Elektrikaar ja selle omadused

Elektrikaar — elektri läbimine gaasi kahe elektroodi vahel, millest üks on elektronide allikas (katood). Elektrood on traat, mis lõpeb elektriahela mis tahes osas.

Katoodilt suurtes kogustes eralduvad elektronid põhjustavad elektroodide vahel gaasi tugevat ionisatsiooni ja võimaldavad seega suure voolu voolamist elektroodide vahel.

Elektrikaare iseloomulik tunnus, erinevalt tavapärasest gaaslahendusest, on see, et see võib põleda madalal pingel.

Elektrikaare avastas Peterburi füüsik V. V. Petrov aastal 1802 ja leidis olulisi rakendusi tehnoloogias.

Elektrikaar on tühjenemise tüüp, mida iseloomustab suur voolutihedus, kõrge temperatuur, kõrgenenud gaasirõhk ja madal pingelang kaarepilus. Sel juhul toimub elektroodide (kontaktide) intensiivne kuumutamine, millele moodustuvad nn. Katood- ja anoodsed laigud. Katoodi kuma on koondunud väikesesse heledasse kohta, anoodikoha moodustab vastaselektroodi hõõguv osa.

Vikerkaares võib märkida kolm piirkonda, mis on neis toimuvate protsesside olemuselt väga erinevad. Otse kaare negatiivsele elektroodile (katoodile) on katoodi pingelanguse piirkond. Järgmine on plasmakaare tünn. Otse positiivsele elektroodile (anoodile) on anoodne pingelanguse piirkond. Need piirkonnad on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. 1.

Riis. 1. Elektrikaare struktuur

Katood- ja anoodpingelanguse piirkondade suurused joonisel on tugevalt liialdatud. Tegelikkuses on nende pikkus väga väike.Näiteks katoodpinge languse pikkus on suurusjärgus elektroni vaba liikumise teekonnast (alla 1 mikroni). Anoodi pingelanguse piirkonna pikkus on tavaliselt sellest väärtusest veidi suurem.

Tavatingimustes on õhk hea isolaator. Seega on 1 cm õhuvahe purustamiseks vajalik pinge 30 kV. Selleks, et õhupilu saaks juhiks, on vaja selles tekitada teatud kontsentratsioon laetud osakesi (elektronid ja ioonid).

Kuidas tekib elektrikaar

Elektrikaar, mis on laetud osakeste voog, tekib kontaktide eraldumise alghetkel vabade elektronide olemasolu tõttu kaarepilu gaasis ja katoodi pinnalt eralduvate elektronide tõttu. Kontaktide vahes olevad vabad elektronid liiguvad elektrivälja jõudude toimel suurel kiirusel suunas katoodilt anoodile.

Väljatugevus kontaktivahe alguses võib ulatuda mitme tuhande kilovoldini sentimeetri kohta.Selle välja jõudude toimel tõmmatakse elektronid katoodi pinnalt ja liiguvad anoodile, koputades sealt välja elektronid, mis moodustavad elektronipilve. Sel viisil tekitatud esialgne elektronide voog moodustab veelgi kaarepilu intensiivse ionisatsiooni.

Koos ionisatsiooniprotsessidega toimuvad kaares paralleelselt ja pidevalt deionisatsiooniprotsessid. Deionisatsiooni protsessid seisnevad selles, et kui kaks erineva märgiga iooni või positiivne ioon ja elektron lähenevad teineteisele, tõmbuvad nad endasse ja põrkudes neutraliseeritakse, lisaks liiguvad laetud osakesed hingede põlemistsoonist välja rohkem. - kõrge laengute kontsentratsioon keskkonnas madalama laengute kontsentratsiooniga. Kõik need tegurid põhjustavad kaare temperatuuri langust, selle jahtumist ja kadumist.

Riis. 2. Elektrikaar

Kaar pärast süütamist

Statsionaarses põlemisrežiimis on ionisatsiooni ja deionisatsiooni protsessid tasakaalus Võrdse hulga vabade positiivsete ja negatiivsete laengutega kaaretoru iseloomustab kõrge gaasiionisatsiooni aste.

Aine, mille ionisatsiooniaste on ühtsusele lähedane, s.o. milles puuduvad neutraalsed aatomid ja molekulid, nimetatakse plasmaks.

Elektrikaare iseloomustavad järgmised omadused:

1. Selgelt määratletud piir kaarevõlli ja keskkonna vahel.

2. Kõrge temperatuur kaare tünni sees, ulatudes 6000–25000 K.

3. Suur voolutihedus ja kaaretoru (100 — 1000 A / mm2).

4. Anood- ja katoodpinge languse väärtused on väikesed ja praktiliselt ei sõltu voolust (10–20 V).

Elektrikaare voolu-pinge tunnusjoon

Alalisvoolukaare põhitunnus on kaare pinge sõltuvus voolust, mida nimetatakse voolu-pinge (VAC) karakteristikuks.

Kaar tekib kontaktide vahel teatud pingel (joonis 3), mida nimetatakse süütepingeks Uz ja olenevalt kontaktide vahelisest kaugusest, keskkonna temperatuurist ja rõhust ning kontaktide eraldumise kiirusest. Kaarkustutuspinge Ug alati väiksem pinge U3.

Riis. 3. Alalisvoolukaare (a) ja selle ekvivalentahela (b) voolu-pinge karakteristikud

Kõver 1 on kaare staatiline karakteristik, st. mis saadakse voolu aeglasel muutmisel. Tunnus on langeva iseloomuga. Kui vool suureneb, kaare pinge väheneb. See tähendab, et kaarepilu takistus väheneb voolu suurenedes kiiremini.

Kui ühel või teisel kiirusel vähendatakse kaare voolu I1-lt nullini ja samal ajal fikseeritakse pingelang piki kaaret, siis saadakse kõverad 2 ja 3. Neid kõveraid nimetatakse dünaamilisteks karakteristikuteks.

Mida kiiremini voolu vähendatakse, seda madalamad on dünaamilised I-V karakteristikud. Selle põhjuseks on asjaolu, et voolu vähenemise korral ei ole sellistel kaare parameetritel nagu silindri ristlõige, temperatuur aega kiiresti muutuda ja omandada väärtusi, mis vastavad voolu madalamale väärtusele. püsiseisund.

Kaare vahe pingelangus:

Ud = Usc + EdId,

kus Us = Udo + Ua — pingelang elektroodi lähedal, Ed — pikisuunaline pingegradient kaares, ID — kaare pikkus.

Valemist järeldub, et kaare pikkuse suurenedes suureneb kaare pingelang ja I — V karakteristik paikneb kõrgemal.

Nad tegelevad kaare tekitamisega elektriliste lülitusseadmete projekteerimisel. Kasutatakse elektrikaare omadusi paigaldised elektrikaare keevitamiseks ja sisse kaarsulatusahjud.