Όταν μιλάμε για τα χαρακτηριστικά ενός βολταϊκού τόξου, αξίζει να αναφέρουμε ότι έχει χαμηλότερη τάση από μια εκκένωση πυράκτωσης και βασίζεται στη θερμιονική ακτινοβολία ηλεκτρονίων από τα ηλεκτρόδια που υποστηρίζουν το τόξο. Στις αγγλόφωνες χώρες, αυτός ο όρος θεωρείται αρχαϊκός και ξεπερασμένος.
Τεχνικές καταστολής τόξου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση της διάρκειας του τόξου ή της πιθανότητας δημιουργίας τόξου.
Στα τέλη του 1800, το βολταϊκό τόξο χρησιμοποιήθηκε ευρέως για δημόσιο φωτισμό. Μερικά ηλεκτρικά τόξα χαμηλής πίεσης χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές. Για παράδειγμα, για φωτισμό χρησιμοποιούνται λαμπτήρες φθορισμού, λαμπτήρες υδραργύρου, νατρίου και αλογονιδίου μετάλλου. Οι λαμπτήρες τόξου Xenon χρησιμοποιήθηκαν για προβολείς ταινιών.
Άνοιγμα του βολταϊκού τόξου
Αυτό το φαινόμενο πιστεύεται ότι περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Sir Humphry Davy σε ένα άρθρο του 1801 που δημοσιεύτηκε στο Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts του William Nicholson. Ωστόσο, το φαινόμενο που περιγράφει ο Davy δεν ήταν ένα ηλεκτρικό τόξο, αλλά μόνο ένας σπινθήρας. Μεταγενέστεροι εξερευνητέςέγραψε: «Αυτή είναι προφανώς μια περιγραφή όχι ενός τόξου, αλλά μιας σπίθας. Η ουσία του πρώτου είναι ότι πρέπει να είναι συνεχής και οι πόλοι του δεν πρέπει να ακουμπούν αφού έχει προκύψει. Ο σπινθήρας που δημιούργησε ο Sir Humphry Davy δεν ήταν σαφώς συνεχής και παρόλο που παρέμεινε φορτισμένος για κάποιο χρονικό διάστημα μετά την επαφή με άτομα άνθρακα, πιθανότατα δεν υπήρχε σύνδεση του τόξου, η οποία είναι απαραίτητη για την ταξινόμησή του ως βολταϊκού.
Την ίδια χρονιά, ο Ντέιβι έδειξε δημόσια το αποτέλεσμα ενώπιον της Βασιλικής Εταιρείας περνώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από δύο ράβδους άνθρακα που αγγίζουν και στη συνέχεια τραβώντας τις σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Η επίδειξη έδειξε ένα «αδύναμο» τόξο, που δύσκολα διακρίνεται από μια σταθερή σπίθα, μεταξύ σημείων κάρβουνου. Η επιστημονική κοινότητα του παρείχε μια ισχυρότερη μπαταρία 1000 πλακών και το 1808 απέδειξε την εμφάνιση βολταϊκού τόξου σε μεγάλη κλίμακα. Του πιστώνεται και το όνομά του στα αγγλικά (ηλεκτρικό τόξο). Το ονόμασε τόξο γιατί παίρνει τη μορφή ανοδικού τόξου όταν η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων γίνεται στενή. Αυτό οφείλεται στις αγώγιμες ιδιότητες του θερμού αερίου.
Πώς εμφανίστηκε το βολταϊκό τόξο; Το πρώτο συνεχές τόξο καταγράφηκε ανεξάρτητα το 1802 και περιγράφηκε το 1803 ως «ένα ειδικό υγρό με ηλεκτρικές ιδιότητες» από τον Ρώσο επιστήμονα Vasily Petrov, ο οποίος πειραματιζόταν με μια μπαταρία χαλκού-ψευδάργυρου 4.200 δίσκων.
