Электрическая дуга

Электрическая дуга — это устойчивый самостоятельный электрический разряд в газовой среде, характеризующийся высокой плотностью тока, низким катодным падением напряжения (10–20 В) и высокой температурой плазмы (до 6000–7000 °C и выше). Является разновидностью тлеющего разряда, переходящей в дуговую форму при увеличении тока. Относится к классу высокотемпературных газовых разрядов.

Физическая природа и механизм образования

Электрическая дуга возникает при пробое газового промежутка между двумя электродами, если напряжение источника питания достаточно для поддержания устойчивого разряда. Основные условия возникновения:

Наличие свободных электронов в межэлектродном пространстве (первичная ионизация).
Напряжение, превышающее напряжение зажигания дуги (для воздуха при атмосферном давлении — около 3000 В на 1 мм при малых зазорах, но зависит от материала электродов и формы).
Ток, достаточный для разогрева катода до температуры термоэлектронной эмиссии (обычно более 2000 °C).

Процесс развития дуги включает несколько стадий:

Пробой газового промежутка — образование проводящего канала (стримера) за счёт ударной ионизации.
Формирование катодного пятна — локальный разогрев катода до температуры, при которой начинается термоэлектронная эмиссия.
Установление стационарного дугового разряда — баланс между ионизацией в столбе дуги и рекомбинацией заряженных частиц.

Ключевая особенность дуги — отрицательная вольт-амперная характеристика (ВАХ) на начальном участке: с ростом тока напряжение на дуге падает. Это объясняется увеличением проводимости плазмы за счёт роста температуры и степени ионизации.

Классификация

Электрические дуги классифицируются по нескольким признакам:

По роду тока

Дуга постоянного тока — стабильна, широко применяется в сварке и металлургии.
Дуга переменного тока — менее стабильна, требует специальных мер для повторного зажигания после каждого перехода тока через ноль (например, использование высокочастотного поджига).

По типу электродов

С неплавящимся катодом (вольфрамовым, угольным) — используется в аргонодуговой сварке, плазменной резке.
С плавящимся электродом (металлическим) — характерна для дуговой сварки, где электрод одновременно является присадочным материалом.

По среде горения

В воздухе — наиболее распространённый тип, используется в сварке, резке, электротехнике.
В инертных газах (аргоне, гелии) — для защиты зоны сварки от окисления.
В вакууме — вакуумная дуга, применяется в вакуумных выключателях и некоторых технологических процессах.
В жидкостях — дуга под слоем флюса (например, при сварке под флюсом).

По давлению

Дуга низкого давления (менее 0,1 атм) — используется в газоразрядных источниках света (ртутные, натриевые лампы).
Дуга атмосферного давления — наиболее распространена в промышленности.
Дуга высокого давления (более 10 атм) — применяется в плазмотронах для получения высокотемпературной плазмы.

Характеристики и параметры

Основные параметры электрической дуги:

Температура плазмы — в столбе дуги может достигать 6000–7000 °C, в катодном пятне — до 4000 °C, в анодном пятне — до 5000 °C. В плазмотронах сжатой дугой температура может превышать 10 000 °C.
Плотность тока — от 10⁶ до 10⁸ А/м² в зависимости от материала электродов и условий охлаждения.
Напряжение горения — обычно 10–50 В, но может достигать нескольких сотен вольт в длинных дугах.
Длина дуги — от долей миллиметра до нескольких метров (в электротехнических устройствах, например, в дуговых печах).
Скорость ионизации — определяется концентрацией электронов и степенью ионизации газа (обычно 10⁻⁴–10⁻²).

Применение

Электрическая дуга нашла широкое применение в промышленности, технике и научных исследованиях.

Сварка и резка металлов

Дуговая сварка — основной метод соединения металлов. Используются различные виды: ручная дуговая сварка (покрытым электродом), аргонодуговая сварка (TIG), сварка под флюсом, механизированная сварка в среде защитных газов (MIG/MAG).
Плазменная резка — резка металлов сжатой дугой, обеспечивающая высокую скорость и качество реза.

Металлургия

Дуговые сталеплавильные печи — для выплавки стали и сплавов из металлолома или шихты. Мощность таких печей может достигать 300 МВт.
Плазменная металлургия — получение тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, титан) и сплавов в плазменных печах.

Электротехника

Дуговые выключатели — устройства для гашения дуги в электрических цепях (например, в масляных, воздушных, вакуумных выключателях). Гашение дуги необходимо для предотвращения повреждения контактов.
Разрядники — для защиты линий электропередач от перенапряжений (используются дуговые разрядники).
Дуговые лампы — исторически первые электрические источники света (дуговые лампы Яблочкова, 1876 год). В настоящее время вытеснены газоразрядными и светодиодными лампами.

Плазменные технологии

Плазмотроны — устройства для получения плазменной струи, используемые для напыления покрытий, резки, сварки, плазмохимических реакций (например, получение водорода из метана).
Плазменная обработка материалов — упрочнение поверхностей, нанесение износостойких покрытий.

Научные исследования

Изучение свойств плазмы — дуга является удобным объектом для исследования высокотемпературной плазмы, процессов ионизации, рекомбинации, теплообмена.
Термоядерные исследования — дуговые разряды используются для создания плазмы в токамаках и стеллараторах.

Опасность и меры защиты

Электрическая дуга представляет серьёзную опасность для человека и оборудования:

Термическое воздействие — температура дуги может вызвать ожоги кожи, воспламенение одежды, расплавление металла.
Электрическое поражение — напряжение дуги может достигать сотен вольт, ток — тысяч ампер, что приводит к поражению электрическим током.
Ультрафиолетовое излучение — дуга является мощным источником УФ-излучения, вызывающего ожоги роговицы глаз (электроофтальмия) и кожи.
Разбрызгивание расплавленного металла — при сварке или резке возможно попадание капель металла на незащищённые участки тела.

Меры защиты:

Использование средств индивидуальной защиты: сварочные маски со светофильтрами, защитные очки, перчатки, спецодежда из негорючих материалов.
Обеспечение вентиляции для удаления вредных газов (озон, оксиды азота, аэрозоли металлов).
Применение автоматических систем гашения дуги в электротехнических устройствах (дугогасительные камеры, предохранители).
Обучение персонала правилам безопасности при работе с дуговыми установками.

Интересные факты

Первое практическое применение электрической дуги — дуговая лампа, изобретённая русским электротехником Павлом Николаевичем Яблочковым в 1876 году. Лампа Яблочкова («русский свет») получила широкое распространение в Европе и США.
В дуговых сталеплавильных печах температура в зоне горения дуги может превышать 6000 °C, что позволяет плавить любые металлы.
Электрическая дуга используется в плазменных резаках для резки нержавеющей стали, алюминия и других металлов толщиной до 100 мм и более.
В вакуумных выключателях дуга гасится за счёт быстрого расхождения контактов и создания вакуума, который препятствует поддержанию разряда.
В некоторых типах дуговых ламп (например, ксеноновых) температура плазмы достигает 10 000 °C, что позволяет использовать их в качестве мощных источников света для прожекторов и кинопроекторов.

Источники

Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987.
Кессельман В. С. Электрическая дуга в газах. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
Баранов М. И. Электрические дуговые печи. — М.: Металлургия, 1989.
Фролов В. А. Сварка. — М.: Машиностроение, 2004.
ГОСТ Р 52736-2007 «Электрическая дуга. Методы испытаний».
Яблочков П. Н. Электрические лампы. — СПб., 1876.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →