Elektrický oblouk – průchod elektřiny plynem mezi dvěma elektrodami, z nichž jedna je zdrojem elektronů (katoda). Elektroda je vodič, který ukončuje jakoukoli část elektrického obvodu.
Elektrony emitované ve velkém množství z katody způsobují silnou ionizaci plynu mezi elektrodami a tím umožňují, aby mezi elektrodami procházel velký proud.
Charakteristickým znakem elektrického oblouku na rozdíl od klasického plynového výboje je, že může hořet při nízkém napětí.
Elektrický oblouk objevil petrohradský fyzik V. V. Petrov v roce 1802 a získal důležité aplikace v technologii.
Elektrický oblouk je typ výboje charakterizovaný vysokou hustotou proudu, vysokou teplotou, vysokým tlakem plynu a malým úbytkem napětí v obloukové mezeře. V tomto případě dochází k intenzivnímu ohřevu elektrod (kontaktů), na kterých se tvoří tzv. katodové a anodové skvrny. Katodová záře je soustředěna do malého světlého bodu, horká část protilehlé elektrody tvoří anodový bod.
V oblouku lze zaznamenat tři oblasti, které se velmi liší povahou procesů, které se v nich vyskytují. Přímo sousedící se zápornou elektrodou (katodou) oblouku je oblast poklesu katodového napětí. Následuje hlaveň plazmového oblouku. Přímo vedle kladné elektrody (anody) je oblast poklesu anodového napětí. Tyto oblasti jsou schematicky znázorněny na Obr. 1.
Rýže. 1. Struktura elektrického oblouku
Velikosti oblastí poklesu napětí katody a anody na obrázku jsou značně přehnané. Ve skutečnosti je jejich rozsah velmi malý, např. rozsah poklesu katodového napětí je řádově v dráze pohybu volných elektronů (méně než 1 μ). Délka oblasti poklesu anodového napětí je obvykle o něco větší než tato hodnota.
Za normálních podmínek je vzduch dobrým izolantem. Napětí potřebné k proražení vzduchové mezery 1 cm je tedy 30 kV. Aby se vzduchová mezera stala vodičem, je nutné v ní vytvořit určitou koncentraci nabitých částic (elektronů a iontů).
Jak vzniká elektrický oblouk?
Elektrický oblouk, což je proud nabitých částic, vzniká v počátečním okamžiku kontaktní divergence v důsledku přítomnosti volných elektronů v plynu obloukové mezery a elektronů emitovaných z povrchu katody. Volné elektrony umístěné v mezeře mezi kontakty se vlivem sil elektrického pole pohybují vysokou rychlostí ve směru od katody k anodě.
Síla pole na začátku kontaktní divergence může dosáhnout několika tisíc kilovoltů na centimetr. Pod vlivem sil tohoto pole se elektrony vymršťují z povrchu katody a pohybují se k anodě a vyrážejí z ní elektrony, které tvoří elektronový mrak. Takto vytvořený počáteční tok elektronů následně tvoří intenzivní ionizaci obloukové mezery.
Spolu s ionizačními procesy probíhají v oblouku paralelně a nepřetržitě i deionizační procesy. Deionizační procesy spočívají v tom, že když se dva ionty různých znaků nebo kladný iont a elektron spojí, jsou přitahovány a při kolizi jsou neutralizovány; navíc se nabité částice pohybují ze spalovacího prostoru duší s vyšší koncentrace nábojů do okolí s nižší koncentrací nábojů. Všechny tyto faktory vedou ke snížení teploty oblouku, k jeho ochlazení a zhasnutí.
Rýže. 2. Elektrický oblouk
Oblouk po zapálení
V režimu ustáleného spalování jsou procesy ionizace a deionizace v něm v rovnováze. Oblouková hlaveň se stejným počtem volných kladných a záporných nábojů se vyznačuje vysokým stupněm ionizace plynu.
Látka, jejíž stupeň ionizace se blíží jednotce, tzn. ve kterém nejsou neutrální atomy a molekuly se nazývá plazma.
Elektrický oblouk se vyznačuje následujícími vlastnostmi:
1. Jasně definovaná hranice mezi obloukovým hřídelem a okolím.
2. Vysoká teplota uvnitř válce oblouku, dosahující 6000 – 25000 K.
3. Vysoká proudová hustota a hlaveň oblouku (100 – 1000 A/mm 2 ).
4. Nízké hodnoty anodového a katodového úbytku napětí a prakticky nezávislé na proudu (10 – 20 V).
Proudově-napěťové charakteristiky elektrického oblouku
Hlavní charakteristikou stejnosměrného oblouku je závislost napětí oblouku na proudu, která se nazývá charakteristika proudového napětí (VC).
Mezi kontakty vzniká oblouk při určitém napětí (obr. 3), nazývaném zapalovací napětí Uз a v závislosti na vzdálenosti mezi kontakty, na teplotě a tlaku média a na rychlosti divergence kontaktů. Napětí zhášení oblouku Ug je vždy menší než napětí Uz.
Rýže. 3. Voltampérová charakteristika stejnosměrného oblouku (a) a jeho ekvivalentního obvodu (b)
Křivka 1 představuje statickou charakteristiku oblouku, tzn. získáme pomalou změnou proudu. Charakteristika má pádový charakter. S rostoucím proudem klesá napětí oblouku. To znamená, že odpor obloukové mezery klesá rychleji s rostoucím proudem.
Pokud se při té či oné rychlosti sníží proud v oblouku z I1 na nulu a zároveň se zaznamená úbytek napětí na oblouku, pak se získají křivky 2 a 3. Tyto křivky se nazývají dynamické charakteristiky.
Čím rychleji se proud sníží, tím nižší budou dynamické charakteristiky proud-napětí. To je vysvětleno skutečností, že když se proud sníží, parametry oblouku, jako je průřez hlavně a teplota, nemají čas rychle se změnit a získat hodnoty odpovídající nižší hodnotě proudu v ustáleném stavu.
Pokles napětí přes obloukovou mezeru:
kde U h = U k + U a je úbytek napětí v blízkosti elektrody, Ed je podélný gradient napětí v oblouku, Id je dynamika oblouku.
Ze vzorce vyplývá, že s rostoucí délkou oblouku se bude úbytek napětí na oblouku zvyšovat a charakteristika proud-napětí bude umístěna výše.
Elektrické oblouky se řeší při návrhu elektrických spínacích zařízení. Vlastnosti elektrického oblouku se využívají v provozech pro svařování elektrickým obloukem a obloukových tavicích pecích.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
