Elektrik arkı - Electric arc

İki çivi arasındaki elektrik arkı
Yakup'un merdiveninin bir gösterimi

Bir elektrik ark veya deşarj arkı , bir bir elektrik arızası a gaz uzatılmış üreten elektrik deşarjı . Akım normal yoluyla yalıtkan gibi ortam hava üreten bir plazma ; plazma görünür ışık üretebilir . Bir ark deşarjı, bir ışıma deşarjından daha düşük bir voltaj ile karakterize edilir ve arkı destekleyen elektrotlardan elektronların termiyonik emisyonuna dayanır . Bir arkaik terimdir voltaik ark ifade "voltaik ark lambası" kullanılan.

Ark bastırma teknikleri , ark oluşumunun süresini veya olasılığını azaltmak için kullanılabilir.

1800'lerin sonlarında, genel aydınlatma için elektrik ark aydınlatması yaygın olarak kullanılıyordu . Bazı düşük basınçlı elektrik arkları birçok uygulamada kullanılmaktadır. Örneğin aydınlatma için floresan tüpler , cıva, sodyum ve metal-halojenür lambalar kullanılır; Film projektörleri için xenon ark lambaları kullanılmıştır . Elektrik ark kaynağı ve çelik geri dönüşümü için elektrik ark fırınları gibi üretim süreçleri için elektrik arkları kullanılabilir .

Tarih

Doğal yıldırım artık bir elektrik kıvılcımı olarak kabul ediliyor , bir ark değil.

Sir Humphry Davy 1800'de kısa darbeli elektrik arkını keşfetti. 1801'de William Nicholson'ın Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts'ta yayınlanan bir makalede fenomeni tanımladı . Modern bilime göre, Davy'nin tanımı bir yaydan ziyade bir kıvılcımdı. Aynı yıl Davy, Kraliyet Cemiyeti'nden önce, birbirine değen iki karbon çubuktan bir elektrik akımı ileterek ve ardından onları kısa bir mesafeye çekerek etkisini halka açık bir şekilde gösterdi . Gösteri , kömür noktaları arasında sürekli bir kıvılcımdan kolayca ayırt edilemeyen "zayıf" bir yay üretti . Dernek, 1.000 plakalık daha güçlü bir pil için abone oldu ve 1808'de büyük ölçekli arkı gösterdi. Arkı adlandırmakla tanınır. Elektrotlar arasındaki mesafe küçük olmadığında yukarı doğru bir yay şeklini aldığı için ona ark adını verdi. Bunun nedeni, sıcak gaz üzerindeki kaldırma kuvvetidir.

İlk sürekli ark 1802'de bağımsız olarak keşfedildi ve 1803'te 4200 diskten oluşan bir bakır-çinko pil ile deney yapan Rus bilim adamı Vasily V. Petrov tarafından "elektriksel özelliklere sahip özel bir sıvı" olarak tanımlandı .

On dokuzuncu yüzyılın sonlarında, elektrik ark aydınlatması , kamu aydınlatması için yaygın olarak kullanılıyordu . Elektrik arklarının titreme ve tıslama eğilimi büyük bir problemdi. 1895'te Hertha Marks Ayrton , Elektrikçi için bir dizi makale yazdı ve bu olayların, ark oluşturmak için kullanılan karbon çubuklarla oksijenin temas etmesinin sonucu olduğunu açıkladı. 1899'da, Elektrik Mühendisleri Enstitüsü'nden (IEE) önce kendi makalesini okuyan ilk kadın oldu. Makalesi "Elektrik Arkının Tıslaması" başlığını taşıyordu. Kısa bir süre sonra, Ayrton IEE'nin ilk kadın üyesi seçildi; IEE'ye kabul edilecek bir sonraki kadın 1958'deydi. Kraliyet Cemiyeti'ne bir bildiri sunmak için dilekçe verdi, ancak cinsiyeti nedeniyle izin verilmedi ve John Perry tarafından "Elektrik Ark Mekanizması" okundu. 1901'de yerine

genel bakış

Bir elektrikli trenin güç hattı ve pantografları arasındaki elektrik arkları, katener buzlanmadan sonra
Londra Metrosu treninde güç rayı ile elektrikli pikap "ayakkabı" arasındaki elektrik arkları

Bir elektrik arkı, en yüksek akım yoğunluğuna sahip elektrik boşalması şeklidir. Bir arktan geçen maksimum akım, arkın kendisi tarafından değil, sadece harici devre tarafından sınırlandırılır.

