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Arco elettrico (arco voltaico, scarica ad arco) è un fenomeno fisico, uno dei tipi di scarica elettrica in un gas.

Struttura ad arco

L'arco elettrico è costituito da regioni di catodo e anodo, colonna d'arco, regioni di transizione. Lo spessore della regione anodica è di 0,001 mm, la regione del catodo è di circa 0,0001 mm.

La temperatura nella regione dell'anodo durante la saldatura dell'elettrodo di consumo è di circa 2500 ... 4000 ° C, la temperatura nella colonna dell'arco è compresa tra 7000 e 18 000 ° C, nella regione del catodo - 9000 - 12000 ° C.

La colonna dell'arco è elettricamente neutra. In una qualsiasi delle sue sezioni vi è lo stesso numero di particelle cariche di segno opposto. La caduta di tensione nella colonna dell'arco è proporzionale alla sua lunghezza.

Gli archi di saldatura sono classificati in base a:

• Materiali per elettrodi - con un elettrodo consumabile e non consumabile;
• Gradi di compressione della colonna - arco libero e compresso;
• A seconda della corrente utilizzata - arco di corrente continua e arco di corrente alternata;
• Secondo la polarità della corrente elettrica continua - polarità diretta ("-" sull'elettrodo, "+" - sul prodotto) e polarità inversa;
• Quando si utilizza la corrente alternata - archi monofase e trifase.

Arco autoregolante

Quando si verifica una compensazione esterna - una variazione della tensione di rete, della velocità di alimentazione del filo, ecc., Si verifica una violazione dell'equilibrio stabilito tra la velocità di alimentazione e la velocità di fusione. Con un aumento della lunghezza dell'arco nel circuito, la corrente di saldatura e la velocità di fusione del filo dell'elettrodo diminuiscono e la velocità di avanzamento, rimanendo costante, diventa maggiore della velocità di fusione, il che porta al ripristino della lunghezza dell'arco. Con una diminuzione della lunghezza dell'arco, la velocità di fusione del filo diventa maggiore della velocità di avanzamento, ciò porta al ripristino della normale lunghezza dell'arco.

L'efficienza del processo di autoregolazione dell'arco è significativamente influenzata dalla forma della caratteristica corrente-tensione del generatore. L'elevata velocità di oscillazione della lunghezza dell'arco viene elaborata automaticamente con una rigida caratteristica corrente-tensione del circuito.

Combattimento con arco elettrico

In un certo numero di dispositivi, il fenomeno dell'arco elettrico è dannoso. Si tratta principalmente di dispositivi di commutazione di contatto utilizzati nell'alimentazione e nell'azionamento elettrico: interruttori di alta tensione, interruttori automatici, contattori, isolatori sezionali sulla rete di contatto delle ferrovie elettrificate e del trasporto elettrico urbano. Quando i carichi vengono scollegati dai dispositivi di cui sopra, si verifica un arco tra i contatti di interruzione.

Il meccanismo per il verificarsi di un arco in questo caso è il seguente:

• Ridurre la pressione di contatto: il numero di punti di contatto diminuisce, aumenta la resistenza nel nodo di contatto;
• L'inizio della divergenza dei contatti - la formazione di "ponti" dal metallo fuso dei contatti (nei punti degli ultimi punti di contatto);
• Rottura ed evaporazione di "ponti" da metallo fuso;
• La formazione di un arco elettrico in vapore metallico (che contribuisce a una maggiore ionizzazione della fessura di contatto e difficoltà di spegnimento dell'arco);
• Arco stabile con rapido burnout dei contatti.

Per danni minimi ai contatti, è necessario estinguere l'arco nel minor tempo possibile, facendo ogni sforzo per evitare che l'arco si trovi in ​​un punto (quando l'arco si muove, il calore rilasciato al suo interno sarà distribuito uniformemente sul corpo del contatto ).

Per soddisfare i requisiti di cui sopra, vengono utilizzati i seguenti metodi di soppressione dell'arco:

• raffreddamento dell'arco mediante il flusso del mezzo di raffreddamento - liquido (interruttore dell'olio); gas - (interruttore automatico dell'aria, interruttore automatico del gas, interruttore automatico dell'olio, interruttore automatico SF6) e il flusso del mezzo di raffreddamento può passare sia lungo l'albero dell'arco (smorzamento longitudinale) che attraverso (smorzamento trasversale); a volte viene utilizzato lo smorzamento longitudinale-trasversale;
• l'uso della capacità di estinzione dell'arco sottovuoto - è noto che quando la pressione dei gas che circondano i contatti commutati diminuisce a un certo valore, l'interruttore automatico del vuoto porta a un'effettiva estinzione dell'arco (a causa della mancanza di portatori per la formazione dell'arco).
• uso di materiale di contatto più resistente all'arco;
• l'uso di materiale di contatto con un potenziale di ionizzazione più elevato;
• l'uso di reti ad arco (interruttore automatico, interruttore elettromagnetico). Il principio dell'applicazione della soppressione dell'arco sui reticoli si basa sull'applicazione dell'effetto della caduta quasi catodica nell'arco (la maggior parte della caduta di tensione nell'arco è la caduta di tensione al catodo; lo scivolo dell'arco è in realtà una serie di contatti in serie per l'arco che è arrivato lì).
• l'uso di scivoli ad arco - entrando in una camera in materiale resistente all'arco, come plastica micacea, con canali stretti, a volte a zigzag, l'arco si allunga, si contrae e si raffredda intensamente dal contatto con le pareti della camera.
• l'uso di "esplosione magnetica" - poiché l'arco è fortemente ionizzato, in prima approssimazione può essere considerato un conduttore flessibile con corrente; Creando speciali elettromagneti (collegati in serie con l'arco), un campo magnetico può creare un movimento dell'arco per distribuire uniformemente il calore sul contatto e guidarlo nello scivolo dell'arco o nella griglia. Alcuni modelli di interruttori automatici creano un campo magnetico radiale che impartisce coppia all'arco.
• smistamento dei contatti al momento dell'apertura di una chiave a semiconduttore di potenza con un tiristore o un triac collegato in parallelo ai contatti, dopo l'apertura dei contatti, la chiave a semiconduttore viene spenta nel momento in cui la tensione passa per zero (contattore ibrido, thyricon).

Guarda anche

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Letteratura

• Arco elettrico- articolo da .
• scarica di scintille- articolo dalla Grande Enciclopedia Sovietica.
• Reiser Yu.P. Fisica della scarica di gas. - 2a ed. - M.: Nauka, 1992. - 536 pag. - ISBN 5-02014615-3.
• Dispositivi elettrici di Rodshtein LA, L 1981
• Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Filippo; Milian, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (01-06-2015). "Guida laser assistita di scariche elettriche attorno agli oggetti". Avanzamenti scientifici 1(5): e1400111. Bibcode:2015SciA....1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.

Collegamenti

Appunti

Terminologia Arco elettrico saldatura a pressione saldatura a contatto Altri tipi di saldatura Equipaggiamento e attrezzatura Malattie professionali Organizzazioni professionali

