Вольтова дуга

Вольтова дуга

ВОЛЬТОВА ДУГА, дуговой разряд, явление прохождения тока между двумя электродами, помещенными в атмосфере газа или пара, сопровождающееся сильным разогреванием электродов и светом. От других форм газового разряда вольтова дуга отличается сильным нагреванием катода и большой силой тока при малом напряжении на электродах. Дуговые разряды можно разделить на: а) разряд в вакууме (ртутные дуги); в этом случае разряд проходит через пары, образуемые катодом, и заполняет все пространство сосуда; б) разряд в атмосфере газа: ток переносится парами катода, сосредоточенными только в непосредственной близости электродов; в) дуговой разряд в самом газе, наблюдаемый при неиспаряющихся электродах. Типичная вольтова дуга изображена на фиг. 1.

Вольтова дуга

Анод (верхний уголь) имеет углубление (т. н. кратер), сильно накален (в обычных условиях до 3500—4000°) и быстро испаряется, тогда как катод (внизу) имеет более низкую температуру (3100°) и испаряется вдвое медленнее, поэтому и может быть сделан меньшей толщины; иногда замечаются наросты от оседающего на нем вещества анода.

Средняя часть промежутка между электродами, состоящая главным образом из вещества электродов, служит областью прохождения тока; наружная часть – ореол - место химических реакций, происходящих между парами вещества электродов и атмосферой, в которой помещена вольтова дуга. Типичная ртутная дуга изображена на фиг. 2.

Ртутная дуга

Слева - катод, около которого конусообразное сияние, темный промежуток, собственно дуга, второй темный промежуток, поверхностное сияние, анод.

Явления, происходящие в вольтовой дуге, вообще весьма сложны и хорошо разобраны только для ртутной дуги. Для возникновения дуги необходимо довести катод до высокой температуры, благодаря чему из него начинает, как из всякого накаленного катода, выбрасываться мощный поток электронов, ионизующий промежуток между электродами и этим обусловливающий его проводимость. Замечено, что высокая температура катода является непременным условием образования и поддержания вольтовой дуги. Эта высокая температура создается током, проходящим через электроды при их соприкосновении, и затем поддерживается ударами образованных электронным потоком ионов. Поблизости электродов скапливаются по этим причинам свободные объемные заряды, которые обусловливают большое падение потенциала у электродов, а, следовательно, обратную электродвижущую силу.

Характеристика вольтовой дуги, т. е. зависимость напряжения между электродами от силы тока, проходящего через дугу, дана на фиг. 3; она относится к ртутной дуге, лучше изученной, но, в общем, верна и для всякой вольтовой дуги.

Характеристика вольтовой дуги, т. е. зависимость напряжения между электродами от силы тока, проходящего через дугу

Отсюда видим, что для зажигания дуги нужно некоторое минимальное напряжение, называемое напряжением зажигания. Далее, характеристика показывает, что явление распадается на две различные части: при небольших токах оно характеризуется падением напряжения с увеличением тока, при дальнейшем возрастании силы тока переходит в так называемую шипящую дугу, при которой напряжение на электродах не зависит от силы тока. Первоначальная часть явления удовлетворительно описывается уравнением Айртон: V = a/I + b, где V - напряжение, I - сила тока, а и b - постоянные величины, линейно зависящие от расстояния между электродами. Отсюда видим, что при возникновении дуги, с возрастанием в ней силы тока, напряжение на электродах падает, чем вызывается дальнейшее увеличение тока; явление продолжается, пока не будет положен предел падением напряжения на зажимах источника ЭДС или присоединенного к нему добавочного сопротивления; тогда дуга начинает гореть устойчиво. Для этого необходимо, как показал Кауфман, чтобы dV/dI < R (R - сопротивление всех частей цепи за исключением самой дуги). Поэтому для устойчивого горения всякой вольтовой дуги необходимо балластное сопротивление. При фитильных угольных электродах наблюдаются уклонения от формулы Айртон. При повышении давления атмосферы, в которой горит вольтова дуга, чрезвычайно возрастает температура кратера; Люммеру удавалось этим способом доводить его температуру до 6000°, причем уголь плавился. Однако для получения весьма сильных источников света исследования Люммера применения не получили. При увеличении силы тока, питающего дугу, сила света ее увеличивается, но яркость каждой единицы поверхности испускающего свет угля остается неизменной; с повышением силы тока увеличивается только светящаяся поверхность. Бек и Гельгоф достигли, однако, увеличения отдачи света с единицы поверхности до 7 раз, препятствуя разными мерами распространению светящейся поверхности с увеличением силы тока, причем температура кратера превышала 5000°.

Вольтова дуга при переменном токе представляет весьма сложное явление; характеристика вольтовой дуги в этом случае имеет вид, показанный на фиг. 4.

Вольтова дуга при переменном токе

Дуга зажигается в начале каждого полупериода и к концу его гаснет; характеристика при возрастании тока лежит выше, чем при его убывании, т. е. напряжение зажигания выше напряжения угасания, ток идет через дугу и ранее, чем достигнуто напряжение зажигания, т. к. электроды не успевают остыть за время, протекающее от погасания за предыдущий полупериод до нового нарастания напряжения в последующем. Как всякий проводник, имеющий падающую характеристику, вольтова дуга может служить для генерации электрических колебаний.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.