Elektrotlardan geçen akım arttığında, iyonizasyon ve ışıma deşarjı ile iki elektrot arasında bir ark başlatılabilir. Elektrot aralığının arıza voltajı, basıncın, elektrotlar arasındaki mesafenin ve elektrotları çevreleyen gaz türünün birleşik bir fonksiyonudur. Bir ark başladığında, terminal voltajı bir ışıma deşarjından çok daha düşüktür ve akım daha yüksektir. Atmosfer basıncına yakın gazlarda ark, görünür ışık emisyonu, yüksek akım yoğunluğu ve yüksek sıcaklık ile karakterize edilir. Bir ark, kısmen elektronların ve pozitif iyonların benzer sıcaklıkları ile ışıma deşarjından ayırt edilir; ışıma deşarjında ​​iyonlar elektronlardan çok daha soğuktur.

Çekilmiş bir ark, başlangıçta temas halinde olan ve birbirinden ayrılan iki elektrot tarafından başlatılabilir; bu, yüksek voltajlı kızdırma deşarjı olmadan bir ark başlatabilir. Bu, bir kaynakçının bir eklemi kaynaklamaya başlama şeklidir , kaynak elektrodunu iş parçasına bir anlığına dokundurur ve ardından sabit bir ark oluşana kadar geri çeker. Başka bir örnek, anahtarlardaki, rölelerdeki veya devre kesicilerdeki elektrik kontaklarının ayrılmasıdır; yüksek enerjili devrelerde kontaklara zarar gelmesini önlemek için ark bastırma gerekebilir.

Sürekli elektrik arkı boyunca elektriksel direnç, daha fazla gaz molekülünü iyonize eden (iyonizasyon derecesinin sıcaklık tarafından belirlendiği) ısı yaratır ve bu sıraya göre: katı-sıvı-gaz-plazma; gaz kademeli olarak bir termal plazmaya dönüştürülür. Termal bir plazma termal dengededir; sıcaklık, atomlar, moleküller, iyonlar ve elektronlar boyunca nispeten homojendir. Elektronlara verilen enerji , büyük hareketlilikleri ve sayıları nedeniyle elastik çarpışmalarla daha ağır parçacıklara hızla dağılır .

Arktaki akım , katotta termiyonik emisyon ve elektronların alan emisyonu ile sürdürülür . Akım, katot üzerinde çok küçük bir sıcak noktada yoğunlaşabilir; santimetre kare başına bir milyon amper mertebesinde akım yoğunlukları bulunabilir. Bir ışıma deşarjından farklı olarak , pozitif sütun oldukça parlak olduğundan ve neredeyse her iki uçtaki elektrotlara kadar uzandığından, bir ark çok az fark edilebilir bir yapıya sahiptir. Birkaç voltluk katot düşüşü ve anot düşüşü, her elektrotun bir milimetrelik bir kesri içinde meydana gelir. Pozitif sütun daha düşük bir voltaj gradyanına sahiptir ve çok kısa arklarda olmayabilir.

Düşük frekanslı (100 Hz'den az) bir alternatif akım arkı, bir doğru akım arkına benzer; her döngüde ark, arıza ile başlatılır ve elektrotlar, akım tersine döndüğünde anot veya katot olarak rol değiştirir. Akımın frekansı arttıkça, tüm iyonizasyonun her yarım döngüde dağılması için yeterli zaman yoktur ve arkı sürdürmek için artık bozulmaya gerek yoktur; gerilime karşı akım karakteristiği daha çok ohmik hale gelir.

Tel telleri arasındaki elektrik arkı.

Elektrik arklarının çeşitli şekilleri, lineer olmayan akım ve elektrik alan modellerinin ortaya çıkan özellikleridir . Yay, iki iletken arasındaki gaz ile doldurulmuş boşluk oluşur elektrot (genellikle yapılmış tungsten veya karbon) ve çok yüksek bir sonuçlanan ısı kapasitesine sahip, erime veya buharlaştırma en malzeme. Bir elektrik arkı sürekli bir deşarjdır, benzer elektrik kıvılcım deşarjı ise anlıktır. Doğru akım (DC) devrelerinde veya alternatif akım (AC) devrelerinde bir elektrik arkı oluşabilir . İkinci durumda, ark, akımın her yarım döngüsünde yeniden vurabilir. Bir elektrik arkı , akım yoğunluğunun oldukça yüksek olması ve ark içindeki voltaj düşüşünün düşük olması bakımından ışıma deşarjından farklıdır ; de katot akım yoğunluğu, bir kadar yüksek olabilir megaampere , santimetre kare başına.

