Keď hovoríme o charakteristikách voltaického oblúka, stojí za zmienku, že má nižšie napätie ako doutnavý výboj a spolieha sa na termionické žiarenie elektrónov z elektród, ktoré podporujú oblúk. V anglicky hovoriacich krajinách je tento výraz považovaný za archaický a zastaraný.
Techniky potlačenia oblúka možno použiť na zníženie trvania oblúka alebo pravdepodobnosti vzniku elektrického oblúka.
Koncom 19. storočia bol elektrický oblúk široko používaný na verejné osvetlenie. Niektoré nízkotlakové elektrické oblúky sa používajú v mnohých aplikáciách. Na osvetlenie sa používajú napríklad žiarivky, ortuťové, sodíkové a metalhalogenidové výbojky. Xenónové oblúkové lampy boli použité pre filmové projektory.
Otváranie voltaického oblúka
Verí sa, že tento jav prvýkrát opísal Sir Humphry Davy v článku z roku 1801 publikovanom v časopise William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. Fenomén, ktorý opísal Davy, však nebol elektrický oblúk, ale iba iskra. Neskorší prieskumnícinapísal: „Toto zjavne nie je popis oblúka, ale iskry. Podstatou prvej je, že musí byť súvislá a jej póly sa po jej vzniku nesmú dotýkať. Iskra, ktorú vytvoril Sir Humphry Davy, zjavne nebola súvislá, a hoci po kontakte s atómami uhlíka zostala ešte nejaký čas nabitá, s najväčšou pravdepodobnosťou nedošlo k žiadnemu spojeniu oblúka, čo je nevyhnutné pre jeho klasifikáciu ako voltaický.
V tom istom roku Davy verejne demonštroval efekt pred Kráľovskou spoločnosťou tým, že prehnal elektrický prúd cez dve dotýkajúce sa uhlíkové tyče a potom ich odtiahol na krátku vzdialenosť. Demonštrácia ukázala „slabý“oblúk medzi bodkami dreveného uhlia, ťažko rozoznateľný od stálej iskry. Vedecká obec mu poskytla výkonnejšiu batériu 1000 platní a v roku 1808 vo veľkom demonštroval výskyt voltaického oblúka. Pripisuje sa mu aj jeho názov v angličtine (electric arc). Nazval to oblúk, pretože má formu oblúka nahor, keď sa vzdialenosť medzi elektródami priblíži. Je to spôsobené vodivými vlastnosťami horúceho plynu.
Ako sa objavil elektrický oblúk? Prvý súvislý oblúk bol nezávisle zaznamenaný v roku 1802 a opísaný v roku 1803 ako „špeciálna kvapalina s elektrickými vlastnosťami“ruským vedcom Vasilijom Petrovom, ktorý experimentoval so 4200-diskovou medeno-zinkovou batériou.
Ďalšia štúdia
Na konci devätnásteho storočia bol elektrický oblúk veľmi rozšírenýslúži na verejné osvetlenie. Veľkým problémom bola tendencia elektrických oblúkov blikať a syčať. V roku 1895 Hertha Marx Ayrton napísala sériu článkov o elektrine, v ktorých vysvetlila, že elektrický oblúk bol výsledkom kontaktu kyslíka s uhlíkovými tyčami použitými na vytvorenie oblúka.
V roku 1899 bola vôbec prvou ženou, ktorá predložila svoj vlastný článok pred Inštitútom elektrotechnických inžinierov (IEE). Jej správa mala názov „Mechanizmus elektrického oblúka“. Krátko nato bola Ayrton zvolená za prvú členku Inštitútu elektrotechnikov. Ďalšia žena bola prijatá do ústavu už v roku 1958. Ayrton požiadala, aby prečítala noviny pred Kráľovskou spoločnosťou, ale nebolo jej to dovolené pre jej pohlavie, a Mechanizmus elektrického oblúka prečítal John Perry namiesto nej v roku 1901.
Popis
Elektrický oblúk je typ elektrického výboja s najvyššou hustotou prúdu. Maximálny prúd odoberaný oblúkom je obmedzený iba prostredím, nie samotným oblúkom.
Oblúk medzi dvoma elektródami môže byť iniciovaný ionizáciou a žeravým výbojom, keď sa zvýši prúd cez elektródy. Prierazné napätie elektródovej medzery je kombinovanou funkciou tlaku, vzdialenosti medzi elektródami a typu plynu obklopujúceho elektródy. Keď sa oblúk spustí, jeho svorkové napätie je oveľa menšie ako pri žeravom výboji a prúd je vyšší. Oblúk v plynoch blízkych atmosférickému tlaku je charakterizovaný viditeľným svetlom,vysoká prúdová hustota a vysoká teplota. Od žeravého výboja sa líši tým, že efektívne teploty elektrónov aj kladných iónov sú približne rovnaké a pri žeravom výboji majú ióny oveľa nižšiu tepelnú energiu ako elektróny.
Pri zváraní
Predĺžený oblúk môže byť iniciovaný dvomi elektródami, ktoré sú na začiatku v kontakte a počas experimentu sú oddelené. Táto akcia môže iniciovať oblúk bez vysokonapäťového žeravého výboja. Toto je spôsob, akým zvárač začne zvárať spoj okamžitým dotykom zváracej elektródy na obrobok.
Ďalším príkladom je oddelenie elektrických kontaktov na spínačoch, relé alebo ističoch. Vo vysokoenergetických obvodoch môže byť potrebné potlačenie oblúka, aby sa zabránilo poškodeniu kontaktov.
