קשת חשמלית ומאפייניה
קשת חשמלית - מעבר חשמל דרך גז בין שתי אלקטרודות, שאחת מהן היא מקור לאלקטרונים (קתודה). אלקטרודה היא חוט שמסתיים בכל קטע של מעגל חשמלי.
אלקטרונים הנפלטים מהקתודה בכמויות גדולות גורמים ליינון חזק של הגז בין האלקטרודות ובכך מאפשרים זרם גדול לזרום בין האלקטרודות.
תכונה אופיינית של קשת חשמלית, שלא כמו פריקת גז רגילה, היא שהיא יכולה להישרף במתח נמוך.
הקשת החשמלית התגלתה על ידי פיזיקאי מסנט פטרסבורג V. V. Petrov בשנת 1802 ומצא יישומים חשובים בטכנולוגיה.
קשת חשמלית היא סוג של פריקה המאופיינת בצפיפות זרם גבוהה, טמפרטורה גבוהה, לחץ גז מוגבר וירידת מתח נמוכה על פני מרווח הקשת. במקרה זה, מתרחש חימום אינטנסיבי של האלקטרודות (מגעים), שעליו נוצרים מה שנקרא. כתמים קתודיים ואנודיים. זוהר הקתודה מרוכז בנקודה בהירה קטנה, חלק הליבון של האלקטרודה הנגדית יוצר את כתם האנודה.
ניתן לציין שלושה אזורים בקשת, אשר שונים מאוד באופי התהליכים המתרחשים בהם. ישירות אל האלקטרודה השלילית (קתודה) של הקשת נמצא אזור נפילת המתח הקתודה. הבא הוא חבית קשת הפלזמה. ישירות אל האלקטרודה החיובית (אנודה) נמצא אזור נפילת המתח האנודי. אזורים אלה מוצגים באופן סכמטי באיור. 1.
אורז. 1. מבנה הקשת החשמלית
הגדלים של אזורי נפילת המתח הקתודי והאנודי באיור מוגזמים מאוד. במציאות אורכם קטן מאוד, למשל אורך מפל המתח הקתודי הוא בסדר גודל של נתיב התנועה החופשית של אלקטרון (פחות מ-1 מיקרון). אורכו של אזור נפילת מתח האנודה בדרך כלל גדול מעט מערך זה.
בתנאים רגילים, אוויר הוא מבודד טוב. אז, המתח הנדרש לשבירת פער אוויר של 1 ס"מ הוא 30 קילו וולט. על מנת שמרווח האוויר יהפוך למוליך, יש צורך ליצור בו ריכוז מסוים של חלקיקים טעונים (אלקטרונים ויונים).
כיצד נוצרת קשת חשמלית
הקשת החשמלית, שהיא זרם של חלקיקים טעונים, ברגע הראשוני של הפרדת המגע מתרחשת כתוצאה מנוכחות אלקטרונים חופשיים בגז של מרווח הקשת ואלקטרונים הנפלטים מפני השטח של הקתודה. האלקטרונים החופשיים במרווח בין המגעים נעים במהירות גבוהה בכיוון מהקתודה לאנודה בפעולת כוחות השדה החשמלי.
עוצמת השדה בתחילת פער המגע יכולה להגיע לכמה אלפי קילו-וולט לסנטימטר.תחת פעולת הכוחות של שדה זה, אלקטרונים נמשכים מפני השטח של הקתודה ועוברים אל האנודה, ומפילים ממנה אלקטרונים, היוצרים ענן אלקטרונים. הזרימה הראשונית של אלקטרונים שנוצרה בדרך זו יוצרת עוד יותר יינון אינטנסיבי של פער הקשת.
לצד תהליכי יינון, תהליכי דה-יוניזציה מתרחשים במקביל וברציפות בקשת. תהליכי הדה-יוניזציה מורכבים מכך שכאשר שני יונים בעלי סימנים שונים או יון חיובי ואלקטרון מתקרבים זה לזה, הם נמשכים, ומתנגשים, מנוטרלים, בנוסף, חלקיקים טעונים נעים מאזור הבערה של הנשמות עם יותר - ריכוז גבוה של מטענים בסביבה עם ריכוז מטענים נמוך יותר. כל הגורמים הללו מביאים לירידה בטמפרטורת הקשת, להתקררותה ולהיעלמותה.
אורז. 2. קשת חשמלית
קשת לאחר הצתה
במצב בעירה נייחת, תהליכי היינון והדה-יוניזציה נמצאים בשיווי משקל.חבית הקשת עם כמות שווה של מטענים חיוביים ושליליים חופשיים מאופיינת בדרגה גבוהה של יינון גז.
חומר שמידת היינון שלו קרובה לאחדות, כלומר. שבהם אין אטומים ומולקולות ניטרליות נקרא פלזמה.
הקשת החשמלית מאופיינת במאפיינים הבאים:
1. גבול מוגדר בבירור בין ציר הקשת לבין הסביבה.
2. הטמפרטורה הגבוהה בתוך קנה הקשת, מגיעה ל-6000 — 25000K.
3. צפיפות זרם גבוהה וצינור קשת (100 - 1000 A / mm2).
4. ערכים קטנים של ירידת המתח האנודית והקתודית ולמעשה אינם תלויים בזרם (10 - 20 V).
זרם-מתח מאפיין קשת חשמלית
המאפיין העיקרי של קשת DC הוא התלות של מתח הקשת בזרם, הנקרא מאפיין מתח זרם (VAC).
הקשת מתרחשת בין המגעים במתח מסוים (איור 3), הנקרא מתח ההצתה Uz ובהתאם למרחק בין המגעים, הטמפרטורה והלחץ של הסביבה ומהירות הפרדת המגעים. מתח כיבוי קשת Ug תמיד פחות מתח U3.
אורז. 3. מאפיין מתח זרם של קשת DC (א) והמעגל המקביל לה (ב)
עקומה 1 היא המאפיין הסטטי של הקשת, כלומר. מתקבל על ידי שינוי איטי של הזרם. למאפיין יש אופי נופל. ככל שהזרם עולה, מתח הקשת יורד. המשמעות היא שההתנגדות של מרווח הקשת יורדת מהר יותר ככל שהזרם גדל.
אם במהירות כזו או אחרת הזרם בקשת מצטמצם מ-I1 לאפס ובמקביל לתקן את נפילת המתח לאורך הקשת, אז ייווצרו עקומות 2 ו- 3. עקומות אלו נקראות מאפיינים דינמיים.
ככל שהזרם מצטמצם מהר יותר, כך המאפיינים הדינמיים של I - V יהיו נמוכים יותר. זה נובע מהעובדה שעם ירידה בזרם, לפרמטרים כאלה של הקשת כמו חתך הקנה, הטמפרטורה, אין זמן להשתנות במהירות ולרכוש ערכים התואמים לערך נמוך יותר של הזרם. מצב יציב.
נפילת מתח של פער קשת:
Ud = Usc + EdId,
כאשר Us = Udo + Ua - נפילת מתח ליד האלקטרודה, Ed - שיפוע מתח אורכי בקשת, ID - אורך הקשת.
מהנוסחה עולה שככל שאורך הקשת גדל, ירידת המתח על פני הקשת תגדל והמאפיין I - V ימוקם גבוה יותר.
הם עוסקים בקשתות בתכנון של מכשירי מיתוג חשמליים. המאפיינים של הקשת החשמלית משמשים ב מתקנים לריתוך בקשת חשמלית ובתוך תנורי היתוך קשת.