ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

 

При размыкании электрических цепей с помощью контактов электрических аппаратов (выключателей, автоматов, рубильников, контакторов) обычно на этих контактах возникает дуговой разряд если величины тока и напряжения превосходят некоторые критические значения.

ДУГА – это явление прохождения электрического поля через газ, который под действием различных факторов ионизируется.

Известно четыре основных пути появления в дуговом промежутке электрических зарядов – ударная и термическая ионизация, термо- и автоэлектронная эмиссии.

Ионизация есть процесс появления в дуговых промежутках электрических зарядов – положительных и отрицательных электронов.

1. ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление испускания электронов из раскаленной поверхности катода.

7-2

После разрыва жидкометаллического мостика на катоде образуется пятно, которое и является основанием дуги. Под действием температуры этого пятна электроны получают энергию для преодоления потенциального барьера и выскакивают с электрона в пространство.

Количество электронов в результате термоэлектронной эмиссии невелико и этот процесс служит для разжигания дуги, т.е. является инициатором возникновения дуги. Но его недостаточно для поддержания горения. Наряду с этим процессом возникает процесс автоэлектронной эмиссии.

2. АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление испускания электронов из катода под действием сильного электрического поля. (Напряженность электрического поля >100 МВ/см). Этот процесс тоже незначительный, он также может служить только началом развития дугового разряда.

 

7-3

Таким образом, возникновение дугового разряда объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий.

Основные два процесса, которые поддерживают дугу это:

— термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высокой температуры (основной вид ионизации).

Температура ствола дуги достигает 7000 К. Под действием этой высокой температуры возрастает число и скорость движения заряженных частиц. При этом они соударяются, электрон при столкновении с нейтральной частицей может выбить из нее электрон. В результате получается свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется – ударной ионизацией.

 

7-4

ПРОЦЕССЫ ДЕИОНИЗАЦИИ (гашение дуги):

 

1. Рекомбинация – процесс образования нейтральных атомов при соударении разноименно заряженных частиц.

2. Диффузия – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. (Вынос заряженных частиц с помощью магнитного поля).

ВАХ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Основной характеристикой электрической дуги является вольтамперная характеристика, т.е. зависимость падения напряжения на дуге от величины тока. При свободном горении дуги ВАХ дуги имеет падающий характер – с увеличением тока в дуге напряжение на ней уменьшается, т.к. сопротивление дуги уменьшается обратно пропорционально квадрату тока.

7-5

 

Падение напряжения на дуге зависит не только от величины тока, но также от скорости его изменения. При медленном изменении тока процессы ионизации и деионизации успевают следовать за изменениями тока, вольтамперная характеристика, снятая при таком условии, носит название статической.

При быстром изменении тока дуговой промежуток не успевает прийти в соответствие с величиной тока в цепи и напряжение на дуге будет уже не таким, как при медленном изменении тока. Характеристику дуги для такого случая называют динамической.

 

 

1- статическая характеристика (бывает только одна); 2- динамические характеристики; 3- идеальная динамическая характеристика – при мгновенном изменении тока.

7-6

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ДЛИНЕ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

КАТОДНОЕ ПАДЕНИЕ – сосредоточено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмосферном давлении). Средняя напряженность электрического поля у катода достигает величины порядка 10⁵ В/см.

.

7-7

Анодное падение напряжения – имеет место в области непосредственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым условием существования дугового разряда, т.к. задача анода относительно пассивна – принимать идущий к нему электронный поток.

Величина анодного падения напряжения зависит от температуры анода, рода металла и пр.

Падение напряжения в дуговом столбе () представляет собой произведение напряженности электрического поля () на длину столба ().

Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе существенно зависит от условий, в которых горит дуга и свойств дугогасящей среды. Меньшее значение относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большее – к дугам, находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.

7-8