Voltaický oblúk: charakteristiky
Elektrický odpor pozdĺž súvislého oblúka vytvára teplo, ktoré ionizuje viac molekúl plynu (pričom stupeň ionizácie je určený teplotou) a v súlade s touto sekvenciou sa plyn postupne mení na tepelnú plazmu, ktorá je v tepelnej rovnováhe keďže teplota je relatívne rovnomerne rozložená pre všetky atómy, molekuly, ióny a elektróny. Energia prenášaná elektrónmi sa rýchlo rozptýli s ťažšími časticami prostredníctvom elastických zrážok v dôsledku ich vysokej mobility a veľkého počtu.
Prúd v oblúku je podporovaný termionickou a poľnou emisiou elektrónov na katóde. Aktuálnesa môže koncentrovať vo veľmi malom horúcom mieste na katóde - rádovo milión ampérov na štvorcový centimeter. Na rozdiel od žeravého výboja je oblúková štruktúra ťažko rozlíšiteľná, pretože kladný stĺpec je dosť jasný a siaha takmer k elektródam na oboch koncoch. Katódový pokles a anódový pokles o niekoľko voltov sa vyskytujú v rámci zlomku milimetra každej elektródy. Kladný stĺpec má nižší gradient napätia a môže chýbať vo veľmi krátkych oblúkoch.
Nízkofrekvenčný oblúk
Nízkofrekvenčný (menej ako 100 Hz) striedavý oblúk pripomína jednosmerný oblúk. V každom cykle je oblúk iniciovaný poruchou a elektródy menia úlohy, keď prúd zmení smer. Keď sa aktuálna frekvencia zvyšuje, nie je dostatok času na ionizáciu pri divergencii v každom polcykle a prerušenie už nie je potrebné na udržanie oblúka - napäťová a prúdová charakteristika sa stáva viac ohmickou.
Miesto medzi inými fyzikálnymi javmi
Rôzne tvary oblúkov sú novými vlastnosťami nelineárnych vzorov prúdu a elektrického poľa. Oblúk vzniká v plynom naplnenom priestore medzi dvoma vodivými elektródami (často volfrámovými alebo uhlíkovými), čo vedie k veľmi vysokým teplotám schopným roztaviť alebo odpariť väčšinu materiálov. Elektrický oblúk je nepretržitý výboj, zatiaľ čo podobný výboj elektrickej iskry je okamžitý. Voltický oblúk sa môže vyskytnúť buď v obvodoch jednosmerného prúdu alebo v obvodoch striedavého prúdu. V druhom prípade môžezasiahnuť každú polovicu cyklu prúdu. Elektrický oblúk sa líši od žeravého výboja v tom, že hustota prúdu je dosť vysoká a pokles napätia v oblúku je nízky. Na katóde môže prúdová hustota dosiahnuť jeden megaampér na štvorcový centimeter.
Deštruktívny potenciál
Elektrický oblúk má nelineárny vzťah medzi prúdom a napätím. Po vytvorení oblúka (buď postupovaním od žeravého výboja alebo chvíľkovým dotykom elektród a ich oddelením) má zvýšenie prúdu za následok nižšie napätie medzi svorkami oblúka. Tento negatívny odporový efekt vyžaduje, aby bola do obvodu umiestnená určitá forma kladnej impedancie (ako elektrický predradník), aby sa udržal stabilný oblúk. Táto vlastnosť spôsobuje, že nekontrolované elektrické oblúky v stroji sú také deštruktívne, pretože keď sa oblúk objaví, bude odoberať viac a viac prúdu zo zdroja jednosmerného napätia, kým sa zariadenie nezničí.
Praktická aplikácia
V priemyselnom meradle sa elektrické oblúky používajú na zváranie, plazmové rezanie, obrábanie elektrickým výbojom, ako oblúková lampa vo filmových projektoroch a pri osvetlení. Elektrické oblúkové pece sa používajú na výrobu ocele a iných látok. Týmto spôsobom sa získa karbid vápnika, pretože na dosiahnutie endotermickej reakcie (pri teplotách 2500 °C) je potrebné veľké množstvoenergia.
Uhlíkové oblúkové svetlá boli prvé elektrické svetlá. Používali sa na pouličné lampy v 19. storočí a na špecializované zariadenia, ako sú reflektory až do druhej svetovej vojny. Dnes sa nízkotlakové elektrické oblúky používajú v mnohých oblastiach. Na osvetlenie sa napríklad používajú fluorescenčné, ortuťové, sodíkové a halogenidové výbojky, zatiaľ čo xenónové oblúkové výbojky sa používajú na filmové projektory.
Vytvorenie intenzívneho elektrického oblúka, ako je malý oblúkový záblesk, je základom výbušných rozbušiek. Keď vedci zistili, čo je elektrický oblúk a ako sa dá použiť, účinné výbušniny doplnili množstvo svetových zbraní.
Hlavnou zostávajúcou aplikáciou sú vysokonapäťové rozvádzače pre prenosové siete. Moderné zariadenia tiež používajú vysokotlakový hexafluorid sírový.
Záver
Napriek frekvencii popálenín elektrickým oblúkom sa považuje za veľmi užitočný fyzikálny jav, ktorý je stále široko používaný v priemysle, výrobe a dekoratívnych predmetoch. Má svoju vlastnú estetiku a často sa objavuje v sci-fi filmoch. Porážka elektrického oblúka nie je smrteľná.
