Sähkökaari ( jännitekaari , kaaripurkaus ) on yksi kaasun sähköpurkaustyypeistä .
Ensimmäisen kerran brittiläinen tiedemies Sir Humphrey Davy kuvasi sen vuonna 1801 Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts -lehdessä ja esitti hänet Royal Scientific Societyn kokouksessa ja vuonna 1802 venäläinen tiedemies V. Petrov kirjassaan, jossa tyypillinen otsikko "Uutisia galvaanisähköisistä kokeista valtavan akun avulla, joka joskus koostuu 4200 kupari- ja sinkkiympyrästä" (Pietari, 1803) . Sähkökaari on aineen tilan neljännen muodon - plasman - erikoistapaus, ja se koostuu ionisoidusta, sähköisesti lähes neutraalista kaasusta. Vapaiden sähkövarausten läsnäolo varmistaa valokaaren johtavuuden.
Sähkökaari kahden elektrodin väliin ilmassa ilmakehän paineessa muodostuu seuraavasti:
Kun jännite kahden elektrodin välillä nousee tietylle tasolle ilmassa, elektrodien välillä tapahtuu sähkökatkos . Sähköinen läpilyöntijännite riippuu elektrodien välisestä etäisyydestä ja muista tekijöistä. Metalliatomien ensimmäisen elektronin ionisaatiopotentiaali on noin 4,5 - 5 V ja valokaarijännite on kaksinkertainen (9 - 10 V). Energiaa tarvitaan elektronin ulostuloon yhden elektrodin metalliatomista ja toisen elektrodin atomin ionisaatioon. Prosessi johtaa plasman muodostumiseen elektrodien väliin ja kaaren palamiseen (vertailun vuoksi: kipinäpurkauksen muodostumisen vähimmäisjännite ylittää hieman elektronien lähtöpotentiaalin - jopa 6 V).
Vikatilan käynnistämiseksi käytettävissä olevalla jännitteellä elektrodit tuodaan lähemmäksi toisiaan. Vian aikana elektrodien väliin syntyy yleensä kipinäpurkaus , joka pulssi sulkee sähköpiirin . Kipinäpurkauksissa olevat elektronit ionisoivat molekyylejä elektrodien välisessä ilmaraossa. Ilmavälin jännitelähteen riittävällä teholla muodostuu riittävä määrä plasmaa ilmavälin läpilyöntijännitteen tai resistanssin merkittävään pudotukseen. Tässä tapauksessa kipinäpurkaukset muuttuvat kaaripurkaukseksi - elektrodien väliseksi plasmajohdoksi, joka on plasmatunneli . Tuloksena oleva kaari on itse asiassa johdin ja sulkee sähköpiirin elektrodien välillä. Seurauksena on, että keskimääräinen virta kasvaa entisestään ja lämmittää kaaren jopa 5000-50000 K. Tässä tapauksessa katsotaan, että kaaren sytytys on valmis. Sytytyksen jälkeen vakaa valokaaren palaminen varmistetaan virta- ja ionipommituksella lämmitetystä katodista tulevalla termisellä emissiolla.
Sytytyksen jälkeen kaari voi pysyä vakaana, kun sähkökoskettimet on erotettu tiettyyn etäisyyteen asti.
Elektrodien vuorovaikutus kaariplasman kanssa johtaa niiden kuumenemiseen, osittaiseen sulamiseen, haihtumiseen, hapettumiseen ja muun tyyppiseen korroosioon.
Sähkökaari koostuu katodi- ja anodialueista, kaaripylväästä ja siirtymäalueista. Anodialueen paksuus on 0,001 mm ja katodialueen noin 0,0001 mm.
Lämpötila anodialueella kuluvien elektrodien hitsauksen aikana on noin 2500 ... 4000 ° C, kaaripylvään lämpötila on 7 000 - 18 000 ° C, katodialueella - 9 000 - 12 000 ° C.
Valokaaripylväs on sähköisesti neutraali. Missä tahansa sen osassa on sama määrä varautuneita hiukkasia, joilla on vastakkainen merkki. Valokaaripylvään jännitehäviö on verrannollinen sen pituuteen [1] .
