Arco elétrico e suas características

Arco eletrico — a passagem de eletricidade através de um gás entre dois eletrodos, um dos quais é uma fonte de elétrons (cátodo). Um eletrodo é um fio que termina em qualquer seção de um circuito elétrico.

Os elétrons emitidos do cátodo em grandes quantidades causam forte ionização do gás entre os eletrodos e, assim, tornam possível que uma grande corrente flua entre os eletrodos.

Uma característica de um arco elétrico, ao contrário de uma descarga de gás convencional, é que ele pode queimar em baixa tensão.

O arco elétrico foi descoberto por um físico de São Petersburgo V. V. Petrov em 1802 e encontrou importantes aplicações em tecnologia.

Um arco elétrico é um tipo de descarga caracterizado por alta densidade de corrente, alta temperatura, pressão de gás elevada e baixa queda de tensão no intervalo do arco. Nesse caso, ocorre um aquecimento intensivo dos eletrodos (contatos), nos quais os chamados são formados. Manchas catódicas e anódicas. O brilho do cátodo é concentrado em um pequeno ponto brilhante, a parte incandescente do eletrodo oposto forma o ponto do ânodo.

Três áreas podem ser observadas no arco-íris, que são muito diferentes na natureza dos processos que ocorrem nelas. Diretamente ao eletrodo negativo (cátodo) do arco está a região de queda de tensão do cátodo. Em seguida é o barril de arco de plasma. Diretamente ao eletrodo positivo (ânodo) está a região de queda de tensão anódica. Essas regiões são mostradas esquematicamente na Fig. 1.

Arroz. 1. A estrutura do arco elétrico

Os tamanhos das regiões de queda de tensão catódica e anódica na figura são muito exagerados. Na realidade, seu comprimento é muito pequeno, por exemplo, o comprimento da queda de tensão catódica é da ordem do caminho de movimento livre de um elétron (menos de 1 mícron). O comprimento da região de queda de tensão do ânodo é geralmente um pouco maior que esse valor.

Em condições normais, o ar é um bom isolante. Assim, a tensão necessária para quebrar um entreferro de 1 cm é de 30 kV. Para que o entreferro se torne um condutor, é necessário criar uma certa concentração de partículas carregadas (elétrons e íons) nele.

Como ocorre um arco elétrico

O arco elétrico, que é um fluxo de partículas carregadas, no momento inicial da separação do contato ocorre como resultado da presença de elétrons livres no gás do gap do arco e elétrons emitidos da superfície do cátodo. Os elétrons livres no espaço entre os contatos se movem em alta velocidade na direção do cátodo para o ânodo sob a ação das forças do campo elétrico.

A intensidade do campo no início da lacuna de contato pode atingir vários milhares de quilovolts por centímetro.Sob a ação das forças desse campo, os elétrons são atraídos da superfície do cátodo e se movem para o ânodo, arrancando elétrons dele, que formam uma nuvem de elétrons. O fluxo inicial de elétrons criado dessa maneira forma ainda mais uma intensa ionização do gap de arco.

Junto com os processos de ionização, os processos de deionização ocorrem em paralelo e continuamente no arco. Os processos de deionização consistem no fato de que quando dois íons de sinais diferentes ou um íon positivo e um elétron se aproximam, eles são atraídos e, colidindo, são neutralizados, além disso, partículas carregadas se movem da zona de queima de almas com mais - alta concentração de cargas no ambiente com menor concentração de cargas. Todos esses fatores levam à diminuição da temperatura do arco, ao seu resfriamento e desaparecimento.

Arroz. 2. Arco elétrico

Arco após a ignição

No modo de combustão estacionária, os processos de ionização e deionização estão em equilíbrio.O barril de arco com uma quantidade igual de cargas positivas e negativas livres é caracterizado por um alto grau de ionização do gás.

Uma substância cujo grau de ionização é próximo da unidade, ou seja, em que não há átomos e moléculas neutras é chamado de plasma.

O arco elétrico é caracterizado pelas seguintes características:

1. Um limite claramente definido entre o eixo do arco e o ambiente.

2. A alta temperatura dentro do barril de arco, atingindo 6000 - 25000K.

3. Alta densidade de corrente e tubo de arco (100 — 1000 A / mm2).

4. Pequenos valores de queda de tensão anódica e catódica e praticamente não dependem da corrente (10 — 20 V).

Característica corrente-tensão de um arco elétrico

A principal característica de um arco CC é a dependência da tensão do arco em relação à corrente, que é chamada de característica corrente-tensão (VAC).

O arco ocorre entre os contatos em uma determinada tensão (Fig. 3), denominada tensão de ignição Uz e dependendo da distância entre os contatos, da temperatura e pressão do ambiente e da velocidade de separação dos contatos. Tensão de extinção do arco Ug sempre menos tensão U3.

Arroz. 3. Característica corrente-tensão de um arco DC (a) e seu circuito equivalente (b)

A curva 1 é a característica estática do arco, ou seja, obtido variando lentamente a corrente. A característica tem um caráter de queda. À medida que a corrente aumenta, a tensão do arco diminui. Isso significa que a resistência da abertura do arco diminui mais rapidamente à medida que a corrente aumenta.

Se em uma velocidade ou outra a corrente no arco for reduzida de I1 a zero e ao mesmo tempo fixar a queda de tensão ao longo do arco, então resultarão as curvas 2 e 3. Essas curvas são chamadas de características dinâmicas.

Quanto mais rápido a corrente for reduzida, menores serão as características dinâmicas I — V. Isso se deve ao fato de que, com a diminuição da corrente, tais parâmetros do arco, como seção transversal do cano, temperatura, não têm tempo de mudar rapidamente e adquirir valores correspondentes a um valor menor da corrente em um curso estável.

Queda de Tensão de Abertura de Arco:

Ud = Usc + EdId,

onde Us = Udo + Ua — queda de tensão perto do eletrodo, Ed — gradiente de tensão longitudinal no arco, ID — o comprimento do arco.

Segue-se da fórmula que, à medida que o comprimento do arco aumenta, a queda de tensão no arco aumentará e a característica I - V será localizada mais alta.

Eles lidam com arcos no projeto de dispositivos de comutação elétrica. As propriedades do arco elétrico são usadas em instalações para soldagem a arco elétrico e em fornos de fusão a arco.