Un estratto che caratterizza l'arco elettrico

- Su fera du chemin cette fois ci. Oh! quand il s "en mele lui meme ca chauffe... Nom de Dieu... Le voilà!.. Vive l" Empereur! Les voila donc les Steppes de l "Asie! Vilain pays tout de meme. Au revoir, Beauche; je te reserve le plus beau palais de Moscou. Au revoir! Bonne chance… L" as tu vu, l "Empereur? Vive l" Imperatore!.. preur! Si on me fait gouverneur aux Indes, Gerard, je te fais ministre du Cachemire, c "est arrete. Vive l" Empereur! Vivi! viva! viva! Les gredins de Cosaques, comme ils filent. Vive l "Empereur! Le voilà! Le vois tu? Je l" ai vu deux fois comme jette vois. Le petit caporal ... Je l "ai vu donner la croix a l" un des vieux ... Vive l "Empereur! eccoli, steppe asiatiche... Ma un brutto paese. Addio, Boche. Ti lascio il miglior palazzo di Mosca. Addio, ti auguro successo. Hai visto l'imperatore? Evviva! Se mi nominano governatore in India, ti nominerò ministro del Kashmir... Evviva! Imperatore eccolo! Lo vedi? Io l'ho visto due volte come te. Piccolo caporale... ho visto come appese una croce a uno dei vecchi... Evviva, imperatore!] - dicevano le voci dei vecchi e dei giovani, dei più diversi personaggi e posizioni in tutti i volti di queste persone avevano un'espressione comune di gioia all'inizio della tanto attesa campagna e gioia e devozione per l'uomo con la redingote grigia in piedi sulla montagna.
Il 13 giugno Napoleone ricevette in dono un piccolo cavallo arabo purosangue, e si sedette e galoppò su uno dei ponti sul Neman, costantemente assordato da grida entusiastiche, che ovviamente sopportò solo perché era impossibile vietare loro di esprimere il loro amore per lui con queste grida; ma queste grida, accompagnandolo dovunque, lo appesantivano e lo distraevano dalle cure militari che lo avevano preso da quando si era arruolato nell'esercito. Attraversò uno dei ponti che ondeggiavano su barche dall'altra parte, virò bruscamente a sinistra e galoppò verso Kovno, preceduto dalle entusiaste guardie cacciatrici, che stavano morendo di felicità, aprendo la strada alle truppe che galoppavano davanti a lui. Avvicinatosi all'ampio fiume Viliya, si fermò vicino al reggimento ulano polacco, che si trovava sulla riva.
- Viva! - gridarono entusiasti i polacchi, sconvolgendo il fronte e schiacciandosi a vicenda per vederlo. Napoleone esaminò il fiume, scese da cavallo e si sedette su un tronco che giaceva sulla riva. Ad un cenno muto gli diedero una tromba, lui la mise sul retro di un foglio felice che corse su e cominciò a guardare dall'altra parte. Poi andò più a fondo nell'esaminare il foglio della mappa steso tra i tronchi. Senza alzare la testa, disse qualcosa, e due dei suoi aiutanti corsero al galoppo verso gli ulani polacchi.
- Che cosa? Cosa ha detto? - è stato sentito nelle file dei lancieri polacchi, quando un aiutante si è avvicinato al galoppo verso di loro.
Fu ordinato, dopo aver trovato un guado, di andare dall'altra parte. Un colonnello lanciere polacco, un bell'uomo anziano, arrossato e confuso dall'eccitazione, chiese all'aiutante se gli fosse permesso di attraversare il fiume con i suoi lancieri senza trovare un guado. Lui, con evidente timore di essere rifiutato, come un ragazzo che chiede il permesso di salire a cavallo, chiese agli occhi dell'imperatore di poter attraversare il fiume a nuoto. L'aiutante disse che, probabilmente, l'imperatore non sarebbe stato insoddisfatto di questo eccessivo zelo.
Non appena l'aiutante disse questo, un vecchio ufficiale baffuto con una faccia felice e occhi scintillanti, alzando la sciabola, gridò: “Vivat! - e, dopo aver comandato ai lancieri di seguirlo, diede gli speroni al cavallo e galoppò al fiume. Spinse brutalmente il cavallo che esitava sotto di lui e si tuffò nell'acqua, dirigendosi più in profondità nelle rapide della corrente. Centinaia di lancieri gli corsero dietro. Faceva freddo e inquietante in mezzo e nelle rapide della corrente. I lancieri si aggrapparono l'uno all'altro, caddero da cavallo, alcuni cavalli annegarono, altri annegarono, gli altri cercarono di nuotare, alcuni in sella, altri aggrappandosi alla criniera. Cercarono di nuotare in avanti dall'altra parte e, nonostante ci fosse un incrocio a mezza versta di distanza, erano orgogliosi di nuotare e annegare in questo fiume sotto lo sguardo di un uomo seduto su un tronco e senza nemmeno guardare a quello che stavano facendo. Quando l'aiutante di ritorno, scelto un momento conveniente, si permise di attirare l'attenzione dell'imperatore sulla devozione dei polacchi alla sua persona, un ometto con una redingote grigia si alzò e, chiamato Berthier a sé, cominciò ad avvicinarsi e giù per la riva con lui, impartendogli ordini e guardando di tanto in tanto con dispiacere i lancieri che affogavano che attiravano la sua attenzione.
Per lui non era nuova la convinzione che la sua presenza a tutte le estremità del mondo, dall'Africa alle steppe della Moscovia, stupisca e sprofonda ugualmente nella follia dell'oblio di sé. Ordinò che gli fosse portato un cavallo e andò al suo accampamento.
Una quarantina di lancieri sono annegati nel fiume, nonostante le barche inviate in soccorso. La maggior parte è tornata su questa riva. Il colonnello e diversi uomini attraversarono a nuoto il fiume e con difficoltà si arrampicarono dall'altra parte. Ma appena scesi in un vestito bagnato schiaffeggiato su di loro, scorrendo a ruscelli, gridarono: “Vivat!”, guardando con entusiasmo il luogo dove si trovava Napoleone, ma dove lui non c'era più, e in quel momento si consideravano felice.
In serata, Napoleone, tra due ordini - uno di consegnare al più presto le banconote russe false preparate per l'importazione in Russia, e l'altro di sparare a un sassone, nella cui lettera intercettata sono state trovate informazioni sugli ordini per l'esercito francese - fece un terzo ordine - sulla resa dei conti del colonnello polacco che si gettò inutilmente nel fiume alla coorte d'onore (Legion d "honneur), di cui Napoleone era a capo.
Qnos vult perdere - dementat. [Chi vuole distruggere - privare della ragione (lat.)]

Nel frattempo, l'imperatore russo viveva già da più di un mese a Vilna, facendo revisioni e manovre. Niente era pronto per la guerra, che tutti si aspettavano e in preparazione per la quale l'imperatore era venuto da Pietroburgo. Non c'era un piano d'azione generale. Le esitazioni su quale progetto, tra tutti quelli proposti, dovesse essere adottato, non fecero che aumentare ulteriormente dopo il soggiorno di un mese dell'imperatore nell'appartamento principale. Nei tre eserciti c'era un comandante in capo separato in ciascuno, ma non c'era un comandante comune su tutti gli eserciti e l'imperatore non assunse questo titolo.
Più a lungo l'imperatore viveva a Vilna, meno si preparava alla guerra, stanchi di aspettarla. Sembrava che tutte le aspirazioni del popolo che circondavano il sovrano fossero volte solo a far dimenticare al sovrano, divertendosi, la guerra imminente.
Dopo tanti balli e vacanze con i magnati polacchi, con i cortigiani e con lo stesso sovrano, nel mese di giugno uno degli aiutanti generali polacchi del sovrano ebbe l'idea di dare la cena e un ballo al sovrano in nome del suo aiutanti generali. Questa idea è stata accolta favorevolmente da tutti. L'imperatore acconsentì. L'aiutante generale raccoglieva denaro in abbonamento. La persona che poteva essere più gradita al sovrano era invitata a fare la padrona di casa del ballo. Il conte Benigsen, un proprietario terriero nella provincia di Vilna, ha offerto la sua casa di campagna per questa vacanza e il 13 giugno sono stati programmati una cena, un ballo, una gita in barca e fuochi d'artificio a Zakret, la casa di campagna del conte Benigsen.
Lo stesso giorno in cui Napoleone diede l'ordine di attraversare il Neman e le sue truppe avanzate, respingendo i cosacchi, attraversarono il confine russo, Alessandro trascorse la serata nella dacia di Benigsen, a un ballo dato dagli aiutanti del generale.
È stata una vacanza allegra e brillante; gli esperti del settore dicevano che così tante bellezze raramente si riunivano in un unico luogo. La contessa Bezukhova, tra le altre dame russe venute per il sovrano da San Pietroburgo a Vilna, era presente a questo ballo, oscurando le sofisticate dame polacche con la sua pesante bellezza cosiddetta russa. Fu notata e il sovrano la onorò con un ballo.
Anche Boris Drubetskoy, en garcon (scapolo), come ha detto, dopo aver lasciato la moglie a Mosca, era presente a questo ballo e, sebbene non fosse un aiutante generale, era un grande partecipante all'abbonamento per il ballo. Boris era ora un uomo ricco che era andato lontano in onore, non cercando più il patrocinio, ma in piedi alla pari con il più alto dei suoi coetanei.
Alle dodici del mattino stavano ancora ballando. Helen, che non aveva un degno gentiluomo, offrì lei stessa la mazurka a Boris. Si sono seduti nella terza coppia. Boris, guardando freddamente le lucide spalle nude di Helen, che sporgono da un vestito di garza scuro con oro, parlava di vecchie conoscenze e allo stesso tempo, impercettibilmente a se stesso e agli altri, non smetteva per un secondo di guardare il sovrano, che era nello stesso sala. Il sovrano non ballava; stava sulla porta e fermava l'uno o l'altro con quelle parole gentili che solo lui sapeva pronunciare.
All'inizio della mazurka, Boris vide che l'aiutante generale Balashev, una delle persone più vicine al sovrano, gli si avvicinava e si fermò cortesemente vicino al sovrano, che stava parlando con una signora polacca. Dopo aver parlato con la signora, l'imperatore guardò interrogativamente e, apparentemente rendendosi conto che Balashev lo faceva solo perché c'erano ragioni importanti per questo, fece un leggero cenno alla signora e si rivolse a Balashev. Balashev aveva appena cominciato a parlare, mentre la sorpresa era stata espressa sul volto del sovrano. Prese il braccio di Balashev e camminò con lui attraverso il corridoio, liberando inconsciamente i sazhen su entrambi i lati delle tre ampie strade che stavano da parte davanti a lui. Boris notò il volto agitato di Arakcheev, mentre il sovrano andò con Balashev. Arakcheev, guardando accigliato il sovrano e annusando il suo naso rosso, si allontanò dalla folla, come se si aspettasse che il sovrano si rivolgesse a lui. (Boris si rese conto che Arakcheev era geloso di Balashev ed era insoddisfatto del fatto che alcune notizie, ovviamente importanti, non fossero state trasmesse al sovrano tramite lui.)
Ma il sovrano con Balashev passò, senza accorgersi di Arakcheev, attraverso la porta di uscita nel giardino illuminato. Arakcheev, impugnando la spada e guardandosi intorno con rabbia, camminava venti passi dietro di loro.

Il principio della saldatura ad arco elettrico si basa sull'uso della temperatura della scarica elettrica che si verifica tra l'elettrodo di saldatura e il pezzo metallico.

La scarica dell'arco si forma a causa della rottura elettrica del traferro. Quando si verifica questo fenomeno, si verifica la ionizzazione delle molecole di gas, la sua temperatura e la sua conduttività elettrica aumentano e si verifica il passaggio allo stato plasma.

La combustione dell'arco di saldatura è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di luce e soprattutto di energia termica, a seguito della quale la temperatura aumenta bruscamente e si verifica la fusione locale del metallo del pezzo. Questa è saldatura.

Durante il funzionamento, per avviare una scarica dell'arco, viene stabilito un contatto a breve termine del pezzo con un elettrodo, ovvero viene creato un cortocircuito, seguito dalla rottura del contatto metallico e dalla creazione del traferro richiesto. In questo modo viene selezionata la lunghezza ottimale dell'arco di saldatura.

Con una scarica molto breve, l'elettrodo può attaccarsi al pezzo, la fusione è troppo intensa, il che può portare alla formazione di cedimenti. Un arco lungo è caratterizzato da una combustione instabile e da una temperatura non sufficientemente elevata nella zona di saldatura.

Quando si utilizzano unità di saldatura industriali con parti abbastanza massicce, si possono spesso osservare instabilità e distorsione visibile della forma dell'arco di saldatura. Questo fenomeno è chiamato soffiaggio magnetico.

La sua essenza sta nel fatto che la corrente di saldatura dell'arco crea un certo campo magnetico che interagisce con il campo magnetico creato dalla corrente che scorre attraverso il pezzo massiccio.

Cioè, la deflessione dell'arco è causata da forze magnetiche. Il processo è chiamato soffiaggio perché l'arco è deviato, come per l'influenza del vento.

Non ci sono modi radicali per combattere questo fenomeno. Per ridurre l'influenza dell'esplosione magnetica, viene utilizzata la saldatura con un arco ridotto e anche l'elettrodo è posizionato ad una certa angolazione.

Ambiente di combustione

Esistono diverse tecnologie di saldatura che utilizzano scariche ad arco che differiscono per proprietà e parametri. L'arco di saldatura elettrico ha le seguenti varietà:

• aprire. La combustione dello scarico avviene direttamente nell'atmosfera;
• Chiuso. L'elevata temperatura che si forma durante la combustione provoca un abbondante rilascio di gas dal flusso di combustione. Il flusso è contenuto nel rivestimento degli elettrodi di saldatura;
• in un ambiente con gas protettivo. In questa opzione, il gas viene fornito alla zona di saldatura, molto spesso è elio, argon o anidride carbonica.

La protezione della zona di saldatura è necessaria per prevenire l'ossidazione attiva del metallo fuso sotto l'influenza dell'ossigeno atmosferico.

Lo strato di ossido impedisce la formazione di una saldatura continua, il metallo alla giunzione acquisisce porosità, con conseguente diminuzione della forza e della tenuta del giunto.

In una certa misura, l'arco stesso è in grado di creare un microclima nella zona di combustione a causa della formazione di un'area di alta pressione che impedisce l'afflusso di aria atmosferica.

L'uso del flusso consente un'estrusione più attiva dell'aria dalla zona di saldatura. L'utilizzo di gas di protezione forniti sotto pressione risolve quasi completamente questo problema.

Durata dello scarico

Oltre ai criteri di protezione, la scarica dell'arco è classificata per durata. Ci sono processi in cui l'arco brucia in modalità pulsata.

In tali dispositivi, la saldatura viene eseguita con brevi lampi. Durante il flash, la temperatura ha il tempo di salire a un valore sufficiente per la fusione locale di una piccola zona in cui si forma una connessione puntuale.

La maggior parte delle tecnologie di saldatura applicate utilizza un tempo di combustione dell'arco relativamente lungo. Durante il processo di saldatura, c'è un movimento costante dell'elettrodo lungo i bordi uniti.

La regione di temperatura elevata, che crea , si muove dopo l'elettrodo. Dopo aver spostato l'elettrodo di saldatura, e di conseguenza la scarica dell'arco, la temperatura della sezione passata diminuisce, il bagno di saldatura si cristallizza e si forma una forte saldatura.

Struttura a scarica d'arco

L'area della scarica dell'arco è suddivisa condizionatamente in tre sezioni. Le aree direttamente adiacenti ai poli (anodo e catodo) sono dette rispettivamente anodo e catodo.

La parte centrale della scarica dell'arco, situata tra le regioni dell'anodo e del catodo, è chiamata colonna dell'arco. La temperatura nella zona dell'arco di saldatura può raggiungere diverse migliaia di gradi (fino a 7000 °C).

Sebbene il calore non sia completamente trasferito al metallo, è sufficiente per sciogliersi. Quindi, il punto di fusione dell'acciaio per il confronto è 1300-1500 °C.

Per garantire una combustione stabile della scarica dell'arco, sono necessarie le seguenti condizioni: la presenza di una corrente dell'ordine di 10 Ampere (questo è il valore minimo, il massimo può raggiungere i 1000 Ampere), mantenendo la tensione dell'arco da 15 a 40 Volt.

La caduta di questa tensione si verifica nella scarica dell'arco. La distribuzione delle sollecitazioni sulle zone dell'arco avviene in modo non uniforme. La maggior parte della caduta di tensione applicata si verifica nelle zone dell'anodo e del catodo.

È stato stabilito sperimentalmente che a , la più grande caduta di tensione si osserva nella zona del catodo. Il gradiente di temperatura più alto si osserva nella stessa parte dell'arco.