Περαιτέρω μελέτη
Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, το βολταϊκό τόξο ήταν ευρέωςχρησιμοποιείται για δημόσιο φωτισμό. Η τάση των ηλεκτρικών τόξων να τρεμοπαίζουν και να σφυρίζουν ήταν ένα σημαντικό πρόβλημα. Το 1895, η Hertha Marx Ayrton έγραψε μια σειρά εργασιών για τον ηλεκτρισμό, εξηγώντας ότι το βολταϊκό τόξο ήταν το αποτέλεσμα της επαφής του οξυγόνου με τις ράβδους άνθρακα που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του τόξου.
Το 1899, ήταν η πρώτη γυναίκα που έδωσε ποτέ τη δική της εργασία ενώπιον του Ινστιτούτου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών (IEE). Η έκθεσή της είχε τίτλο «Ο Μηχανισμός του Ηλεκτρικού Τόξου». Λίγο αργότερα, η Ayrton εξελέγη ως η πρώτη γυναίκα μέλος του Ινστιτούτου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών. Η επόμενη γυναίκα έγινε δεκτή στο ινστιτούτο ήδη το 1958. Η Ayrton ζήτησε να διαβάσει μια εργασία ενώπιον της Βασιλικής Εταιρείας, αλλά δεν της επετράπη να το κάνει λόγω του φύλου της, και ο Μηχανισμός του Ηλεκτρικού Τόξου διαβάστηκε από τον John Perry στη θέση της το 1901.
Περιγραφή
Το ηλεκτρικό τόξο είναι ένας τύπος ηλεκτρικής εκκένωσης με την υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος. Το μέγιστο ρεύμα που διέρχεται από το τόξο περιορίζεται μόνο από το περιβάλλον, όχι από το ίδιο το τόξο.
Το τόξο μεταξύ δύο ηλεκτροδίων μπορεί να ξεκινήσει με ιονισμό και εκκένωση λάμψης όταν αυξάνεται το ρεύμα μέσω των ηλεκτροδίων. Η τάση διάσπασης του διακένου ηλεκτροδίου είναι μια συνδυασμένη συνάρτηση της πίεσης, της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων και του τύπου αερίου που περιβάλλει τα ηλεκτρόδια. Όταν ξεκινά ένα τόξο, η τάση ακροδεκτών του είναι πολύ μικρότερη από αυτή μιας εκκένωσης πυράκτωσης και το ρεύμα είναι υψηλότερο. Ένα τόξο στα αέρια κοντά στην ατμοσφαιρική πίεση χαρακτηρίζεται από ορατό φως,υψηλή πυκνότητα ρεύματος και υψηλή θερμοκρασία. Διαφέρει από την εκκένωση λάμψης στο ότι οι ενεργές θερμοκρασίες τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των θετικών ιόντων είναι περίπου οι ίδιες, και σε μια εκκένωση λάμψης, τα ιόντα έχουν πολύ χαμηλότερη θερμική ενέργεια από τα ηλεκτρόνια.
Κατά τη συγκόλληση
Ένα εκτεταμένο τόξο μπορεί να ξεκινήσει από δύο ηλεκτρόδια αρχικά σε επαφή και διαχωρισμό κατά τη διάρκεια του πειράματος. Αυτή η ενέργεια μπορεί να εκκινήσει ένα τόξο χωρίς εκκένωση πυράκτωσης υψηλής τάσης. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο ο συγκολλητής ξεκινά τη συγκόλληση της άρθρωσης αγγίζοντας αμέσως το ηλεκτρόδιο συγκόλλησης στο τεμάχιο εργασίας.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο διαχωρισμός των ηλεκτρικών επαφών σε διακόπτες, ρελέ ή διακόπτες κυκλώματος. Σε κυκλώματα υψηλής ενέργειας ενδέχεται να απαιτείται καταστολή τόξου για την αποφυγή ζημιών στην επαφή.
