Kun puhutaan jännitekaaren ominaisuuksista, on syytä mainita, että sen jännite on pienempi kuin hehkupurkauksen ja se on riippuvainen kaaria tukevien elektrodien elektronien lämpösäteilystä. Englanninkielisissä maissa tätä termiä pidetään arkaaisena ja vanhentuneena.
Kaaren vaimennustekniikoita voidaan käyttää kaaren keston tai valokaaren todennäköisyyden lyhentämiseen.
1800-luvun lopulla jännitekaari oli laaj alti käytössä julkisessa valaistuksessa. Joitakin matalapaineisia sähkökaaria käytetään monissa sovelluksissa. Valaistukseen käytetään esimerkiksi loistelamppuja, elohopea-, natrium- ja metallihalogenidilamppuja. Ksenonkaarilamppuja käytettiin elokuvaprojektoreissa.
Vähkökaarin avaaminen
Tämän ilmiön uskotaan ensimmäisenä kuvailevan Sir Humphry Davya vuoden 1801 artikkelissa, joka julkaistiin William Nicholsonin Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts -lehdessä. Davyn kuvaama ilmiö ei kuitenkaan ollut valokaari, vaan vain kipinä. Myöhemmät tutkimusmatkailijatkirjoitti: Tämä ei selvästikään ole kuvaus kaaresta, vaan kipinästä. Ensimmäisen olemus on, että sen on oltava jatkuva, eivätkä sen napat saa koskettaa sen syntymisen jälkeen. Sir Humphry Davyn luoma kipinä ei selvästikään ollut jatkuva, ja vaikka se pysyi varautuneena jonkin aikaa kosketuksen jälkeen hiiliatomien kanssa, kaaressa ei todennäköisesti ollut yhteyttä, mikä on välttämätöntä sen luokittelussa voltaiseksi.
Samana vuonna Davy esitteli julkisesti vaikutuksen Royal Societylle johtamalla sähkövirtaa kahden koskettavan hiilitangon läpi ja vetämällä ne sitten lyhyen matkan päähän toisistaan. Mielenosoitus osoitti "heikon" kaaren, jota tuskin erottui tasaisesta kipinästä, hiilen pisteiden välillä. Tiedeyhteisö toimitti hänelle tehokkaamman 1000 levyn akun, ja vuonna 1808 hän osoitti voltaic-kaaren esiintymisen suuressa mittakaavassa. Hänelle myönnetään myös sen nimi englanniksi (sähkökaari). Hän kutsui sitä kaareksi, koska se muodostaa ylöspäin suuntautuvan kaaren, kun elektrodien välinen etäisyys pienenee. Tämä johtuu kuuman kaasun johtavista ominaisuuksista.
Kuinka jännitekaari ilmestyi? Ensimmäinen jatkuva kaari rekisteröitiin itsenäisesti vuonna 1802, ja venäläinen tiedemies Vasily Petrov kuvaili sen vuonna 1803 "erityiseksi nesteeksi, jolla on sähköisiä ominaisuuksia". Hän kokeili 4 200 levyn kupari-sinkkiakkua.
Lisätutkimus
Yhdeksännentoista vuosisadan lopulla jännitekaari oli laaj altikäytetään julkiseen valaistukseen. Valokaarien taipumus välkkyä ja suhina oli suuri ongelma. Vuonna 1895 Hertha Marx Ayrton kirjoitti joukon artikkeleita sähköstä, jossa selitettiin, että voltakaari johtui hapen joutumisesta kosketuksiin kaaren luomiseen käytettyjen hiilisauvojen kanssa.
Vuonna 1899 hän oli ensimmäinen nainen, joka antoi oman paperinsa ennen Institute of Electrical Engineers (IEE) -instituuttia. Hänen raporttinsa oli nimeltään "Sähkökaarin mekanismi". Pian sen jälkeen Ayrton valittiin Institute of Electrical Engineersin ensimmäiseksi naisjäseneksi. Seuraava nainen otettiin instituuttiin jo vuonna 1958. Ayrton anoi kuninkaallisessa seurassa artikkelin lukemista, mutta hänellä ei ollut lupaa tehdä niin sukupuolensa vuoksi, ja John Perry luki hänen sijastaan vuonna 1901.