Bir elektrik arkı, akım ve voltaj arasında doğrusal olmayan bir ilişkiye sahiptir. Ark oluşturulduğunda (ya bir ışıma deşarjından ilerleyerek ya da elektrotlara anlık olarak dokunup sonra onları ayırarak), artan akım, ark terminalleri arasında daha düşük bir voltaj ile sonuçlanır. Bu negatif direnç etkisi, kararlı bir ark sağlamak için devreye bazı pozitif empedans biçimlerinin ( elektrikli balast olarak ) yerleştirilmesini gerektirir. Bu özellik, cihazdaki kontrolsüz elektrik arklarının, bir kez başlatıldığında, cihaz tahrip olana kadar sabit voltaj kaynağından giderek daha fazla akım çekeceğinden bu kadar yıkıcı hale gelmesinin nedenidir.

kullanır

Bir elektrik arkı kalsiyum oksiti eritebilir

Endüstriyel olarak, burada ışın yayları için kullanılan kaynak , plazma kesme için, elektrikli boşaltma işlemesi bir şekilde, ark lambası olarak film projektörleri ve followspots olarak sahne aydınlatması . Elektrik ark ocakları çelik ve diğer maddeleri üretmek için kullanılır . Kalsiyum karbür , endotermik bir reaksiyonu teşvik etmek için büyük miktarda enerji gerektirdiğinden (2500 °C'lik sıcaklıklarda) bu şekilde yapılır.

Karbon ark lambaları ilk elektrik lambalarıydı. 19. yüzyılda sokak lambaları ve II. Dünya Savaşı'na kadar projektörler gibi özel uygulamalar için kullanıldılar . Günümüzde birçok uygulamada düşük basınçlı elektrik arkları kullanılmaktadır. Örneğin aydınlatma için floresan tüpler , cıva, sodyum ve metal halide lambalar kullanılır; Film projektörleri için xenon ark lambaları kullanılır.

Bir küçük ölçekli benzer yoğun bir elektrik arkı, oluşumu ark flaş , temelidir patlayan-bridgewire fünye .

Geriye kalan önemli bir uygulama, yüksek voltajlı iletim ağları için yüksek voltajlı şalt sistemindedir. Modern cihazlar , bir basınçlı kap içinde ayrılmış elektrotlar arasındaki bir meme akışında yüksek basınçta kükürt heksaflorür kullanır . AC arıza akımı, bozunan plazmadan serbest elektronları emen yüksek elektronegatif SF6 iyonları tarafından akım sıfırında kesilir. Benzer bir hava tabanlı teknoloji büyük ölçüde değiştirildi, çünkü benzer süper şebeke koşulları altında mevcut yeniden ateşlemeyi önlemek için seri halinde birçok gürültülü ünite gerekliydi.

Uzay aracının elektrik tahriki için elektrik arkları incelenmiştir .

Laboratuarda , bir madde örneğinin yoğun ısıtılmasıyla spektral emisyonlar oluşturmak için spektroskopi için kullanılırlar .

Arkı yönlendirmek

Bilim adamları, elektrotlar arasındaki gaza lazer ışınlarını ateşleyerek iki elektrot arasındaki bir arkın yolunu kontrol etmek için bir yöntem keşfettiler. Gaz bir plazma haline gelir ve arkı yönlendirir. Farklı lazer ışınlarına sahip elektrotlar arasında plazma yolu oluşturularak ark, kavisli ve S-şekilli yollara dönüştürülebilir. Yay ayrıca bir engele çarpabilir ve engelin diğer tarafında yeniden şekillenebilir. Lazer güdümlü ark teknolojisi, hassas bir noktaya bir elektrik kıvılcımı iletmek için uygulamalarda faydalı olabilir.

istenmeyen ark

Kısa devre sırasında elektrik arkının neden olduğu fişte yanma .

İstenmeyen veya istenmeyen elektrik arkı, elektrik enerjisi iletimi , dağıtım sistemleri ve elektronik ekipman üzerinde zararlı etkilere neden olabilir . Ark oluşumuna neden olabilecek cihazlar arasında anahtarlar, devre kesiciler, röle kontakları, sigortalar ve zayıf kablo sonlandırmaları bulunur. Bir endüktif devre kapatıldığında, akım anında sıfıra atlayamaz: ayırma kontakları boyunca geçici bir ark oluşacaktır. Ark oluşumuna duyarlı anahtarlama cihazları normalde bir yayı kontrol altına almak ve söndürmek için tasarlanmıştır ve bastırma devreleri, ark oluşumunu önleyerek geçici akımlar için bir yol sağlayabilir. Bir devre, bir anahtarlama cihazının dışında oluşan bir arkı sürdürmek için yeterli akıma ve gerilime sahipse, ark, iletkenlerin erimesi, yalıtımın bozulması ve yangın gibi ekipmana zarar verebilir. Bir ark flaş bir patlayıcı elektrik etkinliği tanımlayan hediyelerin olduğu insan ve ekipman için bir tehlike.