Pertanto, quando si sceglie la polarità del processo di saldatura, il catodo viene collegato all'elettrodo quando si vuole ottenere la sua massima fusione alzandone la temperatura. Al contrario, per una penetrazione più profonda del pezzo, il catodo è attaccato ad esso. La parte più piccola della tensione cade nella colonna dell'arco.

Quando si salda con un elettrodo non consumabile, la caduta di tensione del catodo è inferiore a quella dell'anodo, ovvero la zona di alta temperatura viene spostata sull'anodo.

Pertanto, con questa tecnologia, il pezzo è collegato all'anodo, che ne garantisce un buon riscaldamento e la protezione dell'elettrodo non consumabile dall'eccessiva temperatura.

Zone di temperatura

Va notato che per qualsiasi tipo di saldatura, elettrodo sia consumabile che non consumabile, la colonna dell'arco (il suo centro) ha la temperatura più alta - circa 5000-7000 ° C, e talvolta anche più alta.

Le zone di temperatura più bassa si trovano in una delle regioni attive, catodo o anodo. In queste zone può essere rilasciato il 60-70% del calore dell'arco.

Oltre a un intenso aumento della temperatura del pezzo e dell'elettrodo di saldatura, la scarica emette onde infrarosse e ultraviolette che possono avere un effetto dannoso sul corpo del saldatore. Ciò richiede l'applicazione di misure di protezione.

Per quanto riguarda la saldatura AC, il concetto di polarità non esiste lì, poiché la posizione dell'anodo e del catodo cambia con una frequenza industriale di 50 oscillazioni al secondo.

L'arco in questo processo è meno stabile rispetto alla corrente continua, la sua temperatura oscilla. I vantaggi dei processi di saldatura a corrente alternata includono solo apparecchiature più semplici ed economiche e persino l'assenza quasi completa di un fenomeno come il soffiaggio magnetico, di cui si è parlato sopra.

Caratteristiche volt-ampere

Il grafico mostra le curve di dipendenza della tensione del generatore dall'ampiezza della corrente di saldatura, dette caratteristiche di corrente-tensione del processo di saldatura.

Le curve rosse mostrano la variazione di tensione tra elettrodo e pezzo nelle fasi di eccitazione dell'arco di saldatura e la sua combustione costante. I punti di partenza delle curve corrispondono alla tensione a circuito aperto dell'alimentatore.

Al momento dell'eccitazione della scarica dell'arco da parte del saldatore, la tensione diminuisce drasticamente fino al periodo in cui i parametri dell'arco si stabilizzano, viene impostato il valore della corrente di saldatura, a seconda del diametro dell'elettrodo utilizzato, della potenza del generatore e la lunghezza dell'arco impostata.

Con l'inizio di questo periodo, la tensione e la temperatura dell'arco si stabilizzano e l'intero processo diventa stabile.

Un arco elettrico è una scarica d'arco che si verifica tra due elettrodi, o un elettrodo e un pezzo, e che consente di unire due o più parti mediante saldatura.

L'arco di saldatura, a seconda dell'ambiente in cui si manifesta, è suddiviso in più gruppi. Può essere aperto, chiuso e anche nell'ambiente di gas protettivi.

Un arco aperto scorre all'aria aperta attraverso la ionizzazione di particelle nell'area di combustione, nonché a causa dei vapori metallici delle parti saldate e del materiale dell'elettrodo. L'arco chiuso, a sua volta, brucia sotto lo strato di flusso. Ciò consente di modificare la composizione del mezzo gassoso nell'area di combustione e proteggere il metallo dei pezzi dall'ossidazione. In questo caso, l'arco elettrico scorre attraverso i vapori metallici e gli ioni dell'additivo di flusso. L'arco che brucia in un ambiente di gas protettivo scorre attraverso gli ioni di questo gas e il vapore metallico. Ciò aiuta anche a prevenire l'ossidazione delle parti e, di conseguenza, ad aumentare l'affidabilità della connessione formata.

L'arco elettrico si differenzia per il tipo di corrente erogata - alternata o costante - e per la durata della combustione - pulsata o stazionaria. Inoltre, l'arco può avere polarità diretta o inversa.

In base al tipo di elettrodo utilizzato si distinguono gli elettrodi non consumabili e quelli consumabili. L'uso dell'uno o dell'altro elettrodo dipende direttamente dalle caratteristiche della saldatrice. L'arco che si verifica quando si utilizza un elettrodo non consumabile, come suggerisce il nome, non lo deforma. Durante la saldatura con un elettrodo consumabile, la corrente dell'arco fonde il materiale e si deposita sul pezzo originale.

Il gap dell'arco può essere suddiviso condizionatamente in tre sezioni caratteristiche: catodo, anodo e albero dell'arco. In questo caso, l'ultima sezione, cioè il tronco dell'arco ha la lunghezza maggiore, tuttavia le caratteristiche dell'arco, nonché la possibilità che si verifichi, sono determinate proprio dalle regioni di quasi elettrodo.

In generale, le caratteristiche che ha un arco elettrico possono essere combinate nel seguente elenco:

1. Lunghezza dell'arco. Questo si riferisce alla distanza totale delle regioni del catodo e dell'anodo, nonché dell'albero dell'arco.

2. Tensione dell'arco. Consiste nella somma su ciascuna delle aree: tronco, vicino-catodo e vicino-anodo. In questo caso, la variazione di tensione nelle regioni del vicino elettrodo è molto maggiore che nella regione rimanente.

3. Temperatura. Un arco elettrico, a seconda della composizione del mezzo gassoso, il materiale degli elettrodi, può sviluppare temperature fino a 12mila gradi Kelvin. Tuttavia, tali picchi non si trovano sull'intero piano della superficie dell'estremità dell'elettrodo. Poiché anche con la migliore lavorazione, ci sono varie irregolarità e protuberanze sul materiale della parte conduttiva, a causa delle quali si verificano molte scariche, che vengono percepite come una sola. Naturalmente, la temperatura dell'arco dipende in gran parte dall'ambiente in cui brucia, nonché dai parametri della corrente fornita. Ad esempio, se si aumenta il valore corrente, di conseguenza, aumenterà anche il valore della temperatura.

E, infine, la caratteristica corrente-tensione o VAC. Rappresenta la dipendenza della tensione dalla lunghezza e dalla grandezza della corrente.

Arco elettrico.

Lo spegnimento del circuito mediante un dispositivo di contatto è caratterizzato dall'aspetto del plasma, che attraversa diversi stadi di una scarica di gas nel processo di conversione del divario di intercontatto da un conduttore di corrente elettrica in un isolante.

A correnti superiori a 0,5-1 A, si verifica una fase di scarica dell'arco (regione 1 )(Fig. 1.); quando la corrente diminuisce, si verifica una fase di scarica a bagliore al catodo (regione 2 ); fase successiva (area 3 ) è il discarico Townsend e, infine, la regione 4 - la fase di isolamento, in cui i portatori di elettricità - elettroni e ioni - non si formano per ionizzazione, ma possono provenire solo dall'ambiente.

Riso. 1. Caratteristica corrente-tensione degli stadi di scarica elettrica nei gas

La prima sezione della curva è una scarica ad arco (regione 1) - caratterizzato da una piccola caduta di tensione agli elettrodi e da un'elevata densità di corrente. All'aumentare della corrente, la tensione attraverso il gap dell'arco prima diminuisce drasticamente, quindi cambia leggermente.

La seconda sezione (regione 2 ), che è una regione di scarica a bagliore, è caratterizzata da un'elevata caduta di tensione al catodo (250–300 V) e basse correnti. Con l'aumento della corrente, la caduta di tensione attraverso il gap di scarica aumenterà.

Congedo Townsend (area 3 ) è caratterizzato da valori di corrente estremamente bassi ad alte tensioni.

Arco elettricoè accompagnato da una temperatura elevata ed è associato a questa temperatura. Pertanto, l'arco non è solo un fenomeno elettrico, ma anche termico.