Hitsauskaaret luokitellaan seuraavasti:
Valokaaria käytetään voimakkaana ja keskittyneenä lämmönlähteenä metallien kaarihitsauksessa ja plasmaleikkauksessa , teräksen sulattamisessa kaariuuneissa ja räjähteiden sytytykseen sähkösytyttimissä . Valokaaria voidaan käyttää myös työnesteen lämmittämiseen sähkörakettimoottoreissa .
Sähköpurkauskoneistuksessa hyödynnetään kaaren lämpenemisen ja kaarikanavan romahtamisesta syntyvien iskuaaltojen yhteisvaikutusta . Korkeataajuisen kaaren plasmakanavan volyymipulsaatioita käytetään äänen toistoon ionofoneissa .
Valokaaren kirkasta säteilyä käytetään valaistukseen. Kaaret olivat ensimmäiset sarjalähteet sähkövalon Yablochkov kynttilät . Valokaariin perustuvat tehokkaat valonlähteet - sähkölamput - ovat saaneet tietyn jakauman . Riippuen väliaineen koostumuksesta, jossa kaari palaa, tällaiset lamput voivat olla joko suoraa säteilyä ( ksenonkaarilamppu , hiilikaarilamppu , natriumkaasupurkauslamppu ) tai epäsuoraa, käyttämällä fosforia - elohopeakaasupurkauslamppua .
Elektrodimateriaalin kaaren plasmakoostumukseen vaikuttavaa vaikutusta käytetään tyhjiökaaripinnoituksessa ja spektroskopiassa , esimerkiksi teräsroskoopeissa , tutkittavan näytteen emissiospektrin saamiseksi.
Valokaarisytytyksen fysiikan piirteitä (katodipisteen tarve) käytetään elohopeatasasuuntaajissa .
Joskus käytetään valokaaren epälineaarisen virta-jännite-ominaisuuden ominaisuutta (katso kenttäsammutuskone , pysäyttimet ).
Monissa laitteissa sähkökaaren ilmiö on haitallinen. Nämä ovat ennen kaikkea tehonsyötössä ja sähkökäytössä käytettäviä kosketinkytkinlaitteita: suurjännitekytkimet , automaattikytkimet , kontaktorit , sähköistetyn rautateiden ja kaupunkien sähköliikenteen kontaktiverkon poikkileikkauseristeet. Kun kuormat katkaistaan yllä olevilla laitteilla, katkaisukoskettimien väliin syntyy kaari.
Kaaren esiintymismekanismi tässä tapauksessa on seuraava:
Koskettimien vaurioitumisen minimoimiseksi on välttämätöntä sammuttaa valokaari mahdollisimman lyhyessä ajassa ja tehdä kaikkensa, jotta kaari ei ole yhdessä paikassa (kun kaari liikkuu, siinä vapautuva lämpö jakautuu tasaisesti kosketinrunkoon ).
Yllä olevien vaatimusten täyttämiseksi käytetään seuraavia valokaaren vaimennusmenetelmiä:
Sähkökaari luo voimakasta säteilyä laajalla aaltoalueella. Ilmassa palaessa noin 70 % säteilyenergiasta putoaa ultraviolettisäteilylle , 15 % näkyvälle säteilylle ja 15 % infrapunalle [2] . Altistuminen silmiin voi aiheuttaa sähköftalmiaa ja iholle altistuminen voi aiheuttaa palovammoja . Silmien ja kasvojen suojaamiseksi hitsaajat käyttävät erityisiä hitsausmaskeja , joissa on tumma suodatin . Kehon suojaamiseksi lämmönkestävät haalarit .
Ottaen huomioon, että kaaripurkaus on pohjimmiltaan avoin johdin, kaaren suora vaikutus henkilöön johtaa sähkövammaan .
| Hitsaus | |
|---|---|
| Terminologia | |
| Sähkökaari | |
| painehitsaus | |
| kosketushitsaus | |
| Muut hitsaustyypit | |
| Metallin hitsaus | |
| Ei-metallien hitsaus | |
| Varusteet ja varusteet | |
| Ammattijärjestöt | |
| Ammattimaiset versiot | |
| Ammattitaudit | |