Kontaktörlerin , rölelerin ve anahtarların elektrik kontaklarındaki istenmeyen ark, kontak ark bastırıcılar ve RC susturucular gibi cihazlarla veya aşağıdakileri içeren tekniklerle azaltılabilir :

Farklı voltajlı yerler arasında düşük dirençli bir kanal (yabancı cisim, iletken toz , nem...) oluştuğunda da ark oluşabilir . İletken kanal daha sonra bir elektrik arkının oluşumunu kolaylaştırabilir. İyonize hava, metallerinkine yakın yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir ve son derece yüksek akımlar ileterek kısa devreye ve koruyucu cihazların ( sigortalar ve devre kesiciler ) açılmasına neden olabilir . Benzer bir durum, bir ampul yandığında ve filamanın parçaları, ampulün içindeki uçlar arasında bir elektrik arkı çekerek, kesicileri tetikleyen aşırı akıma yol açtığında meydana gelebilir .

Plastiklerin yüzeyindeki bir elektrik arkı onların bozulmasına neden olur. Ark yolunda, "karbon izleme" adı verilen ve yalıtım özelliklerini olumsuz yönde etkileyen, karbon bakımından zengin iletken bir iz oluşma eğilimindedir. Ark duyarlılığı veya "iz direnci", ASTM D495'e göre nokta elektrotlar ve sürekli ve aralıklı arklar ile test edilir ; yüksek voltajlı düşük akım koşullarında iletken bir yol oluşturmak için gereken saniye cinsinden ölçülür. Bazı malzemeler bozulmaya diğerlerinden daha az duyarlıdır. Örneğin, politetrafloroetilen yaklaşık 200 saniyelik (3.3 dakika) ark direncine sahiptir. Kaynaktan ısı ile sertleşen plastik , alkidler ve melamin reçineleri daha iyi fenolik reçineler . Polietilenlerin ark direnci yaklaşık 150 saniyedir; polistirenler ve polivinil klorürler , yaklaşık 70 saniye gibi nispeten düşük bir dirence sahiptir. Plastikler, ark söndürme özelliklerine sahip gazlar yayacak şekilde formüle edilebilir; bunlar ark söndüren plastikler olarak bilinir .

Muhtemelen izlerin çatlaması veya bir lehimin arızalanması nedeniyle bazı baskılı devre kartlarının üzerinde ark oluşması, ilgili yüksek sıcaklıklar nedeniyle dielektrik yandığı için etkilenen yalıtım katmanını iletken hale getirir . Bu iletkenlik , yüzeyin kademeli arızası nedeniyle arkı uzatır .

ark bastırma

Ark bastırma, bir elektrik arkını azaltmaya veya ortadan kaldırmaya yönelik bir yöntemdir. Ark bastırma yöntemlerinin birkaç olası kullanım alanı vardır; bunlar arasında metal film biriktirme ve püskürtme , ark parlaması koruması , elektrik arklarının istenmediği elektrostatik işlemler ( toz boyama , hava temizleme , PVDF film kutuplama gibi) ve kontak akımı ark bastırma vardır. . Endüstriyel, askeri ve tüketici elektroniği tasarımında, ikinci yöntem genellikle elektromekanik güç anahtarları, röleler ve kontaktörler gibi cihazlar için geçerlidir. Bu bağlamda ark bastırma, temas koruması kullanır .

Bir elektrik arkının enerjisinin bir kısmı, arkı çevreleyen havadan yeni kimyasal bileşikler oluşturur: bunlar arasında nitrojen ve ozon oksitleri bulunur , ikincisi belirgin keskin kokusuyla tespit edilebilir. Bu kimyasallar, rölelerde ve motor komütatörlerinde yüksek güçlü kontaklarla üretilebilir ve yakındaki metal yüzeyler için aşındırıcıdır. Ark ayrıca kontakların yüzeylerini aşındırır, onları aşındırır ve kapatıldığında yüksek temas direnci oluşturur.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar