伏打弧 - 定义、发生和特征

科学 2023

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伏打弧 - 定义、发生和特征
伏打弧 - 定义、发生和特征
Anonim

谈到电弧的特性时,值得一提的是,它的电压比辉光放电低,并且依赖于来自支持电弧的电极的电子热离子辐射。在英语国家,这个词被认为是过时的。

电弧抑制技术可用于减少电弧持续时间或电弧的可能性。

电线之间的电弧
电线之间的电弧

在1800年代后期,电弧被广泛用于公共照明。一些低压电弧用于许多应用中。例如,荧光灯、汞灯、钠灯和金属卤化物灯用于照明。电影放映机使用氙弧灯

开启电弧

这种现象被认为是由汉弗莱戴维爵士在 1801 年发表在威廉尼科尔森的自然哲学、化学和艺术杂志上的一篇文章中首次描述的。然而,戴维所描述的现象并不是电弧,而只是火花。后来的探险家写道:“这显然不是对电弧的描述,而是对火花的描述。第一个的本质是它必须是连续的,它的两极在它出现之后不能接触。汉弗莱戴维爵士产生的火花显然不是连续的,虽然它在与碳原子接触后仍保持带电一段时间,但很可能没有电弧连接,这是将其归类为伏打的必要条件。

同年,戴维在皇家学会面前公开展示了这种效果,他将电流通过两根相互接触的碳棒,然后将它们拉开一小段距离。演示显示了在木炭点之间的“微弱”弧线,几乎无法与稳定的火花区分开来。科学界为他提供了由 1000 个极板组成的更强大的电池,并在 1808 年大规模展示了电弧的发生。他还以英文(electric arc)命名。他称其为弧线,因为当电极之间的距离变近时,它会呈向上的弓形。这是由于热气体的导电特性。

光伏电弧
光伏电弧

电弧是怎么出现的?第一次连续电弧在 1802 年被独立记录,并在 1803 年被当时正在试验 4,200 片铜锌电池的俄罗斯科学家瓦西里·彼得罗夫描述为“具有电气特性的特殊液体”。

继续学习

十九世纪末,电弧被广泛用于公共照明。电弧闪烁和嘶嘶声的趋势是一个主要问题。 1895年,赫塔·马克思·艾尔顿写了一系列关于电的论文,解释说,电弧是氧气与用于产生电弧的碳棒接触的结果。

1899 年,她是第一位在电气工程师协会 (IEE) 之前发表自己论文的女性。她的报告题为“电弧的机制”。 Shortly thereafter, Ayrton was elected as the first female member of the Institute of Electrical Engineers.下一位女性已于 1958 年被该研究所录取。艾尔顿向皇家学会请愿阅读一篇论文,但由于她的性别不被允许这样做,1901年约翰佩里代替她阅读了电弧的机制。

描述

电弧是一种电流密度最高的放电。通过电弧吸收的最大电流仅受环境限制,不受电弧本身的限制。

电弧
电弧

当通过电极的电流增加时,可以通过电离和辉光放电引发两个电极之间的电弧。电极间隙的击穿电压是压力、电极之间的距离和电极周围气体类型的综合函数。电弧启动时,其端电压远低于辉光放电,电流较高。接近大气压的气体中的电弧以可见光为特征,高电流密度和高温。它与辉光放电的不同之处在于电子和正离子的有效温度大致相同,并且在辉光放电中,离子的热能比电子低得多。

焊接时

扩展的电弧可以通过两个电极在实验过程中最初接触和分开来引发。这个动作可以在没有高压辉光放电的情况下引发电弧。这是焊工通过立即将焊接电极与工件接触来开始焊接接头的方式。

另一个例子是开关、继电器或断路器上的电触点分离。在高能量电路中,可能需要抑制电弧以防止触点损坏。

电弧:特点

电阻沿连续电弧产生热量,使更多的气体分子电离(电离程度由温度决定),按照这个顺序,气体逐渐变成处于热平衡状态的热等离子体因为所有原子、分子、离子和电子的温度分布相对均匀。由于高迁移率和大数量,电子传递的能量通过弹性碰撞迅速与较重的粒子分散。

圆形电弧
圆形电弧

电弧中的电流由阴极处电子的热离子和场发射支持。当前的可以集中在阴极上的一个非常小的热点 - 每平方厘米大约一百万安培。与辉光放电相比,电弧结构很难区分,因为正极很亮,几乎延伸到两端的电极。几伏特的阴极压降和阳极压降发生在每个电极的几分之一毫米内。正极柱的电压梯度较低,在很短的电弧中可能不存在。

低频弧线

低频(小于 100 Hz)交流电弧类似于直流电弧。在每个循环中,电弧由击穿引发,当电流改变方向时电极会改变角色。随着电流频率的增加,每半个周期的发散处都没有足够的时间进行电离,不再需要击穿来维持电弧--电压和电流特性变得更加欧姆。

其他物理现象中的一个地方

不同的弧形是非线性电流和电场模式的新兴特性。电弧发生在两个导电电极(通常是钨或碳)之间的充气空间中,导致能够熔化或蒸发大多数材料的非常高的温度。电弧是连续放电,而类似的电火花放电是瞬时的。直流电路或交流电路中都可能出现电弧。在后一种情况下,她可能打击电流的每个半周期。电弧与辉光放电的不同之处在于电流密度相当高并且电弧内的电压降低。在阴极,电流密度可以达到每平方厘米一兆安。

焊接时的电弧
焊接时的电弧

破坏潜力

电弧在电流和电压之间具有非线性关系。一旦产生电弧(通过辉光放电进行或暂时接触电极然后将它们分开),电流的增加会导致电弧端子之间的电压降低。这种负电阻效应要求在电路中放置某种形式的正阻抗(如电子镇流器)以保持稳定的电弧。这个特性是导致机器中不受控制的电弧具有如此破坏性的原因,因为一旦发生电弧,它将从直流电压源中汲取越来越多的电流,直到设备被破坏。

实际应用

在工业规模上,电弧用于焊接、等离子切割、放电加工,用作电影放映机和照明中的弧光灯。电弧炉用于生产钢和其他物质。以这种方式获得碳化钙,因为为了实现吸热反应(在 2500°C 的温度下),大量的能量.

碳弧灯是最早的电灯。它们在 19 世纪被用于路灯,并在二战前用于探照灯等专用设备。今天,许多领域都使用低压电弧。例如,荧光灯、水银灯、钠灯和金属卤化物灯用于照明,而氙弧灯则用于电影放映机。

生产中的电弧
生产中的电弧

强烈电弧的形成,就像小规模的电弧闪光,是起爆雷管的基础。当科学家们了解什么是电弧以及如何使用它时,有效的炸药已经补充了世界上各种各样的武器。

剩余的主要应用是输电网络的高压开关设备。现代设备也使用高压六氟化硫。

用电弧表示
用电弧表示

结论

尽管电弧灼伤的频率很高,但它被认为是一种非常有用的物理现象,仍然广泛用于工业、制造和装饰物品。她有自己的审美,经常出现在科幻电影中。电弧的失败不是致命的。

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