Βολταϊκό τόξο: χαρακτηριστικά
Η ηλεκτρική αντίσταση κατά μήκος ενός συνεχούς τόξου δημιουργεί θερμότητα που ιονίζει περισσότερα μόρια αερίου (όπου ο βαθμός ιονισμού καθορίζεται από τη θερμοκρασία) και σύμφωνα με αυτή τη σειρά, το αέριο σταδιακά μετατρέπεται σε θερμικό πλάσμα που βρίσκεται σε θερμική ισορροπία καθώς η θερμοκρασία είναι σχετικά ομοιόμορφα κατανεμημένη για όλα τα άτομα, τα μόρια, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια. Η ενέργεια που μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια διασπείρεται γρήγορα με βαρύτερα σωματίδια μέσω ελαστικών συγκρούσεων λόγω της υψηλής κινητικότητάς τους και των μεγάλων αριθμών τους.
Το ρεύμα στο τόξο υποστηρίζεται από θερμιονική και εκπομπή πεδίου ηλεκτρονίων στην κάθοδο. Ρεύμαμπορεί να συγκεντρωθεί σε ένα πολύ μικρό hot spot στην κάθοδο - της τάξης του ενός εκατομμυρίου αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Σε αντίθεση με την εκκένωση λάμψης, η δομή του τόξου είναι ελάχιστα διακριτή, καθώς η θετική στήλη είναι αρκετά φωτεινή και εκτείνεται σχεδόν στα ηλεκτρόδια και στα δύο άκρα. Η πτώση της καθόδου και η πτώση ανόδου μερικών βολτ συμβαίνουν σε ένα κλάσμα του χιλιοστού από κάθε ηλεκτρόδιο. Η θετική στήλη έχει χαμηλότερη κλίση τάσης και μπορεί να απουσιάζει σε πολύ μικρά τόξα.
Τόξο χαμηλής συχνότητας
Το τόξο AC χαμηλής συχνότητας (λιγότερο από 100 Hz) μοιάζει με τόξο συνεχούς ρεύματος. Σε κάθε κύκλο, το τόξο ξεκινά από μια διακοπή και τα ηλεκτρόδια αλλάζουν ρόλους όταν το ρεύμα αλλάζει κατεύθυνση. Καθώς η συχνότητα του ρεύματος αυξάνεται, δεν υπάρχει αρκετός χρόνος για ιονισμό σε απόκλιση σε κάθε μισό κύκλο και δεν απαιτείται πλέον διάσπαση για τη διατήρηση του τόξου - το χαρακτηριστικό τάσης και ρεύματος γίνεται πιο ωμικό.
Μια θέση ανάμεσα σε άλλα φυσικά φαινόμενα
Διαφορετικά σχήματα τόξων είναι αναδυόμενες ιδιότητες των μοτίβων μη γραμμικού ρεύματος και ηλεκτρικού πεδίου. Το τόξο εμφανίζεται σε έναν χώρο γεμάτο με αέριο μεταξύ δύο αγώγιμων ηλεκτροδίων (συχνά βολφραμίου ή άνθρακα), με αποτέλεσμα πολύ υψηλές θερμοκρασίες ικανές να λιώσουν ή να εξατμίσουν τα περισσότερα υλικά. Ένα ηλεκτρικό τόξο είναι μια συνεχής εκφόρτιση, ενώ μια παρόμοια εκφόρτιση ηλεκτρικού σπινθήρα είναι στιγμιαία. Ένα βολταϊκό τόξο μπορεί να εμφανιστεί είτε σε κυκλώματα DC είτε σε κυκλώματα AC. Στην τελευταία περίπτωση, μπορείχτυπήστε κάθε μισό κύκλο του ρεύματος. Ένα ηλεκτρικό τόξο διαφέρει από μια εκκένωση πυράκτωσης στο ότι η πυκνότητα ρεύματος είναι μάλλον υψηλή και η πτώση τάσης μέσα στο τόξο είναι χαμηλή. Στην κάθοδο, η πυκνότητα ρεύματος μπορεί να φτάσει ένα μεγααμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό.