In condizioni normali, l'aria è un buon isolante. Quindi, per la rottura di un traferro di 1 cm, è necessario applicare una tensione di almeno 30 kV. Affinché il traferro diventi un conduttore, è necessario creare una certa concentrazione di particelle cariche al suo interno: negativi - per lo più elettroni liberi e positivi - ioni. Viene chiamato il processo di separazione di uno o più elettroni da una particella neutra con formazione di elettroni e ioni liberi ionizzazione.

Ionizzazione del gas può verificarsi sotto l'influenza di luce, raggi X, alta temperatura, sotto l'influenza di un campo elettrico e una serie di altri fattori. Per i processi ad arco nei dispositivi elettrici, i più importanti sono: dei processi che si verificano agli elettrodi, emissioni termoioniche e autoelettroniche, e dei processi che si verificano nel gap dell'arco, ionizzazione termica e ionizzazione per spinta.

Nella commutazione di dispositivi elettrici progettati per chiudere e aprire un circuito con corrente, quando disconnessi, si verifica una scarica nel gas sotto forma di scarica a bagliore o sotto forma di arco. Una scarica a bagliore si verifica quando la corrente da spegnere è inferiore a 0,1 A e la tensione ai contatti raggiunge 250–300 V. Tale scarica si verifica sui contatti dei relè a bassa potenza o come fase di transizione a una scarica sotto forma di arco elettrico.

Le principali proprietà della scarica dell'arco.

1) La scarica dell'arco avviene solo a correnti elevate; la corrente d'arco minima per i metalli è di circa 0,5 A;

2) La temperatura della parte centrale dell'arco è molto elevata e negli apparecchi può raggiungere i 6000 - 18000 K;

3) La densità di corrente al catodo è estremamente elevata e raggiunge 10 2 - 10 3 A / mm 2;

4) La caduta di tensione al catodo è di soli 10 - 20 V e praticamente non dipende dalla corrente.

In una scarica ad arco si possono distinguere tre regioni caratteristiche: vicino al catodo, la regione della colonna dell'arco (albero dell'arco) e vicino all'anodo (Fig. 2.).

In ciascuna di queste aree, i processi di ionizzazione e deionizzazione procedono in modo diverso a seconda delle condizioni che vi si trovano. Poiché la corrente risultante attraverso queste tre regioni è la stessa, in ciascuna di esse avvengono processi per garantire il verificarsi del numero richiesto di cariche.

Riso. 2. Distribuzione della tensione e dell'intensità del campo elettrico in un arco CC stazionario

Emissione termoionica. L'emissione termoionica è il fenomeno dell'emissione di elettroni da una superficie riscaldata.

Quando i contatti divergono, la resistenza di contatto del contatto e la densità di corrente nell'ultima area di contatto aumentano notevolmente. Quest'area viene riscaldata alla temperatura di fusione e alla formazione di un istmo di contatto di metallo fuso, che si rompe con un'ulteriore divergenza dei contatti. Qui il metallo di contatto evapora. Sull'elettrodo negativo si forma un cosiddetto punto catodico (hot pad), che funge da base dell'arco e fonte di radiazione elettronica al primo momento di divergenza di contatto. La densità di corrente di emissione termoionica dipende dalla temperatura e dal materiale dell'elettrodo. È piccolo e può essere sufficiente per il verificarsi di un arco elettrico, ma è insufficiente per la sua combustione.

Emissione autoelettronica. Questo è il fenomeno dell'emissione di elettroni dal catodo sotto l'influenza di un forte campo elettrico.

Il luogo in cui il circuito elettrico è interrotto può essere rappresentato come un condensatore variabile. La capacità al momento iniziale è uguale all'infinito, quindi diminuisce quando i contatti divergono. Attraverso la resistenza del circuito, questo condensatore viene caricato e la tensione ai suoi capi sale gradualmente da zero alla tensione di rete. Allo stesso tempo, la distanza tra i contatti aumenta. L'intensità di campo tra i contatti durante l'aumento di tensione passa per valori superiori a 100 MV/cm. Tali valori dell'intensità del campo elettrico sono sufficienti per espellere gli elettroni dal catodo freddo.

Anche la corrente di emissione del campo è molto piccola e può servire solo come inizio dello sviluppo di una scarica ad arco.

Pertanto, il verificarsi di una scarica d'arco su contatti divergenti è spiegato dalla presenza di emissioni termoioniche e autoelettroniche. La predominanza dell'uno o dell'altro fattore dipende dal valore della corrente disinserita, dal materiale e dalla pulizia della superficie di contatto, dalla velocità della loro divergenza e da una serie di altri fattori.

Ionizzazione a spinta. Se un elettrone libero ha una velocità sufficiente, quando entra in collisione con una particella neutra (atomo e talvolta una molecola), può eliminare un elettrone da esso. Il risultato è un nuovo elettrone libero e uno ione positivo. L'elettrone appena acquisito può, a sua volta, ionizzare la particella successiva. Questa ionizzazione è chiamata ionizzazione push.

Affinché un elettrone possa ionizzare una particella di gas, deve muoversi con una certa velocità definita. La velocità di un elettrone dipende dalla differenza di potenziale sul suo cammino libero medio. Pertanto, di solito non è indicata la velocità dell'elettrone, ma il valore minimo della differenza di potenziale che deve trovarsi sulla lunghezza del percorso libero affinché l'elettrone acquisisca la velocità necessaria entro la fine del percorso. Questa differenza di potenziale è chiamata potenziale di ionizzazione.

Il potenziale di ionizzazione per i gas è 13 - 16 V (azoto, ossigeno, idrogeno) e fino a 24,5 V (elio), per i vapori metallici è circa due volte inferiore (7,7 V per i vapori di rame).

Ionizzazione termica. Questo è il processo di ionizzazione sotto l'influenza dell'alta temperatura. Mantenimento dell'arco dopo il suo verificarsi, ad es. fornire alla scarica dell'arco generato un numero sufficiente di cariche libere è spiegato dal principale e praticamente l'unico tipo di ionizzazione: la ionizzazione termica.

La temperatura della colonna dell'arco è in media di 6000 - 10000 K, ma può raggiungere valori più elevati - fino a 18000 K. A questa temperatura, sia il numero di particelle di gas in rapido movimento che la velocità del loro movimento aumentano notevolmente. Quando atomi o molecole in rapido movimento si scontrano, la maggior parte di essi viene distrutta, formando particelle cariche, ad es. il gas è ionizzato. La caratteristica principale della ionizzazione termica è grado di ionizzazione, che è il rapporto tra il numero di atomi ionizzati nel gap dell'arco e il numero totale di atomi in questo gap. Contemporaneamente ai processi di ionizzazione nell'arco, si verificano processi inversi, cioè la riunificazione di particelle cariche e la formazione di particelle neutre. Questi processi sono chiamati deionizzazione.

La deionizzazione si verifica principalmente a causa di ri combinazione e diffusione.

Ri combinazione. Il processo in cui particelle con carica diversa, venendo a contatto reciproco, formano particelle neutre, è chiamato ricombinazione.

In un arco elettrico, le particelle negative sono principalmente elettroni. La connessione diretta di elettroni con uno ione positivo è improbabile a causa della grande differenza di velocità. Di solito la ricombinazione avviene con l'aiuto di una particella neutra, che carica l'elettrone. Quando questa particella carica negativamente entra in collisione con uno ione positivo, si formano una o due particelle neutre.

Diffusione. La diffusione di particelle cariche è il processo di esecuzione di particelle cariche dal gap dell'arco nello spazio circostante, che riduce la conduttività dell'arco.

La diffusione è dovuta a fattori sia elettrici che termici. La densità di carica nella colonna dell'arco aumenta dalla periferia al centro. In considerazione di ciò, si crea un campo elettrico che costringe gli ioni a spostarsi dal centro alla periferia e ad abbandonare la regione dell'arco. Anche la differenza di temperatura tra la colonna dell'arco e lo spazio circostante agisce nella stessa direzione. In un arco stabilizzato e a combustione libera, la diffusione gioca un ruolo trascurabile.

