Arco eléctrico y sus características

Arco eléctrico — el paso de electricidad a través de un gas entre dos electrodos, uno de los cuales es una fuente de electrones (cátodo). Un electrodo es un alambre que termina en cualquier sección de un circuito eléctrico.

Los electrones emitidos por el cátodo en grandes cantidades provocan una fuerte ionización del gas entre los electrodos y, por lo tanto, hacen posible que fluya una gran corriente entre los electrodos.

Un rasgo característico de un arco eléctrico, a diferencia de una descarga de gas convencional, es que puede arder a baja tensión.

El arco eléctrico fue descubierto por un físico de San Petersburgo VV Petrov en 1802 y encontró importantes aplicaciones en la tecnología.

Un arco eléctrico es un tipo de descarga caracterizada por alta densidad de corriente, alta temperatura, presión de gas elevada y baja caída de voltaje en el espacio del arco. En este caso, se produce un calentamiento intensivo de los electrodos (contactos), sobre los que se forman los llamados. Manchas catódicas y anódicas. El brillo del cátodo se concentra en un pequeño punto brillante, la parte incandescente del electrodo opuesto forma el punto del ánodo.

Se pueden observar tres áreas en el arco iris, que son muy diferentes en la naturaleza de los procesos que tienen lugar en ellas. Directamente al electrodo negativo (cátodo) del arco se encuentra la región de caída de voltaje del cátodo. El siguiente es el barril de arco de plasma. Directamente al electrodo positivo (ánodo) se encuentra la región de caída de voltaje anódico. Estas regiones se muestran esquemáticamente en la Fig. 1.

Arroz. 1. La estructura del arco eléctrico.

Los tamaños de las regiones de caída de tensión catódica y anódica en la figura están muy exagerados. En realidad, su longitud es muy pequeña, por ejemplo, la longitud de la caída de tensión catódica es del orden de la trayectoria de libre movimiento de un electrón (menos de 1 micra). La longitud de la región de caída de voltaje del ánodo suele ser ligeramente mayor que este valor.

En condiciones normales, el aire es un buen aislante. Entonces, el voltaje requerido para romper un espacio de aire de 1 cm es de 30 kV. Para que el espacio de aire se convierta en un conductor, es necesario crear una cierta concentración de partículas cargadas (electrones e iones) en él.

Cómo se produce un arco eléctrico

El arco eléctrico, que es una corriente de partículas cargadas, en el momento inicial de la separación por contacto se produce como resultado de la presencia de electrones libres en el gas del arco y los electrones emitidos desde la superficie del cátodo. Los electrones libres en el espacio entre los contactos se mueven a alta velocidad en la dirección del cátodo al ánodo bajo la acción de las fuerzas del campo eléctrico.

La intensidad del campo al comienzo del espacio de contacto puede alcanzar varios miles de kilovoltios por centímetro.Bajo la acción de las fuerzas de este campo, los electrones se extraen de la superficie del cátodo y se mueven hacia el ánodo, arrancando electrones de él, que forman una nube de electrones. El flujo inicial de electrones creado de esta manera forma además una ionización intensa del espacio de arco.

Junto con los procesos de ionización, los procesos de desionización ocurren en paralelo y continuamente en el arco. Los procesos de desionización consisten en que cuando dos iones de diferente signo o un ion positivo y un electrón se acercan, se atraen y al chocar se neutralizan, además, las partículas cargadas se desplazan desde la zona de combustión de las almas con más - alta concentración de cargas en el ambiente con una menor concentración de cargas. Todos estos factores conducen a una disminución de la temperatura del arco, a su enfriamiento y desaparición.

Arroz. 2. Arco eléctrico

Arco después de la ignición

En el modo de combustión estacionaria, los procesos de ionización y desionización están en equilibrio.El barril de arco con la misma cantidad de cargas positivas y negativas libres se caracteriza por un alto grado de ionización del gas.

Una sustancia cuyo grado de ionización es cercano a la unidad, es decir en el que no hay átomos y moléculas neutras se llama plasma.

El arco eléctrico se caracteriza por las siguientes características:

1. Un límite claramente definido entre el eje del arco y el entorno.

2. La alta temperatura dentro del barril del arco, alcanzando 6000 - 25000K.

3. Alta densidad de corriente y tubo de arco (100 — 1000 A/mm2).

4. Pequeños valores de la caída de tensión anódica y catódica y prácticamente no depende de la corriente (10 - 20 V).

Característica corriente-voltaje de un arco eléctrico

La característica principal de un arco de CC es la dependencia del voltaje del arco con la corriente, lo que se denomina característica de voltaje de corriente (VCA).

El arco se produce entre los contactos a una determinada tensión (Fig. 3), denominada tensión de encendido Uz y en función de la distancia entre los contactos, la temperatura y presión del ambiente y la velocidad de separación de los contactos. Voltaje de extinción de arco Ug siempre menos estrés U3.

Arroz. 3. Característica corriente-voltaje de un arco de CC (a) y su circuito equivalente (b)

La curva 1 es la característica estática del arco, es decir obtenida variando lentamente la corriente. La característica tiene un carácter descendente. A medida que aumenta la corriente, el voltaje del arco disminuye. Esto significa que la resistencia del espacio de arco disminuye más rápido a medida que aumenta la corriente.

Si a una velocidad u otra la corriente en el arco se reduce de I1 a cero y al mismo tiempo se fija la caída de voltaje a lo largo del arco, resultarán las curvas 2 y 3. Estas curvas se denominan características dinámicas.

Cuanto más rápido se reduzca la corriente, menores serán las características dinámicas I — V. Esto se debe al hecho de que con una disminución de la corriente, parámetros del arco como la sección transversal del barril, la temperatura, no tienen tiempo para cambiar rápidamente y adquirir valores correspondientes a un valor más bajo de la corriente en un estado estable.

Caída de voltaje del espacio de arco:

Ud = Usc + EdId,

donde Us = Udo + Ua — caída de voltaje cerca del electrodo, Ed — gradiente de voltaje longitudinal en el arco, ID — la longitud del arco.

De la fórmula se deduce que a medida que aumenta la longitud del arco, la caída de voltaje en el arco aumentará y la característica I — V se ubicará más arriba.

Se ocupan de la formación de arcos en el diseño de dispositivos de conmutación eléctrica. Las propiedades del arco eléctrico se utilizan en instalaciones para soldadura por arco electrico y en hornos de fusión de arco.