Elektrisk ljusbåge och dess egenskaper

Elektrisk ljusbåge — passage av elektricitet genom en gas mellan två elektroder, varav en är en elektronkälla (katod). En elektrod är en tråd som slutar i valfri del av en elektrisk krets.

Elektroner som emitteras från katoden i stora mängder orsakar stark jonisering av gasen mellan elektroderna och gör det på så sätt möjligt för en stor ström att flyta mellan elektroderna.

En utmärkande egenskap hos en elektrisk ljusbåge, till skillnad från en konventionell gasurladdning, är att den kan brinna vid låg spänning.

Den elektriska ljusbågen upptäcktes av en fysiker från St. Petersburg V. V. Petrov år 1802 och fann viktiga tillämpningar inom tekniken.

En elektrisk ljusbåge är en typ av urladdning som kännetecknas av hög strömtäthet, hög temperatur, förhöjt gastryck och lågt spänningsfall över båggapet. I detta fall sker intensiv uppvärmning av elektroderna (kontakter), på vilka de så kallade bildas. Katodiska och anodiska fläckar. Katodglöden är koncentrerad till en liten ljus fläck, den glödande delen av den motsatta elektroden bildar anodfläcken.

Tre områden kan noteras i regnbågen, som är mycket olika i karaktären av de processer som äger rum i dem. Direkt till den negativa elektroden (katoden) i bågen finns katodens spänningsfallsregion. Nästa är plasmabågen. Direkt till den positiva elektroden (anoden) finns det anodiska spänningsfallsområdet. Dessa regioner visas schematiskt i fig. 1.

Ris. 1. Elbågens struktur

Storleken på de katodiska och anodiska spänningsfallsområdena i figuren är kraftigt överdrivna. I verkligheten är deras längd mycket liten. Till exempel är längden på det katodiska spänningsfallet i storleksordningen av en elektrons fria rörelsebana (mindre än 1 mikron). Längden på anodens spänningsfallsregion är vanligtvis något större än detta värde.

Under normala förhållanden är luft en bra isolator. Så spänningen som krävs för att bryta ett luftgap på 1 cm är 30 kV. För att luftgapet ska bli en ledare är det nödvändigt att skapa en viss koncentration av laddade partiklar (elektroner och joner) i den.

Hur en elektrisk ljusbåge uppstår

Den elektriska ljusbågen, som är en ström av laddade partiklar, i det första ögonblicket av kontaktseparation uppstår som ett resultat av närvaron av fria elektroner i gasen i båggapet och elektroner som emitteras från katodens yta. De fria elektronerna i gapet mellan kontakterna rör sig med hög hastighet i riktningen från katoden till anoden under inverkan av de elektriska fältkrafterna.

Fältstyrkan i början av kontaktgapet kan nå flera tusen kilovolt per centimeter.Under inverkan av krafterna i detta fält dras elektroner från katodens yta och rör sig till anoden och slår elektroner från den, som bildar ett elektronmoln. Det initiala flödet av elektroner som skapas på detta sätt bildar ytterligare en intensiv jonisering av båggapet.

Tillsammans med joniseringsprocesser sker avjoniseringsprocesser parallellt och kontinuerligt i ljusbågen. Avjoniseringsprocesserna består i det faktum att när två joner med olika tecken eller en positiv jon och en elektron närmar sig varandra, attraheras de och, kolliderar, neutraliseras, dessutom rör sig laddade partiklar från själens brinnande zon med mer - hög koncentration av laddningar i miljön med en lägre koncentration av laddningar. Alla dessa faktorer leder till en minskning av bågens temperatur, till dess kylning och försvinnande.

Ris. 2. Elbåge

Båge efter tändning

I det stationära förbränningsläget är processerna för jonisering och avjonisering i jämvikt.Bågröret med lika mängd fria positiva och negativa laddningar kännetecknas av en hög grad av gasjonisering.

Ett ämne vars joniseringsgrad är nära enhet, d.v.s. där det inte finns några neutrala atomer och molekyler kallas plasma.

Den elektriska ljusbågen kännetecknas av följande egenskaper:

1. En tydligt definierad gräns mellan ljusbågsaxeln och miljön.

2. Den höga temperaturen inuti bågpipan, når 6000 — 25000K.

3. Hög strömtäthet och ljusbågsrör (100 — 1000 A / mm2).

4. Små värden på det anodiska och katodiska spänningsfallet och är praktiskt taget inte beroende av strömmen (10 - 20 V).

Ström-spänningskarakteristik för en ljusbåge

Det huvudsakliga kännetecknet för en likströmsbåge är ljusbågsspänningens beroende av strömmen, vilket kallas ström-spännings-karakteristiken (VAC).

Ljusbågen uppstår mellan kontakterna vid en viss spänning (Fig. 3), kallad tändspänningen Uz och beroende på avståndet mellan kontakterna, omgivningens temperatur och tryck samt kontaktseparationens hastighet. Bågsläckningsspänning Ug alltid mindre spänning U3.

Ris. 3. Strömspänningskarakteristik för en likströmsbåge (a) och dess ekvivalenta krets (b)

Kurva 1 är den statiska karaktäristiken för bågen, dvs. erhålls genom att långsamt variera strömmen. Karaktäristiken har en fallande karaktär. När strömmen ökar minskar bågspänningen. Detta innebär att motståndet i båggapet minskar snabbare när strömmen ökar.

Om strömmen i bågen reduceras från I1 till noll vid ett eller annat varvtal och samtidigt fixerar spänningsfallet längs bågen, uppstår kurvorna 2 och 3. Dessa kurvor kallas dynamiska egenskaper.

Ju snabbare strömmen reduceras, desto lägre blir de dynamiska I-V-egenskaperna. Detta beror på det faktum att med en minskning av strömmen har sådana parametrar av bågen som trummans tvärsnitt, temperatur, inte tid att ändra sig snabbt och förvärva värden som motsvarar ett lägre värde på strömmen i en stabilt läge.

Båggap spänningsfall:

Ud = Usc + EdId,

där Us = Udo + Ua — spänningsfall nära elektroden, Ed — längsgående spänningsgradient i bågen, ID — längden på bågen.

Det följer av formeln att när båglängden ökar kommer spänningsfallet över bågen att öka och I - V-karakteristiken kommer att placeras högre.

De behandlar ljusbågsbildning i utformningen av elektriska omkopplingsanordningar. Elbågens egenskaper används i installationer för elektrisk ljusbågsvetsning och i ljusbågssmältugnar.