La caduta di tensione attraverso un arco stazionario è distribuita in modo non uniforme lungo l'arco. Modello di caduta di tensione u D e intensità del campo elettrico (gradiente di tensione longitudinale) e D = dU/dx lungo l'arco è mostrato in figura (Fig. 2). Sotto gradiente di stress e D si riferisce alla caduta di tensione per unità di lunghezza dell'arco. Come si può vedere dalla figura, l'andamento delle caratteristiche u D e e D nelle regioni del vicino elettrodo differisce nettamente dal comportamento delle caratteristiche nel resto dell'arco. Agli elettrodi, nelle regioni vicino al catodo e vicino all'anodo, in un intervallo di lunghezza dell'ordine di 10 - 4 cm, c'è un forte calo di tensione, chiamato catodico u a e anodo U un. Il valore di questa caduta di tensione dipende dal materiale degli elettrodi e dal gas circostante. Il valore totale delle cadute di tensione di anodo e catodo è 15–30 V, il gradiente di tensione raggiunge 105–106 V/cm.

Nel resto dell'arco, chiamato colonna dell'arco, la caduta di tensione u D è quasi direttamente proporzionale alla lunghezza dell'arco. Il gradiente qui è approssimativamente costante lungo lo stelo. Dipende da molti fattori e può variare ampiamente, raggiungendo 100–200 V/cm.

Caduta di tensione vicino all'elettrodo u E non dipende dalla lunghezza dell'arco, la caduta di tensione nella colonna dell'arco è proporzionale alla lunghezza dell'arco. Pertanto, la caduta di tensione attraverso il gap dell'arco

u D = u E+ e D l D,

dove: e D è l'intensità del campo elettrico nella colonna dell'arco;

l D è la lunghezza dell'arco; u E = u a + u un.

In conclusione, va notato ancora una volta che la ionizzazione termica predomina nella fase di scarica dell'arco - la scissione di atomi in elettroni e ioni positivi a causa dell'energia del campo termico. Con il bagliore - la ionizzazione da impatto si verifica sul catodo a causa della collisione con elettroni accelerati da un campo elettrico e con una scarica di Townsend, la ionizzazione da impatto prevale sull'intero intervallo della scarica di gas.

Caratteristica corrente-tensione statica dell'elettrico

Archi CC.

La caratteristica più importante dell'arco è la dipendenza della tensione ai suoi capi dall'intensità della corrente. Questa caratteristica è chiamata corrente-tensione. Con l'aumento della corrente io la temperatura dell'arco aumenta, la ionizzazione termica aumenta, il numero di particelle ionizzate nella scarica aumenta e la resistenza elettrica dell'arco diminuisce r d.

La tensione dell'arco è ir e. All'aumentare della corrente, la resistenza dell'arco diminuisce così rapidamente che la tensione ai capi dell'arco diminuisce anche se la corrente nel circuito aumenta. Ogni valore di corrente allo stato stazionario corrisponde al proprio equilibrio dinamico del numero di particelle cariche.

Quando si passa da un valore di corrente all'altro, lo stato termico dell'arco non cambia istantaneamente. Il divario dell'arco ha inerzia termica. Se la corrente cambia lentamente nel tempo, l'inerzia termica della scarica non influisce. Ogni valore di corrente corrisponde a un singolo valore della resistenza dell'arco o della tensione ai suoi capi.

Viene chiamata la dipendenza della tensione dell'arco dalla corrente con il suo lento cambiamento caratteristica di corrente statica archi.

La caratteristica statica dell'arco dipende dalla distanza tra gli elettrodi (lunghezza dell'arco), dal materiale degli elettrodi e dai parametri dell'ambiente in cui l'arco brucia.

Le caratteristiche statiche di corrente-tensione dell'arco hanno la forma delle curve mostrate in fig. 3.

Riso. 3. Caratteristiche statiche corrente-tensione dell'arco

Più lungo è l'arco, maggiore è la sua caratteristica corrente-tensione statica. Con un aumento della pressione del mezzo in cui brucia l'arco, aumenta anche l'intensità e D e la caratteristica corrente-tensione aumenta in modo simile alla fig. 3.

Il raffreddamento ad arco influisce in modo significativo su questa caratteristica. Più intenso è il raffreddamento dell'arco, più potenza viene rimossa da esso. Questo dovrebbe aumentare la potenza generata dall'arco. Per una data corrente, ciò è possibile aumentando la tensione dell'arco. Pertanto, con l'aumento del raffreddamento, la caratteristica corrente-tensione si trova più alta. Questo è ampiamente utilizzato nei dispositivi di estinzione dell'arco degli apparati.

Caratteristica dinamica corrente-tensione dell'elettrico

Archi CC.

Se la corrente nel circuito cambia lentamente, allora la corrente io 1 corrisponde alla resistenza dell'arco r D1, una corrente maggiore io 2 corrisponde a una minore resistenza r D2, che è mostrato in Fig. 4. (vedi caratteristica statica dell'arco - curva MA).

Riso. 4. Caratteristica dinamica corrente-tensione dell'arco.

Nelle installazioni reali, la corrente può cambiare abbastanza rapidamente. A causa dell'inerzia termica della colonna dell'arco, la variazione della resistenza dell'arco è in ritardo rispetto alla variazione della corrente.

Viene chiamata la dipendenza della tensione dell'arco dalla corrente con il suo rapido cambiamento caratteristica dinamica corrente-tensione.

Con un forte aumento della corrente, la caratteristica dinamica supera quella statica (curva A), poiché con un rapido aumento della corrente, la resistenza dell'arco diminuisce più lentamente dell'aumento della corrente. Quando diminuisce, è inferiore, poiché in questa modalità la resistenza dell'arco è inferiore rispetto a una lenta variazione di corrente (curva DA).

La risposta dinamica è in gran parte determinata dalla velocità di variazione della corrente nell'arco. Se una resistenza molto grande viene introdotta nel circuito per un tempo infinitamente piccolo rispetto alla costante di tempo termica dell'arco, durante il tempo in cui la corrente scende a zero, la resistenza dell'arco rimarrà costante. In questo caso, la caratteristica dinamica sarà rappresentata come una retta passante dal punto 2 all'origine (linea retta D),t. e. L'arco si comporta come un conduttore metallico, poiché la tensione ai capi dell'arco è proporzionale alla corrente.

Condizioni di estinzione dell'arco CC.

Per estinguere un arco elettrico in corrente continua, è necessario creare condizioni tali che nel gap dell'arco a tutti i valori di corrente, i processi di deionizzazione procedano più intensamente dei processi di ionizzazione.

Riso. 5. Bilancio di tensione in un circuito con arco elettrico.

Considera un circuito elettrico contenente resistenza R, induttanza l e traferro d'arco con caduta di tensione u D a cui viene applicata la tensione u(Fig. 5, un). Con un arco di lunghezza costante, per qualsiasi momento, l'equazione di bilanciamento della tensione in questo circuito sarà valida:

dove è la caduta di tensione attraverso l'induttanza al variare della corrente.

La modalità stazionaria sarà quella in cui la corrente nel circuito non cambia, ad es. e l'equazione del bilancio dello stress assumerà la forma:

Per estinguere un arco elettrico, è necessario che la corrente al suo interno diminuisca continuamente, ad es. , un

La soluzione grafica dell'equazione di bilancio delle sollecitazioni è mostrata in fig. 5, b. Ecco una linea retta 1 è la tensione della sorgente u; linea obliqua 2 - caduta di tensione ai capi della resistenza R(caratteristica reostatica del circuito) sottratta alla tensione u, cioè. U-iR; curva 3 – caratteristica corrente-tensione del gap d'arco u D.

Caratteristiche di un arco elettrico in corrente alternata.

Se per estinguere l'arco DC, è necessario creare condizioni in cui la corrente scenda a zero, quindi con corrente alternata, la corrente nell'arco, indipendentemente dal grado di ionizzazione del gap dell'arco, passa per zero ogni metà ciclo, cioè ogni mezzo ciclo, l'arco si spegne e si riaccende. Il compito di spegnere l'arco è notevolmente facilitato. Qui è necessario creare condizioni in cui la corrente non si riprenda dopo essere passata per lo zero.

