Elektrisk lysbue og dens egenskaber

Elektrisk lysbue — passage af elektricitet gennem en gas mellem to elektroder, hvoraf den ene er en kilde til elektroner (katode). En elektrode er en ledning, der ender i enhver sektion af et elektrisk kredsløb.

Elektroner, der udsendes fra katoden i store mængder, forårsager kraftig ionisering af gassen mellem elektroderne og gør det dermed muligt for en stor strøm at løbe mellem elektroderne.

Et karakteristisk træk ved en elektrisk lysbue, i modsætning til en konventionel gasudladning, er, at den kan brænde ved lav spænding.

Den elektriske lysbue blev opdaget af en fysiker fra St. Petersborg V. V. Petrov i 1802 og fandt vigtige anvendelser inden for teknologi.

En elektrisk lysbue er en type udladning karakteriseret ved høj strømtæthed, høj temperatur, forhøjet gastryk og lavt spændingsfald over buegabet. I dette tilfælde sker intensiv opvarmning af elektroderne (kontakter), hvorpå de såkaldte dannes. Katodiske og anodiske pletter. Katodegløden er koncentreret i en lille lys plet, den glødende del af den modsatte elektrode danner anodepletten.

Tre områder kan noteres i regnbuen, som er meget forskellige i karakteren af ​​de processer, der finder sted i dem. Direkte til den negative elektrode (katode) af lysbuen er katodespændingsfaldsområdet. Dernæst er plasmabuen. Direkte til den positive elektrode (anode) er det anodiske spændingsfaldsområde. Disse områder er vist skematisk i fig. 1.

Ris. 1. Strukturen af ​​den elektriske lysbue

Størrelsen af ​​de katodiske og anodiske spændingsfaldsområder i figuren er stærkt overdrevne. I virkeligheden er deres længde meget lille. For eksempel er længden af ​​det katodiske spændingsfald af størrelsesordenen for en elektrons frie bevægelsesvej (mindre end 1 mikron). Længden af ​​anodespændingsfaldsområdet er normalt lidt større end denne værdi.

Under normale forhold er luft en god isolator. Så den nødvendige spænding for at bryde et luftgab på 1 cm er 30 kV. For at luftgabet kan blive en leder, er det nødvendigt at skabe en vis koncentration af ladede partikler (elektroner og ioner) i den.

Hvordan en elektrisk lysbue opstår

Den elektriske lysbue, som er en strøm af ladede partikler, i det indledende øjeblik af kontaktadskillelse opstår som et resultat af tilstedeværelsen af ​​frie elektroner i gassen i buegabet og elektroner udsendt fra katodens overflade. De frie elektroner i mellemrummet mellem kontakterne bevæger sig med høj hastighed i retningen fra katoden til anoden under påvirkning af de elektriske feltkræfter.

Feltstyrken ved begyndelsen af ​​kontaktgabet kan nå flere tusinde kilovolt pr. centimeter.Under påvirkning af dette felts kræfter trækkes elektroner fra katodens overflade og bevæger sig til anoden og banker elektroner fra den, som danner en elektronsky. Den indledende strøm af elektroner skabt på denne måde danner yderligere en intens ionisering af buegabet.

Sammen med ioniseringsprocesser sker deioniseringsprocesser parallelt og kontinuerligt i lysbuen. Deioniseringsprocesserne består i, at når to ioner med forskellige fortegn eller en positiv ion og en elektron nærmer sig hinanden, tiltrækkes de og, kolliderer, neutraliseres, desuden bevæger ladede partikler sig fra sjælens brændende zone med mere - høj koncentration af ladninger i miljøet med en lavere koncentration af ladninger. Alle disse faktorer fører til et fald i lysbuens temperatur, til dens afkøling og forsvinden.

Ris. 2. Elektrisk lysbue

Lysbue efter tænding

I stationær forbrændingstilstand er ioniserings- og deioniseringsprocesserne i ligevægt Lysbuetønden med lige store mængder frie positive og negative ladninger er karakteriseret ved en høj grad af gasionisering.

Et stof, hvis ioniseringsgrad er tæt på enhed, dvs. hvor der ikke er neutrale atomer og molekyler kaldes plasma.

Den elektriske lysbue er kendetegnet ved følgende egenskaber:

1. En klart defineret grænse mellem lysbueakslen og miljøet.

2. Den høje temperatur inde i buetønden, når 6000 — 25000K.

3. Høj strømtæthed og lysbuerør (100 — 1000 A / mm2).

4. Små værdier af det anodiske og katodiske spændingsfald og praktisk talt ikke afhænger af strømmen (10 - 20 V).

Strømspændingskarakteristik af en lysbue

Hovedkarakteristikken for en jævnstrømsbue er lysbuespændingens afhængighed af strømmen, som kaldes strømspændingskarakteristikken (VAC).

Lysbuen opstår mellem kontakterne ved en bestemt spænding (fig. 3), kaldet tændspændingen Uz og afhængig af afstanden mellem kontakterne, temperatur og tryk i omgivelserne og kontaktadskillelsens hastighed. Lysbueslukningsspænding Ug altid mindre spænding U3.

Ris. 3. Strømspændingskarakteristik for en jævnstrømsbue (a) og dens tilsvarende kredsløb (b)

Kurve 1 er den statiske karakteristik af buen, dvs. opnås ved langsomt at variere strømmen. Karakteristikken har en faldende karakter. Når strømmen stiger, falder lysbuespændingen. Det betyder, at modstanden i lysbuegabet aftager hurtigere, når strømmen øges.

Hvis strømmen i lysbuen ved den ene eller anden hastighed reduceres fra I1 til nul og samtidig fikserer spændingsfaldet langs buen, så vil der opstå kurve 2 og 3. Disse kurver kaldes dynamiske karakteristika.

Jo hurtigere strømmen reduceres, jo lavere vil de dynamiske I — V-karakteristika være. Dette skyldes det faktum, at med et fald i strømmen har sådanne parametre for buen som tøndens tværsnit, temperatur, ikke tid til at ændre sig hurtigt og erhverve værdier, der svarer til en lavere værdi af strømmen i en stabil tilstand.

Arc Gap Spændingsfald:

Ud = Usc + EdId,

hvor Us = Udo + Ua — spændingsfald nær elektroden, Ed — langsgående spændingsgradient i buen, ID — længden af ​​buen.

Det følger af formlen, at når buelængden øges, vil spændingsfaldet over lysbuen stige, og I - V-karakteristikken vil blive placeret højere.

De beskæftiger sig med lysbuer i designet af elektriske omskiftningsenheder. Egenskaberne ved den elektriske lysbue bruges i installationer til lysbuesvejsning og i lysbuesmelteovne.