Καταστροφικό δυναμικό
Το ηλεκτρικό τόξο έχει μια μη γραμμική σχέση μεταξύ ρεύματος και τάσης. Μόλις δημιουργηθεί το τόξο (είτε προχωρώντας από μια εκκένωση λάμψης είτε αγγίζοντας στιγμιαία τα ηλεκτρόδια και στη συνέχεια χωρίζοντάς τα), η αύξηση του ρεύματος οδηγεί σε χαμηλότερη τάση μεταξύ των ακροδεκτών τόξου. Αυτό το φαινόμενο αρνητικής αντίστασης απαιτεί κάποια μορφή θετικής αντίστασης (όπως το ηλεκτρικό έρμα) να τοποθετηθεί στο κύκλωμα για να διατηρείται ένα σταθερό τόξο. Αυτή η ιδιότητα είναι που κάνει τα μη ελεγχόμενα ηλεκτρικά τόξα σε ένα μηχάνημα να είναι τόσο καταστροφικά, καθώς μόλις εμφανιστεί το τόξο θα αντλεί όλο και περισσότερο ρεύμα από την πηγή τάσης συνεχούς ρεύματος μέχρι να καταστραφεί η συσκευή.
Πρακτική εφαρμογή
Σε βιομηχανική κλίμακα, τα ηλεκτρικά τόξα χρησιμοποιούνται για συγκόλληση, κοπή πλάσματος, κατεργασία ηλεκτρικής εκκένωσης, ως λαμπτήρας τόξου σε προβολείς ταινιών και φωτισμό. Οι φούρνοι ηλεκτρικού τόξου χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χάλυβα και άλλων ουσιών. Το καρβίδιο του ασβεστίου λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο, καθώς για να επιτευχθεί μια ενδόθερμη αντίδραση (σε θερμοκρασίες 2500 ° C) μια μεγάλη ποσότηταενέργεια.
Τα φώτα τόξου άνθρακα ήταν τα πρώτα ηλεκτρικά φώτα. Χρησιμοποιήθηκαν για λαμπτήρες δρόμου τον 19ο αιώνα και για εξειδικευμένες συσκευές όπως προβολείς μέχρι τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Σήμερα χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά τόξα χαμηλής πίεσης σε πολλούς τομείς. Για παράδειγμα, οι λαμπτήρες φθορισμού, υδραργύρου, νατρίου και αλογονιδίου μετάλλου χρησιμοποιούνται για φωτισμό, ενώ οι λαμπτήρες τόξου xenon χρησιμοποιούνται για προβολείς ταινιών.
Ο σχηματισμός ενός έντονου ηλεκτρικού τόξου, όπως μια λάμψη τόξου μικρής κλίμακας, είναι η βάση των εκρηκτικών πυροκροτητών. Όταν οι επιστήμονες έμαθαν τι είναι το βολταϊκό τόξο και πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί, τα αποτελεσματικά εκρηκτικά έχουν αναπληρώσει την ποικιλία των παγκόσμιων όπλων.
Η κύρια εφαρμογή που απομένει είναι ο διακόπτης υψηλής τάσης για δίκτυα μεταφοράς. Οι σύγχρονες συσκευές χρησιμοποιούν επίσης εξαφθοριούχο θείο υψηλής πίεσης.
Συμπέρασμα
Παρά τη συχνότητα των εγκαυμάτων βολταϊκού τόξου, θεωρείται ένα πολύ χρήσιμο φυσικό φαινόμενο, που εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία, την κατασκευή και τα διακοσμητικά είδη. Έχει τη δική της αισθητική και συχνά εμφανίζεται σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας. Η ήττα του βολταϊκού τόξου δεν είναι μοιραία.