La caratteristica corrente-tensione di un arco di corrente alternata per un periodo è mostrata in fig. 6. Poiché, anche a una frequenza industriale di 50 Hz, la corrente nell'arco cambia abbastanza rapidamente, la caratteristica presentata è dinamica. Con una corrente sinusoidale, la tensione dell'arco aumenta prima nella sezione 1, e poi, per l'aumento della corrente, ricade nell'area 2 (sezioni 1 e 2 fare riferimento alla prima metà del semiciclo). Dopo il passaggio della corrente attraverso il massimo, la caratteristica dinamica I–V aumenta lungo la curva 3 a causa di una diminuzione della corrente, per poi diminuire nella zona 4 per l'approssimarsi della tensione a zero (sezioni 3 e 4 appartengono alla seconda metà dello stesso semestre).

Riso. 6. Caratteristica corrente-tensione di un arco in corrente alternata

Con la corrente alternata, la temperatura dell'arco è variabile. Tuttavia, l'inerzia termica del gas risulta essere piuttosto significativa e quando la corrente passa per lo zero, la temperatura dell'arco, sebbene diminuisca, rimane piuttosto elevata. Tuttavia, la diminuzione della temperatura che si verifica quando la corrente passa per lo zero contribuisce alla deionizzazione del gap e facilita l'estinzione dell'arco elettrico in corrente alternata.

Arco elettrico in un campo magnetico.

L'arco elettrico è un conduttore di corrente gassosa. Un campo magnetico agisce su questo conduttore, oltre che su uno metallico, creando una forza proporzionale all'induzione del campo e alla corrente nell'arco. Il campo magnetico, agendo sull'arco, ne aumenta la lunghezza e sposta gli elementi dell'arco nello spazio. Il movimento trasversale degli elementi dell'arco crea un raffreddamento intenso, che porta ad un aumento del gradiente di tensione sulla colonna dell'arco. Quando l'arco si muove in un mezzo gassoso ad alta velocità, l'arco si divide in fibre parallele separate. Più lungo è l'arco, più forte è la delaminazione dell'arco.

L'arco è un conduttore estremamente mobile. È noto che tali forze agiscono sulla parte portatrice di corrente, che tendono ad aumentare l'energia elettromagnetica del circuito. Poiché l'energia è proporzionale all'induttanza, l'arco, sotto l'influenza del proprio campo, tende a formare spire, anelli, poiché ciò aumenta l'induttanza del circuito. Questa capacità dell'arco è tanto più forte quanto maggiore è la sua lunghezza.

L'arco che si muove nell'aria vince la resistenza aerodinamica dell'aria, che dipende dal diametro dell'arco, dalla distanza tra gli elettrodi, dalla densità del gas e dalla velocità di movimento. L'esperienza mostra che in tutti i casi in un campo magnetico uniforme l'arco si muove a velocità costante. Pertanto, la forza elettrodinamica è bilanciata dalla forza di resistenza aerodinamica.

Per creare un raffreddamento efficace, l'arco viene attirato in uno spazio stretto (diametro dell'arco maggiore della larghezza della fessura) tra le pareti di materiale resistente all'arco con un'elevata conduttività termica utilizzando un campo magnetico. A causa dell'aumento del trasferimento di calore alle pareti della fessura, il gradiente di tensione nella colonna dell'arco in presenza di una fessura stretta è molto più alto di quello di un arco che si muove liberamente tra gli elettrodi. Ciò consente di ridurre la durata e il tempo di estinzione necessari per l'estinzione.

Metodi per influenzare l'arco elettrico nei dispositivi di commutazione.

Lo scopo dell'impatto sulla colonna dell'arco che si forma nell'apparato è di aumentare la sua resistenza elettrica attiva fino all'infinito, quando l'elemento di commutazione passa in uno stato isolante. Quasi sempre, ciò si ottiene raffreddando intensivamente la colonna dell'arco, riducendone la temperatura e il contenuto di calore, per cui il grado di ionizzazione e il numero di portatori di elettricità e particelle ionizzate diminuiscono e la resistenza elettrica del plasma aumenta.

Per estinguere con successo un arco elettrico nei dispositivi di commutazione a bassa tensione, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

1) aumentare la lunghezza dell'arco allungandolo o aumentando il numero di rotture per polo dell'interruttore;

2) spostare l'arco sulle piastre metalliche dello scivolo dell'arco, che sono entrambi radiatori che assorbono l'energia termica della colonna dell'arco e la spezzano in una serie di archi collegati in serie;

3) spostare la colonna d'arco mediante un campo magnetico in una camera a fessura realizzata in materiale isolante resistente all'arco ad alta conducibilità termica, dove l'arco viene raffreddato intensamente a contatto con le pareti;

4) formare un arco in un tubo chiuso di materiale generatore di gas - fibra; i gas rilasciati sotto l'influenza della temperatura creano un'alta pressione, che contribuisce all'estinzione dell'arco;

5) ridurre la concentrazione di vapori metallici nell'arco, a tal fine in fase di progettazione di dispositivi per utilizzare materiali appropriati;

6) spegnere l'arco sotto vuoto; a pressione del gas molto bassa non ci sono abbastanza atomi di gas per ionizzarli e supportare la conduzione della corrente nell'arco; la resistenza elettrica del canale della colonna d'arco diventa molto alta e l'arco si spegne;

7) aprire i contatti in modo sincrono prima che la corrente alternata passi per lo zero, il che riduce significativamente il rilascio di energia termica nell'arco risultante, ad es. contribuisce all'estinzione dell'arco;

8) utilizzare resistenze puramente attive, deviando l'arco e facilitando le condizioni per la sua estinzione;

9) utilizzare elementi semiconduttori che deviano lo spazio di intercontatto, commutando la corrente dell'arco su se stessi, il che elimina praticamente la formazione di un arco sui contatti.

Parlando delle caratteristiche di un arco voltaico, vale la pena ricordare che ha una tensione inferiore a una scarica a bagliore e si basa sulla radiazione termoionica di elettroni dagli elettrodi che supportano l'arco. Nei paesi di lingua inglese, il termine è considerato arcaico e obsoleto.

Le tecniche di soppressione dell'arco possono essere utilizzate per ridurre la durata dell'arco o la probabilità di formazione dell'arco.

Alla fine del 1800 l'arco voltaico era ampiamente utilizzato per l'illuminazione pubblica. Alcuni archi elettrici a bassa pressione sono utilizzati in molte applicazioni. Ad esempio, per l'illuminazione vengono utilizzate lampade fluorescenti, lampade al mercurio, al sodio e ad alogenuri metallici. Le lampade ad arco allo xeno sono state utilizzate per i proiettori cinematografici.

Apertura dell'arco voltaico

Si ritiene che il fenomeno sia stato descritto per la prima volta da Sir Humphry Davy in un articolo del 1801 pubblicato sul Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts di William Nicholson. Tuttavia, il fenomeno descritto da Davy non era un arco elettrico, ma solo una scintilla. I ricercatori successivi hanno scritto: “Questa è ovviamente una descrizione non di un arco, ma di una scintilla. L'essenza del primo è che deve essere continuo, ei suoi poli non devono toccarsi dopo che è sorto. La scintilla creata da Sir Humphry Davy non era ovviamente continua, e sebbene fosse rimasta carica per qualche tempo dopo il contatto con atomi di carbonio, molto probabilmente non c'era alcuna connessione dell'arco, che è necessaria per la sua classificazione come voltaica.

Nello stesso anno, Davy dimostrò pubblicamente l'effetto davanti alla Royal Society facendo passare una corrente elettrica attraverso due barre di carbonio che si toccavano e poi allontanandole a breve distanza l'una dall'altra. La dimostrazione ha mostrato un arco "debole", difficilmente distinguibile da una scintilla fissa, tra i punti di carbone. La comunità scientifica gli fornì una batteria più potente di 1000 piastre e nel 1808 dimostrò la presenza di un arco voltaico su larga scala. È anche accreditato con il suo nome in inglese (arco elettrico). Lo ha chiamato arco perché assume la forma di un arco verso l'alto quando la distanza tra gli elettrodi si avvicina. Ciò è dovuto alle proprietà conduttive del gas caldo.

