Električni luk i njegove karakteristike

Električni luk — prolaz električne energije kroz plin između dviju elektroda od kojih je jedna izvor elektrona (katoda). Elektroda je žica koja završava u bilo kojem dijelu električnog kruga.

Elektroni emitirani s katode u velikim količinama uzrokuju jaku ionizaciju plina između elektroda i na taj način omogućuju protok velike struje između elektroda.

Karakteristična značajka električnog luka, za razliku od konvencionalnog plinskog pražnjenja, je da može gorjeti pri niskom naponu.

Električni luk je otkrio fizičar iz St V. V. Petrov 1802. i pronašao važne primjene u tehnologiji.

Električni luk je vrsta pražnjenja koju karakterizira velika gustoća struje, visoka temperatura, povišeni tlak plina i mali pad napona u lučnom međuprostoru. U tom slučaju dolazi do intenzivnog zagrijavanja elektroda (kontakata) na kojima nastaju tzv. Katodne i anodne mrlje. Sjaj katode koncentriran je u maloj svijetloj točki, užareni dio suprotne elektrode tvori anodu.

U dugi se mogu uočiti tri područja koja su vrlo različita po prirodi procesa koji se u njima odvijaju. Izravno na negativnu elektrodu (katodu) luka je katodno područje pada napona. Sljedeća je cijev s plazma lukom. Izravno na pozitivnu elektrodu (anodu) nalazi se područje anodnog pada napona. Ova područja su shematski prikazana na Sl. 1.

Riža. 1. Struktura električnog luka

Veličine područja katodnog i anodnog pada napona na slici su jako preuveličane. U stvarnosti je njihova duljina vrlo mala.Na primjer, duljina katodnog pada napona je reda puta slobodnog kretanja elektrona (manje od 1 mikrona). Duljina područja pada anodnog napona obično je malo veća od ove vrijednosti.

U normalnim uvjetima zrak je dobar izolator. Dakle, napon potreban za probijanje zračnog raspora od 1 cm je 30 kV. Da bi zračni raspor postao vodič, potrebno je u njemu stvoriti određenu koncentraciju nabijenih čestica (elektrona i iona).

Kako nastaje električni luk

Električni luk, koji je tok nabijenih čestica, u početnom trenutku odvajanja kontakta nastaje kao rezultat prisutnosti slobodnih elektrona u plinu lučnog raspora i elektrona emitiranih s površine katode. Slobodni elektroni u rasporu između kontakata gibaju se velikom brzinom u smjeru od katode prema anodi pod djelovanjem sila električnog polja.

Jačina polja na početku kontaktnog razmaka može doseći nekoliko tisuća kilovolta po centimetru.Pod djelovanjem sila tog polja elektroni se povlače s površine katode i kreću prema anodi izbijajući s nje elektrone koji tvore elektronski oblak. Početni tok elektrona stvoren na ovaj način dalje stvara intenzivnu ionizaciju lučnog raspora.

Uz procese ionizacije, u luku se paralelno i kontinuirano odvijaju procesi deionizacije. Procesi deionizacije sastoje se u činjenici da kada se dva iona različitih predznaka ili pozitivni ion i elektron približe jedan drugome, oni se privlače i, sudarajući se, neutraliziraju, osim toga, nabijene čestice se kreću iz goruće zone duša s više - visoka koncentracija naboja u okolini s manjom koncentracijom naboja. Svi ti čimbenici dovode do smanjenja temperature luka, do njegovog hlađenja i nestanka.

Riža. 2. Električni luk

Luk nakon paljenja

U stacionarnom načinu izgaranja procesi ionizacije i deionizacije su u ravnoteži.Lučna cijev s jednakom količinom slobodnih pozitivnih i negativnih naboja karakterizira visok stupanj ionizacije plina.

Tvar čiji je stupanj ionizacije blizak jedinici, tj. u kojoj nema neutralnih atoma i molekula naziva se plazma.

Električni luk karakteriziraju sljedeće karakteristike:

1. Jasno definirana granica između osovine luka i okoline.

2. Visoka temperatura unutar cijevi luka, koja doseže 6000 — 25000 K.

3. Visoka gustoća struje i lučna cijev (100 — 1000 A / mm2).

4. Male vrijednosti anodnog i katodnog pada napona i praktički ne ovise o struji (10 - 20 V).

Strujno-naponska karakteristika električnog luka

Glavna karakteristika istosmjernog luka je ovisnost napona luka o struji, koja se naziva strujno-naponska (VAC) karakteristika.

Luk nastaje između kontakata pri određenom naponu (slika 3), koji se naziva napon paljenja Uz i ovisi o udaljenosti između kontakata, temperaturi i tlaku okoline te brzini odvajanja kontakata. Napon gašenja luka Ug uvijek manji napon U3.

Riža. 3. Strujno-naponska karakteristika istosmjernog luka (a) i njegovog ekvivalentnog kruga (b)

Krivulja 1 je statička karakteristika luka, tj. dobiven polaganim mijenjanjem struje. Karakteristika ima padajući karakter. Kako struja raste, napon luka se smanjuje. To znači da otpor lučnog raspora opada brže kako struja raste.

Ako se pri jednoj ili drugoj brzini struja u luku smanji s I1 na nulu i istodobno popravi pad napona duž luka, tada će se dobiti krivulje 2 i 3. Te se krivulje nazivaju dinamičke karakteristike.

Što se struja brže smanjuje, niže će biti dinamičke I—V karakteristike. To je zbog činjenice da sa smanjenjem struje, takvi parametri luka kao što su presjek cijevi, temperatura, nemaju vremena da se brzo mijenjaju i steknu vrijednosti koje odgovaraju nižoj vrijednosti struje u stabilno stanje.

Pad napona lučnog jaza:

Ud = Usc + EdId,

gdje je Us = Udo + Ua — pad napona u blizini elektrode, Ed — uzdužni gradijent napona u luku, ID — duljina luka.

Iz formule slijedi da s povećanjem duljine luka, pad napona na luku će se povećati i I - V karakteristika će se nalaziti više.

Bave se lučnim lukom u projektiranju električnih sklopnih uređaja. Svojstva električnog luka koriste se u instalacije za elektrolučno zavarivanje i u peći za lučno taljenje.