القوس الكهربائي وخصائصه
القوس الكهربائي - مرور الكهرباء عبر غاز بين قطبين احدهما مصدر الكترونات (كاثود). القطب هو سلك ينتهي في أي قسم من الدائرة الكهربائية.
تتسبب الإلكترونات المنبعثة من القطب السالب بكميات كبيرة في تأين قوي للغاز بين الأقطاب الكهربائية ، وبالتالي تجعل من الممكن تدفق تيار كبير بين الأقطاب الكهربائية.
من السمات المميزة للقوس الكهربائي ، على عكس التفريغ التقليدي للغاز ، أنه يمكن أن يحترق عند الجهد المنخفض.
تم اكتشاف القوس الكهربائي بواسطة فيزيائي من سانت بطرسبرغ في في بيتروف في عام 1802 ووجدت تطبيقات مهمة في مجال التكنولوجيا.
القوس الكهربائي هو نوع من التفريغ يتميز بكثافة التيار العالي ودرجة الحرارة المرتفعة وضغط الغاز المرتفع وانخفاض الجهد المنخفض عبر فجوة القوس. في هذه الحالة ، يتم إجراء تسخين مكثف للأقطاب الكهربائية (جهات الاتصال) ، حيث يتم تشكيل ما يسمى. البقع الكاثودية والأنودية. يتركز توهج الكاثود في بقعة مضيئة صغيرة ، ويشكل الجزء المتوهج من القطب المعاكس بقعة الأنود.
يمكن ملاحظة ثلاث مناطق في قوس قزح ، والتي تختلف اختلافًا كبيرًا في طبيعة العمليات التي تجري فيها. مباشرة إلى القطب السالب (الكاثود) للقوس هي منطقة انخفاض جهد الكاثود. التالي هو برميل قوس البلازما. مباشرة إلى القطب الموجب (الأنود) هي منطقة انخفاض الجهد أنوديك. تظهر هذه المناطق بشكل تخطيطي في الشكل. 1.
أرز. 1. هيكل القوس الكهربائي
إن أحجام مناطق انخفاض الجهد الكاثودي والأنودي في الشكل مبالغ فيها إلى حد كبير. في الواقع ، طولها صغير جدًا ، على سبيل المثال ، طول انخفاض الجهد الكاثودي هو بترتيب مسار الحركة الحرة للإلكترون (أقل من 1 ميكرون). عادة ما يكون طول منطقة انخفاض جهد الأنود أكبر قليلاً من هذه القيمة.
في ظل الظروف العادية ، يعتبر الهواء عازلًا جيدًا. لذا ، فإن الجهد المطلوب لكسر فجوة هوائية بمقدار 1 سم هو 30 كيلو فولت. لكي تصبح فجوة الهواء موصلًا ، من الضروري إنشاء تركيز معين من الجسيمات المشحونة (الإلكترونات والأيونات) فيها.
كيف يحدث القوس الكهربائي
يحدث القوس الكهربائي ، وهو تيار من الجسيمات المشحونة ، في اللحظة الأولى لفصل التلامس نتيجة لوجود إلكترونات حرة في غاز فجوة القوس والإلكترونات المنبعثة من سطح الكاثود. تتحرك الإلكترونات الحرة في الفجوة بين جهات الاتصال بسرعة عالية في الاتجاه من الكاثود إلى القطب الموجب تحت تأثير قوى المجال الكهربائي.
يمكن أن تصل شدة المجال في بداية فجوة التلامس إلى عدة آلاف من الكيلوفولت لكل سنتيمتر.تحت تأثير قوى هذا المجال ، تُسحب الإلكترونات من سطح القطب السالب وتتحرك إلى القطب الموجب ، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترونات منه ، والتي تشكل سحابة إلكترونية. يشكل التدفق الأولي للإلكترونات التي تم إنشاؤها بهذه الطريقة تأينًا شديدًا لفجوة القوس.