Kuvaus
Valokaari on eräänlainen sähköpurkaus, jolla on suurin virrantiheys. Kaaren läpi vedettyä maksimivirtaa rajoittaa vain ympäristö, ei itse kaari.
Kahden elektrodin välinen kaari voidaan käynnistää ionisaatiolla ja hehkupurkauksella, kun elektrodien läpi kulkevaa virtaa lisätään. Elektrodivälin läpilyöntijännite on paineen, elektrodien välisen etäisyyden ja elektrodeja ympäröivän kaasutyypin yhdistetty funktio. Kun kaari käynnistyy, sen napajännite on paljon pienempi kuin hehkupurkauksen ja virta on suurempi. Valokaari kaasuissa lähellä ilmakehän painetta on ominaista näkyvä valo,korkea virrantiheys ja korkea lämpötila. Se eroaa hehkupurkauksesta siinä, että sekä elektronien että positiivisten ionien teholliset lämpötilat ovat suunnilleen samat, ja hehkupurkauksessa ioneilla on paljon pienempi lämpöenergia kuin elektroneilla.
Hitsauksessa
Laajennettu kaari voidaan käynnistää kahdella elektrodilla, jotka ovat alun perin kosketuksissa ja erotettuina kokeen aikana. Tämä toiminta voi käynnistää kaaren ilman korkeajännitteistä hehkupurkausta. Tällä tavalla hitsaaja aloittaa liitoksen hitsauksen koskettamalla hitsauselektrodia välittömästi työkappaleeseen.
Toinen esimerkki on kytkimien, releiden tai katkaisijoiden sähköisten kosketinten erottaminen. Suurienergisissa piireissä saatetaan tarvita valokaaren vaimennusta kosketusvaurioiden estämiseksi.
Sähkökaari: ominaisuudet
Jatkuvaa kaaria pitkin kulkeva sähkövastus synnyttää lämpöä, joka ionisoi enemmän kaasumolekyylejä (jossa ionisaatioaste määräytyy lämpötilan mukaan), ja tämän sekvenssin mukaisesti kaasu muuttuu vähitellen lämpöplasmaksi, joka on lämpötasapainossa. koska lämpötila on suhteellisen tasaisesti jakautunut kaikille atomeille, molekyyleille, ioneille ja elektroneille. Elektronien siirtämä energia hajoaa nopeasti raskaampien hiukkasten mukana elastisten törmäysten seurauksena niiden suuren liikkuvuuden ja suuren määrän vuoksi.
Kaaressa olevaa virtaa tukee katodilla olevien elektronien lämpö- ja kenttäemissio. Nykyinenvoidaan keskittää katodin hyvin pieneen kuumaan kohtaan - noin miljoona ampeeria neliösenttimetriä kohti. Toisin kuin hehkupurkauksessa, kaarirakenne on tuskin erotettavissa, koska positiivinen pylväs on melko kirkas ja ulottuu molemmista päistä melkein elektrodeille. Katodin pudotus ja muutaman voltin anodin pudotus tapahtuvat millimetrin murto-osassa kustakin elektrodista. Positiivisella sarakkeella on pienempi jännitegradientti, ja se voi puuttua hyvin lyhyissä kaareissa.
Matalataajuinen kaari
Matala taajuus (alle 100 Hz) AC-kaari muistuttaa tasavirtakaari. Jokaisella syklillä kaari käynnistyy rikkoutumalla, ja elektrodien rooli muuttuu, kun virta muuttaa suuntaa. Virran taajuuden kasvaessa ei ole tarpeeksi aikaa ionisaatioon divergentissä jokaisessa puolijaksossa, eikä kaaren ylläpitoon enää tarvita hajotusta - jännitteen ja virran ominaisuudet muuttuvat ohmisemmiksi.
