Arco elettrico e sue caratteristiche

Arco elettrico — il passaggio di elettricità attraverso un gas tra due elettrodi, uno dei quali è una sorgente di elettroni (catodo). Un elettrodo è un filo che termina in qualsiasi sezione di un circuito elettrico.

Gli elettroni emessi dal catodo in grandi quantità provocano una forte ionizzazione del gas tra gli elettrodi e quindi rendono possibile il passaggio di una grande corrente tra gli elettrodi.

Una caratteristica di un arco elettrico, a differenza di una scarica di gas convenzionale, è che può bruciare a bassa tensione.

L'arco elettrico è stato scoperto da un fisico di San Pietroburgo VV Petrov nel 1802 e trovò importanti applicazioni nella tecnologia.

Un arco elettrico è un tipo di scarica caratterizzata da un'elevata densità di corrente, alta temperatura, elevata pressione del gas e bassa caduta di tensione nell'intercapedine dell'arco. In questo caso avviene un intenso riscaldamento degli elettrodi (contatti), sui quali si formano i cosiddetti. Macchie catodiche e anodiche. Il bagliore del catodo è concentrato in un piccolo punto luminoso, la parte incandescente dell'elettrodo opposto forma il punto dell'anodo.

Nell'arcobaleno si possono notare tre aree, che sono molto diverse nella natura dei processi che si svolgono in esse. Direttamente all'elettrodo negativo (catodo) dell'arco si trova la regione di caduta di tensione del catodo. La prossima è la canna dell'arco al plasma. Direttamente all'elettrodo positivo (anodo) si trova la regione di caduta di tensione anodica. Queste regioni sono mostrate schematicamente in Fig. 1.

Riso. 1. La struttura dell'arco elettrico

Le dimensioni delle regioni di caduta di tensione catodica e anodica nella figura sono notevolmente esagerate. In realtà la loro lunghezza è molto piccola, ad esempio la lunghezza della caduta di tensione catodica è dell'ordine del percorso di movimento libero di un elettrone (meno di 1 micron). La lunghezza della regione di caduta di tensione anodica è solitamente leggermente maggiore di questo valore.

In condizioni normali, l'aria è un buon isolante. Quindi, la tensione necessaria per rompere un traferro di 1 cm è di 30 kV. Affinché il traferro diventi un conduttore, è necessario creare una certa concentrazione di particelle cariche (elettroni e ioni) al suo interno.

Come si verifica un arco elettrico

L'arco elettrico, che è un flusso di particelle cariche, nel momento iniziale della separazione dei contatti si verifica a causa della presenza di elettroni liberi nel gas dell'arco e degli elettroni emessi dalla superficie del catodo. Gli elettroni liberi nello spazio tra i contatti si muovono ad alta velocità nella direzione dal catodo all'anodo sotto l'azione delle forze del campo elettrico.

L'intensità del campo all'inizio del gap di contatto può raggiungere diverse migliaia di kilovolt per centimetro.Sotto l'azione delle forze di questo campo, gli elettroni vengono prelevati dalla superficie del catodo e si spostano verso l'anodo, facendo cadere gli elettroni da esso, che formano una nuvola di elettroni. Il flusso iniziale di elettroni creato in questo modo forma ulteriormente un'intensa ionizzazione dell'arco traferro.

Insieme ai processi di ionizzazione, i processi di deionizzazione si verificano in parallelo e continuamente nell'arco. I processi di deionizzazione consistono nel fatto che quando due ioni di segno diverso o uno ione positivo e un elettrone si avvicinano, vengono attratti e, scontrandosi, vengono neutralizzati, inoltre, le particelle cariche si muovono dalla zona ardente delle anime con più - elevata concentrazione di cariche nell'ambiente con minore concentrazione di cariche. Tutti questi fattori portano ad una diminuzione della temperatura dell'arco, al suo raffreddamento e alla sua scomparsa.

Riso. 2. Arco elettrico

Arco dopo l'accensione

Nella modalità di combustione stazionaria, i processi di ionizzazione e deionizzazione sono in equilibrio.La canna dell'arco con una quantità uguale di cariche positive e negative libere è caratterizzata da un alto grado di ionizzazione del gas.

Una sostanza il cui grado di ionizzazione è vicino all'unità, cioè in cui non ci sono atomi e molecole neutri si chiama plasma.

L'arco elettrico è caratterizzato dalle seguenti caratteristiche:

1. Un confine chiaramente definito tra l'albero dell'arco e l'ambiente.

2. L'alta temperatura all'interno della canna dell'arco, che raggiunge 6000 — 25000K.

3. Alta densità di corrente e tubo ad arco (100 — 1000 A / mm2).

4. Piccoli valori della caduta di tensione anodica e catodica e praticamente non dipendono dalla corrente (10 - 20 V).

Caratteristica corrente-tensione di un arco elettrico

La caratteristica principale di un arco CC è la dipendenza della tensione dell'arco dalla corrente, chiamata caratteristica corrente-tensione (VAC).

L'arco avviene tra i contatti ad una certa tensione (Fig. 3), detta tensione di innesco Uz e dipendente dalla distanza tra i contatti, dalla temperatura e pressione dell'ambiente e dalla velocità di separazione dei contatti. Tensione di spegnimento dell'arco Ug sempre minore stress U3.

Riso. 3. Caratteristica corrente-tensione di un arco CC (a) e del suo circuito equivalente (b)

La curva 1 è la caratteristica statica dell'arco, cioè ottenuta variando lentamente la corrente. La caratteristica ha un carattere cadente. All'aumentare della corrente, la tensione dell'arco diminuisce. Ciò significa che la resistenza dell'arco traferro diminuisce più rapidamente all'aumentare della corrente.

Se a una velocità o all'altra la corrente nell'arco viene ridotta da I1 a zero e allo stesso tempo si fissa la caduta di tensione lungo l'arco, si otterranno le curve 2 e 3. Queste curve sono chiamate caratteristiche dinamiche.

Quanto più velocemente si riduce la corrente, tanto più basse saranno le caratteristiche I-V dinamiche. Ciò è dovuto al fatto che con una diminuzione della corrente, parametri dell'arco come la sezione trasversale della canna, la temperatura, non hanno il tempo di cambiare rapidamente e acquisire valori corrispondenti a un valore inferiore della corrente in un stato stazionario.

Caduta di tensione del gap d'arco:

Ud = Usc + EdId,

dove Us = Udo + Ua - caduta di tensione vicino all'elettrodo, Ed - gradiente di tensione longitudinale nell'arco, ID - la lunghezza dell'arco.

Dalla formula risulta che all'aumentare della lunghezza dell'arco, la caduta di tensione attraverso l'arco aumenterà e la caratteristica I-V sarà posizionata più in alto.

Si occupano di arco nella progettazione di dispositivi di commutazione elettrica. Vengono utilizzate le proprietà dell'arco elettrico impianti per la saldatura ad arco elettrico e dentro forni fusori ad arco.