Что такое электрическая дуга и как она возникает

Образование дуги, её строение и свойства

Представьте, что вы проводите эксперимент в лаборатории. У нас есть две направляющие, например металлические гвозди. Соедините их концами вместе на небольшом расстоянии друг от друга и подсоедините к гвоздям провода регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение блока питания, то при определенном значении напряжения мы увидим искры с последующим постоянным свечением, напоминающим молнию.

Таким образом, мы можем наблюдать процесс его формирования. Свечение между электродами — плазма. На самом деле это электрическая дуга или прохождение электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже показаны его структура и вольт-амперные характеристики:

Вот примерные значения температуры:

Почему возникает электрическая дуга

Это очень просто, мы рассмотрели в статье об электрическом поле, а также в статье о распределении зарядов в проводнике, что если какое-либо проводящее тело (например, стальной гвоздь) ввести в электрическое поле, заряды начнут накапливаться на его поверхности. Причем, чем меньше радиус изгиба поверхности, тем больше зарядов будет накапливаться. Проще говоря — на кончике ногтя накапливаются заряды.

Воздух — это газ между нашими электродами. Под действием электрического поля он ионизируется. В результате всего этого создаются условия для образования электрической дуги.

Напряжение, при котором образуется дуга, зависит от конкретной среды и ее условий: давления, температуры и других факторов.

Интересный факт: по одной из версий, это явление названо из-за формы. Дело в том, что в процессе горения отработанный воздух или другой окружающий его газ нагревается и поднимается вверх, что искажает прямолинейную форму и мы видим дугу или дугу.

Чтобы зажечь дугу, необходимо либо преодолеть напряжение пробоя среды между электродами, либо разорвать электрическую цепь. Если в цепи большая индуктивность, то по законам коммутации ток в цепи нельзя прерывать сразу, он будет продолжать течь. Следовательно, напряжение между отключенными контактами будет увеличиваться, и дуга будет продолжать гореть до тех пор, пока напряжение не пропадет и энергия, накопленная в магнитном поле индуктора, не рассеется.

Учитывайте условия воспламенения и горения:

Между электродами должен быть воздух или другой газ. Для преодоления напряжения пробоя среды требуется высокое напряжение в десятки тысяч вольт — это зависит от расстояния между электродами и других факторов. Чтобы дуга горела, достаточно напряжения 50-60 вольт и тока 10 ампер и более. Конкретные значения зависят от окружающей среды, формы электродов и расстояния между ними.

Вред и борьба с ней

Мы рассмотрели причины возникновения электрической дуги, а теперь давайте посмотрим, какие повреждения она вызывает и как их погасить. КРУЭ повреждает электрическую дугу. Вы когда-нибудь замечали, что когда вы включаете мощный электроприбор и через некоторое время вынимаете вилку из розетки, возникает небольшая вспышка. Это электрическая дуга, возникающая между контактами вилки и розетки в результате разрыва электрической цепи.

Важно: при горении электрическая дуга выделяет много тепла, а температура ее горения достигает более 3000 градусов Цельсия. В цепях высокого напряжения длина дуги может достигать одного метра и более. Это создает риск получения травм и повреждения оборудования.

То же самое относится к выключателям света и другим коммутационным устройствам, включая:

  • Автоматические выключатели;
  • магнитные пускатели;
  • контакторы и тд.

Аппараты, применяемые в сетях 0,4 кВ, в том числе в известных сетях 220 В, используют специальные устройства защиты — дугогасительные камеры. Они нужны для уменьшения контактных повреждений.

Как правило, дугогасящая камера представляет собой набор проводящих перегородок определенной конфигурации и формы, соединенных друг с другом стенками из диэлектрического материала.

При размыкании контактов образовавшаяся плазма наклоняется к ним.камера дуговой закалки, где она разделяется на мелкие фрагменты. В результате он охлаждается и гаснет.

В высоковольтных сетях применяются масляные, вакуумные и газовые выключатели. В масляном выключателе гашение происходит путем переключения контактов в масляной ванне. Когда электрическая дуга горит в масле, оно разлагается на водород и газы. Вокруг контактов образуется газовый пузырь, который стремится выйти из камеры с высокой скоростью, а дуга охлаждается, поскольку водород имеет хорошую теплопроводность.

Вакуумные выключатели не ионизируют газы и отсутствуют условия для зажигания дуги. Есть также реле высокого давления, заполненные газом. При образовании дуги температура в них не повышается, давление увеличивается, тем самым снижается ионизация газов или деионизация. Автоматические выключатели с элегазовой изоляцией считаются перспективным направлением.

Они также могут коммутировать при нулевом переменном токе.

Полезное применение

Вышеописанное явление также находит множество полезных применений, например

  1. Осветительные приборы. Например, дуговые лампы (ДРЛ, ксенон и др.). Если мы добавим в электроды соли металлов, цвет электрической дуги изменится.
  2. Электродуговая сварка. Когда электрод касается поверхности металла, протекает сильный ток, который нагревает металл. После того, как электрод вытянут назад, ток не может быть прерван, нагретые поверхности испускают электроды, и возникает электрическая дуга. Когда свариваемые металлические поверхности расплавляются, а сам электрод плавится, две части можно соединять или разрезать. Существуют разные виды сварки, например, электродами, углекислым газом или аргоном. Он используется повсеместно и внес огромный вклад в жилищное и промышленное строительство.
  3. Дуговый синтез. Электрическая дуга зависит от электрических параметров источника питания, поэтому ее горение можно контролировать. Благодаря высокой температуре можно расплавить большое количество металлов.

Напоследок рекомендуем посмотреть полезное видео по статье:

Теперь вы знаете, что такое электрическая дуга, каковы причины этого явления и его возможные применения. Надеемся, информация для вас была понятной и полезной!