Paikka muiden fyysisten ilmiöiden joukossa
Eri kaarimuodot ovat epälineaaristen virta- ja sähkökenttäkuvioiden uusia ominaisuuksia. Valokaari tapahtuu kaasutäytteisessä tilassa kahden johtavan elektrodin (usein volframi tai hiili) välissä, mikä johtaa erittäin korkeisiin lämpötiloihin, jotka voivat sulattaa tai höyrystää useimmat materiaalit. Sähkökaari on jatkuvaa purkausta, kun taas vastaava sähköinen kipinäpurkaus on hetkellinen. Jännitekaari voi esiintyä joko DC- tai AC-piireissä. Jälkimmäisessä tapauksessa hän voiiskee jokaisen virran puolijakson. Sähkökaari eroaa hehkupurkauksesta siinä, että virrantiheys on melko korkea ja jännitehäviö kaaressa on pieni. Katodilla virrantiheys voi olla yksi megaampeeri neliösenttimetriä kohti.
Tuhopotentiaali
Kaarella on epälineaarinen suhde virran ja jännitteen välillä. Kun kaari on luotu (joko edeten hehkupurkauksesta tai koskettamalla hetkellisesti elektrodeja ja sitten erottamalla ne), virran kasvu johtaa pienempään jännitteeseen kaaren napojen välillä. Tämä negatiivinen resistanssivaikutus edellyttää, että piiriin sijoitetaan jonkinlainen positiivinen impedanssi (kuten sähköinen liitäntälaite) vakaan kaaren ylläpitämiseksi. Tämä ominaisuus aiheuttaa sen, että hallitsemattomat sähkökaaret koneessa ovat niin tuhoisia, koska kaaren ilmaantumisen jälkeen se ottaa yhä enemmän virtaa tasajännitelähteestä, kunnes laite tuhoutuu.
Käytännön sovellus
Teollisessa mittakaavassa sähkökaappia käytetään hitsaukseen, plasmaleikkaukseen, sähköpurkauskoneistukseen, kaarilamppuna elokuvaprojektoreissa ja valaistuksessa. Valokaariuuneja käytetään teräksen ja muiden aineiden valmistukseen. Kalsiumkarbidia saadaan tällä tavalla, koska endotermisen reaktion saavuttamiseksi (2500 °C:n lämpötiloissa) suuri määräenergiaa.
Hiikaarivalot olivat ensimmäiset sähkövalot. Niitä käytettiin katuvalaisimissa 1800-luvulla ja erikoislaitteisiin, kuten valonheittimiin, aina toiseen maailmansotaan asti. Nykyään matalapaineisia sähkökaappeja käytetään monilla alueilla. Esimerkiksi loiste-, elohopea-, natrium- ja metallihalogenidilamppuja käytetään valaistukseen, kun taas ksenonkaarilamppuja käytetään elokuvaprojektoreissa.
Voimakkaan sähkökaaren muodostuminen, kuten pienimuotoinen valokaaren salama, on räjähtävien n altimien perusta. Kun tiedemiehet oppivat, mitä jännitekaari on ja miten sitä voidaan käyttää, tehokkaat räjähteet ovat täydentäneet maailman aseiden valikoimaa.
Tärkein jäljellä oleva sovellus on siirtoverkkojen suurjännitekojeistot. Nykyaikaisissa laitteissa käytetään myös korkeapaineista rikkiheksafluoridia.
Johtopäätös
Vähikaaripalovammojen taajuudesta huolimatta sitä pidetään erittäin hyödyllisenä fyysisenä ilmiönä, jota käytetään edelleen laaj alti teollisuudessa, valmistuksessa ja koriste-esineissä. Hänellä on oma estetiikkansa, ja hän esiintyy usein scifi-elokuvissa. Jännitekaari ei ole kohtalokas.
