Elektrische boog en zijn kenmerken

Elektrische boog — de doorgang van elektriciteit door een gas tussen twee elektroden, waarvan er één een bron van elektronen is (kathode). Een elektrode is een draad die eindigt in een willekeurige sectie van een elektrisch circuit.

Door de kathode in grote hoeveelheden uitgestoten elektronen veroorzaken een sterke ionisatie van het gas tussen de elektroden en maken zo een grote stroom tussen de elektroden mogelijk.

Een karakteristiek kenmerk van een elektrische boog is, in tegenstelling tot een conventionele gasontlading, dat deze kan branden bij lage spanning.

De elektrische boog werd ontdekt door een natuurkundige uit St. Petersburg V.V. Petrov in 1802 en vond belangrijke toepassingen in de technologie.

Een elektrische boog is een type ontlading dat wordt gekenmerkt door een hoge stroomdichtheid, hoge temperatuur, verhoogde gasdruk en lage spanningsval over de boogopening. In dit geval vindt een intensieve verwarming van de elektroden (contacten) plaats, waarop de zogenaamde worden gevormd. Kathodische en anodische vlekken. De kathodegloed is geconcentreerd in een klein lichtpuntje, het gloeiende deel van de tegenoverliggende elektrode vormt de anodevlek.

In de regenboog zijn drie gebieden te onderscheiden, die zeer verschillend zijn in de aard van de processen die daarin plaatsvinden. Direct naar de negatieve elektrode (kathode) van de boog bevindt zich het spanningsvalgebied van de kathode. Het volgende is de plasmaboogloop. Direct naar de positieve elektrode (anode) is het anodische spanningsvalgebied. Deze gebieden zijn schematisch weergegeven in Fig. 1.

Rijst. 1. De structuur van de elektrische boog

De afmetingen van de kathodische en anodische spanningsvalgebieden in de figuur zijn sterk overdreven. In werkelijkheid is hun lengte erg klein.De lengte van de kathodische spanningsval is bijvoorbeeld van de orde van het pad van vrije beweging van een elektron (minder dan 1 micron). De lengte van het spanningsvalgebied van de anode is meestal iets groter dan deze waarde.

Onder normale omstandigheden is lucht een goede isolator. De spanning die nodig is om een ​​luchtspleet van 1 cm te doorbreken is dus 30 kV. Om ervoor te zorgen dat de luchtspleet een geleider wordt, is het noodzakelijk om er een bepaalde concentratie van geladen deeltjes (elektronen en ionen) in te creëren.

Hoe een elektrische boog ontstaat

De elektrische boog, die een stroom geladen deeltjes is, vindt op het eerste moment van contactscheiding plaats als gevolg van de aanwezigheid van vrije elektronen in het gas van de boogspleet en elektronen die worden uitgezonden vanaf het oppervlak van de kathode. De vrije elektronen in de spleet tussen de contacten bewegen zich met hoge snelheid in de richting van de kathode naar de anode onder invloed van de elektrische veldkrachten.

De veldsterkte aan het begin van de contactopening kan oplopen tot enkele duizenden kilovolts per centimeter.Onder invloed van de krachten van dit veld worden elektronen van het oppervlak van de kathode getrokken en naar de anode verplaatst, waardoor elektronen eruit worden gestoten, die een elektronenwolk vormen. De aanvankelijke stroom van elektronen die op deze manier wordt gecreëerd, vormt verder een intense ionisatie van de boogopening.

Samen met ionisatieprocessen vinden deïonisatieprocessen parallel en continu plaats in de boog. De deïonisatieprocessen bestaan ​​​​uit het feit dat wanneer twee ionen met verschillende tekens of een positief ion en een elektron elkaar naderen, ze worden aangetrokken en, botsend, worden geneutraliseerd, bovendien bewegen geladen deeltjes met meer uit de brandende zone van zielen - hoge concentratie van ladingen in de omgeving met een lagere concentratie van ladingen. Al deze factoren leiden tot een verlaging van de temperatuur van de boog, tot afkoeling en verdwijning.

Rijst. 2. Elektrische boog

Boog na ontsteking

In de stationaire verbrandingsmodus zijn de processen van ionisatie en deïonisatie in evenwicht.De boogcilinder met een gelijke hoeveelheid vrije positieve en negatieve ladingen wordt gekenmerkt door een hoge mate van gasionisatie.

Een stof waarvan de ionisatiegraad dicht bij één ligt, d.w.z. waarin er geen neutrale atomen en moleculen zijn, wordt plasma genoemd.

De elektrische boog wordt gekenmerkt door de volgende kenmerken:

1. Een duidelijk gedefinieerde grens tussen de boogschacht en de omgeving.

2. De hoge temperatuur in de boogcilinder, die 6000 - 25000K bereikt.

3. Hoge stroomdichtheid en boogbuis (100 - 1000 A / mm2).

4. Kleine waarden van de anodische en kathodische spanningsval en zijn praktisch niet afhankelijk van de stroom (10 - 20 V).

Stroom-spanningskarakteristiek van een elektrische boog

Het belangrijkste kenmerk van een DC-boog is de afhankelijkheid van de boogspanning van de stroom, die de stroom-spanningskarakteristiek (VAC) wordt genoemd.

De boog ontstaat tussen de contacten bij een bepaalde spanning (fig. 3), de ontstekingsspanning Uz genoemd en is afhankelijk van de afstand tussen de contacten, de temperatuur en druk van de omgeving en de snelheid van de contactscheiding. Vlamboogdovend voltage Ug altijd minder spanning U3.

Rijst. 3. Stroom-spanningskarakteristiek van een DC-boog (a) en het equivalente circuit (b)

Curve 1 is de statische karakteristiek van de boog, d.w.z. verkregen door de stroom langzaam te variëren. Het kenmerk heeft een dalend karakter. Naarmate de stroom toeneemt, neemt de boogspanning af. Dit betekent dat de weerstand van de boogspleet sneller afneemt naarmate de stroom toeneemt.

Als bij een of andere snelheid de stroom in de boog wordt gereduceerd van I1 naar nul en tegelijkertijd de spanningsval langs de boog wordt gefixeerd, ontstaan ​​de curven 2 en 3. Deze curven worden dynamische kenmerken genoemd.

Hoe sneller de stroom wordt verminderd, hoe lager de dynamische I — V-karakteristieken zullen zijn. Dit komt door het feit dat met een afname van de stroom, boogparameters zoals de dwarsdoorsnede van het vat, temperatuur, geen tijd hebben om snel te veranderen en waarden te verkrijgen die overeenkomen met een lagere waarde van de stroom in een stabiele toestand.

Arc Gap Spanningsval:

Ud = Usc + EdId,

waar Us = Udo + Ua - spanningsval nabij de elektrode, Ed - longitudinale spanningsgradiënt in de boog, ID - de lengte van de boog.

Uit de formule volgt dat naarmate de booglengte toeneemt, de spanningsval over de boog zal toenemen en de I — V-karakteristiek hoger zal liggen.

Ze houden zich bezig met boogvorming bij het ontwerp van elektrische schakelapparaten. De eigenschappen van de elektrische boog worden gebruikt in installaties voor elektrisch booglassen en in boog smeltovens.