Come è apparso l'arco voltaico? Il primo arco continuo fu registrato in modo indipendente nel 1802 e descritto nel 1803 come un "fluido speciale con proprietà elettriche" dallo scienziato russo Vasily Petrov, che stava sperimentando una batteria rame-zinco da 4200 dischi.

Ulteriori studi

Alla fine dell'ottocento l'arco voltaico era largamente utilizzato per l'illuminazione pubblica. La tendenza degli archi elettrici a tremolare e sibilare era un grosso problema. Nel 1895 Hertha Marx Ayrton scrisse una serie di articoli sull'elettricità, spiegando che l'arco voltaico era il risultato del contatto dell'ossigeno con le barre di carbonio utilizzate per creare l'arco.

Nel 1899, fu la prima donna in assoluto a dare il proprio documento davanti all'Institute of Electrical Engineers (IEE). Il suo rapporto era intitolato "Il meccanismo dell'arco elettrico". Poco dopo, Ayrton fu eletta prima donna membro dell'Institute of Electrical Engineers. La donna successiva fu ammessa all'istituto già nel 1958. Ayrton ha presentato una petizione per leggere un documento davanti alla Royal Society, ma non le è stato permesso di farlo a causa del suo sesso e The Mechanism of the Electric Arc è stato letto da John Perry al suo posto nel 1901.

Descrizione

L'arco elettrico è il tipo con la densità di corrente più alta. La massima corrente assorbita attraverso l'arco è limitata solo dall'ambiente, non dall'arco stesso.

L'arco tra due elettrodi può essere avviato dalla ionizzazione e dalla scarica a bagliore quando la corrente attraverso gli elettrodi viene aumentata. La tensione di rottura dello spazio tra gli elettrodi è una funzione combinata di pressione, distanza tra gli elettrodi e tipo di gas che circonda gli elettrodi. Quando un arco si avvia, la sua tensione terminale è molto inferiore a quella di una scarica a bagliore e la corrente è maggiore. Un arco nei gas vicino alla pressione atmosferica è caratterizzato da luce visibile, alta densità di corrente e alta temperatura. Si differenzia da una scarica a bagliore in quanto le temperature effettive sia degli elettroni che degli ioni positivi sono approssimativamente le stesse e in una scarica a bagliore gli ioni hanno un'energia termica molto inferiore rispetto agli elettroni.

Durante la saldatura

Un arco esteso può essere avviato da due elettrodi che sono inizialmente in contatto e separati durante l'esperimento. Questa azione può innescare un arco senza una scarica a bagliore ad alta tensione. Questo è il modo in cui il saldatore inizia a saldare il giunto toccando istantaneamente l'elettrodo di saldatura con l'oggetto.

Un altro esempio è la separazione dei contatti elettrici su interruttori, relè o interruttori automatici. Nei circuiti ad alta energia, potrebbe essere necessaria la soppressione dell'arco per prevenire danni ai contatti.

Arco voltaico: caratteristiche

La resistenza elettrica lungo un arco continuo crea calore che ionizza più molecole del gas (dove il grado di ionizzazione è determinato dalla temperatura) e secondo questa sequenza il gas si trasforma gradualmente in un plasma termico che è in equilibrio termico al variare della temperatura distribuito in modo relativamente uniforme su tutti gli atomi, le molecole, gli ioni e gli elettroni. L'energia trasferita dagli elettroni viene rapidamente dispersa con le particelle più pesanti da collisioni elastiche a causa della loro elevata mobilità e dei loro grandi numeri.

La corrente nell'arco è mantenuta dalla termoionica e dall'emissione di campo di elettroni al catodo. La corrente può essere concentrata in un punto caldo molto piccolo sul catodo, dell'ordine di un milione di ampere per centimetro quadrato. A differenza della scarica a bagliore, la struttura dell'arco è difficilmente distinguibile, poiché la colonna positiva è abbastanza luminosa e si estende quasi fino agli elettrodi ad entrambe le estremità. La caduta del catodo e la caduta dell'anodo di pochi volt si verificano entro una frazione di millimetro da ciascun elettrodo. La colonna positiva ha un gradiente di tensione inferiore e può essere assente in archi molto brevi.

arco a bassa frequenza

Un arco CA a bassa frequenza (meno di 100 Hz) assomiglia a un arco CC. Ad ogni ciclo, l'arco viene avviato da un guasto e gli elettrodi cambiano ruolo quando la corrente cambia direzione. All'aumentare della frequenza della corrente, non c'è abbastanza tempo per la ionizzazione alla divergenza in ogni semiciclo e non è più necessaria la rottura per mantenere l'arco: la caratteristica di tensione e corrente diventa più ohmica.

Posto tra gli altri fenomeni fisici

Varie forme di archi elettrici stanno emergendo proprietà di modelli non lineari di corrente e campo elettrico. L'arco si verifica in uno spazio pieno di gas tra due elettrodi conduttivi (spesso tungsteno o carbonio), determinando temperature molto elevate in grado di fondere o vaporizzare la maggior parte dei materiali. Un arco elettrico è una scarica continua, mentre una scarica elettrica simile è istantanea. Un arco voltaico può verificarsi sia nei circuiti CC che nei circuiti CA. In quest'ultimo caso, può colpire ripetutamente ogni semiciclo dell'occorrenza corrente. Un arco elettrico differisce da una scarica a bagliore in quanto la densità di corrente è piuttosto alta e la caduta di tensione all'interno dell'arco è bassa. Al catodo, la densità di corrente può raggiungere un megaampere per centimetro quadrato.

Potenziale distruttivo

Un arco elettrico ha una relazione non lineare tra corrente e tensione. Una volta che l'arco è stato creato (progredendo da una scarica a bagliore o toccando momentaneamente gli elettrodi e quindi separandoli), l'aumento della corrente si traduce in una tensione inferiore tra i terminali dell'arco. Questo effetto di resistenza negativo richiede che una qualche forma di impedenza positiva (come un reattore elettrico) sia inserita nel circuito per mantenere un arco stabile. Questa proprietà è il motivo per cui gli archi elettrici incontrollati nell'apparato diventano così distruttivi, poiché una volta che l'arco si verifica, assorbirà sempre più corrente dalla sorgente di tensione CC fino a quando il dispositivo non viene distrutto.

Uso pratico

Su scala industriale, gli archi elettrici vengono utilizzati per la saldatura, il taglio al plasma, la lavorazione di scariche elettriche, come lampada ad arco nei proiettori cinematografici e nell'illuminazione. I forni elettrici ad arco vengono utilizzati per produrre acciaio e altre sostanze. In questo modo si ottiene il carburo di calcio, poiché è necessaria una grande quantità di energia per ottenere una reazione endotermica (a temperature di 2500 ° C).

Le luci ad arco di carbonio furono le prime luci elettriche. Sono stati utilizzati per i lampioni nel 19° secolo e per dispositivi specializzati come i proiettori fino alla seconda guerra mondiale. Oggi gli archi elettrici a bassa pressione sono utilizzati in molti settori. Ad esempio, per l'illuminazione vengono utilizzate lampade fluorescenti, al mercurio, al sodio e ad alogenuri metallici, mentre per i proiettori cinematografici vengono utilizzate lampade ad arco allo xeno.

La formazione di un intenso arco elettrico, come un lampo d'arco su piccola scala, è alla base dei detonatori esplosivi. Quando gli scienziati hanno appreso cos'è un arco voltaico e come può essere utilizzato, la varietà di armi mondiali è stata reintegrata con esplosivi efficaci.

La principale applicazione rimanente è il quadro di alta tensione per le reti di trasmissione. I dispositivi moderni utilizzano anche esafluoruro di zolfo ad alta pressione.

Conclusione

Nonostante la frequenza delle ustioni dell'arco voltaico, è considerato un fenomeno fisico molto utile, ancora ampiamente utilizzato nell'industria, nella produzione e nella creazione di oggetti decorativi. Ha la sua estetica ed è spesso presente nei film di fantascienza. La sconfitta dell'arco voltaico non è fatale.