neutraaleja atomeja ja molekyylejä, kutsutaan plasmaksi.

Sähkökaarelle on tunnusomaista seuraavat ominaisuudet:

1. Selkeästi määritelty raja kaariakselin ja ympäristön välillä.

2. Valokaaripiippujen korkea lämpötila, joka on 6000–25000 K.

3. Suuri virrantiheys ja kaariputki (100 - 1000 A / mm2).

4. Anodisen ja katodisen jännitehäviön pienet arvot ja käytännössä ei riipu virrasta (10 - 20 V).

Sähkökaaren virta-jännite-ominaisuus

Tasavirtakaaren pääominaisuus on kaarijännitteen riippuvuus virrasta, jota kutsutaan virta-jännite (VAC) ominaispiirteeksi.

Valokaari syntyy koskettimien välillä tietyllä jännitteellä (kuva 3), jota kutsutaan sytytysjännitteeksi Uz ja riippuen koskettimien välisestä etäisyydestä, ympäristön lämpötilasta ja paineesta sekä koskettimen erottumisnopeudesta. Valokaarisammutusjännite Ug aina vähemmän jännitystä U3.

Riisi. 3. Tasavirtakaaren (a) ja sitä vastaavan piirin (b) virta-jänniteominaisuus

Käyrä 1 on kaaren staattinen ominaisuus, ts. saadaan vaihtelemalla hitaasti virtaa. Ominaisuus on putoava luonne. Virran kasvaessa kaarijännite pienenee. Tämä tarkoittaa, että kaariraon vastus pienenee nopeammin virran kasvaessa.

Jos jollain nopeudella kaaressa oleva virta pienennetään arvosta I1 nollaan ja samalla kiinnitetään jännitehäviö kaaria pitkin, saadaan käyrät 2 ja 3. Näitä käyriä kutsutaan dynaamisiksi ominaisuuksiksi.

Mitä nopeammin virtaa pienennetään, sitä pienemmät dynaamiset I-V-ominaisuudet ovat. Tämä johtuu siitä, että virran pienentyessä kaaren parametreillä, kuten piipun poikkileikkauksella, lämpötilalla, ei ole aikaa muuttua nopeasti ja hankkia arvoja, jotka vastaavat alempaa virran arvoa vakaa tila.

Kaarivälin jännitehäviö:

Ud = Usc + EdId,

jossa Us = Udo + Ua — jännitehäviö lähellä elektrodia, Ed — pitkittäinen jännitegradientti kaaressa, ID — kaaren pituus.

Kaavasta seuraa, että kaaren pituuden kasvaessa jännitehäviö kaaren yli kasvaa ja I-V-ominaisuus sijoittuu korkeammalle.

He käsittelevät kipinöintiä sähköisten kytkinlaitteiden suunnittelussa. Sähkökaaren ominaisuuksia hyödynnetään laitteistot sähkökaarihitsaukseen ja sisään kaarisulatusuunit.