إلى جانب عمليات التأين ، تحدث عمليات إزالة الأيونات بشكل متوازي ومستمر في القوس. تتكون عمليات إزالة الأيونات من حقيقة أنه عندما يقترب أيونان من علامات مختلفة أو أيون موجب وإلكترون من بعضهما البعض ، فإنهما ينجذبان ويتصادمان ويتم تحييدهما ، بالإضافة إلى ذلك ، تتحرك الجسيمات المشحونة من منطقة احتراق الأرواح مع المزيد - ارتفاع تركيز الشحنات في البيئة مع تركيز أقل للشحنات. كل هذه العوامل تؤدي إلى انخفاض درجة حرارة القوس ، إلى تبريده واختفائه.
أرز. 2. القوس الكهربائي
قوس بعد الاشتعال
في وضع الاحتراق الثابت ، تكون عمليات التأين وإزالة الأيونات في حالة توازن ، حيث تتميز برميل القوس بكمية متساوية من الشحنات الموجبة والسالبة بدرجة عالية من تأين الغاز.
مادة تكون درجة تأينها قريبة من الوحدة ، أي حيث لا توجد ذرات محايدة والجزيئات تسمى البلازما.
يتميز القوس الكهربائي بالخصائص التالية:
1. حد محدد بوضوح بين عمود القوس والبيئة.
2. إرتفاع درجة الحرارة داخل ماسورة القوس لتصل إلى 6000 - 25000 كلفن.
3. كثافة تيار عالية وأنبوب قوس (100 - 1000 أمبير / مم 2).
4. قيم صغيرة لانخفاض الجهد الانودي والكاثودي وعمليا لا تعتمد على التيار (10 - 20 فولت).
خاصية الجهد الحالي للقوس الكهربائي
السمة الرئيسية لقوس التيار المستمر هي اعتماد جهد القوس على التيار ، وهو ما يسمى بخاصية الجهد الحالي (VAC).
يحدث القوس بين نقاط التلامس عند جهد معين (الشكل 3) ، يسمى جهد الإشعال Uz ويعتمد على المسافة بين جهات الاتصال ودرجة حرارة وضغط البيئة وسرعة فصل التلامس. جهد إطفاء القوس الكهربائي U3 دائمًا أقل إجهادًا.
أرز. 3. خاصية التيار والجهد لقوس تيار مستمر (أ) ودائرته المكافئة (ب)
المنحنى 1 هو الخاصية الثابتة للقوس ، أي تم الحصول عليها عن طريق تغيير التيار ببطء. السمة لها طابع هبوط. مع زيادة التيار ، ينخفض جهد القوس. هذا يعني أن مقاومة فجوة القوس تتناقص بشكل أسرع مع زيادة التيار.
إذا تم تقليل التيار في القوس بسرعة أو بأخرى من I1 إلى الصفر وفي نفس الوقت تم إصلاح انخفاض الجهد على طول القوس ، سينتج المنحنيان 2 و 3. تسمى هذه المنحنيات بالخصائص الديناميكية.
كلما تم تقليل التيار بشكل أسرع ، انخفضت خصائص I-V الديناميكية. هذا يرجع إلى حقيقة أنه مع انخفاض التيار ، فإن معلمات القوس مثل المقطع العرضي للبرميل ، ودرجة الحرارة ، ليس لديها وقت للتغيير بسرعة والحصول على القيم المقابلة لقيمة أقل للتيار في حالة مستقرة.
انخفاض الجهد فجوة القوس:
Ud = Usc + EdId ،
حيث Us = Udo + Ua - انخفاض الجهد بالقرب من القطب ، Ed - تدرج الجهد الطولي في القوس ، ID - طول القوس.
ويترتب على الصيغة أنه كلما زاد طول القوس ، سيزداد انخفاض الجهد عبر القوس وستكون خاصية I - V أعلى.
يتعاملون مع الانحناء في تصميم أجهزة التبديل الكهربائية. يتم استخدام خصائص القوس الكهربائي في تركيبات لحام القوس الكهربائي و في أفران صهر القوس.