Электрическая дуга

·  Для защиты аппаратов и приборов от прохождения по ним слишком больших токов применяют предохранительные устройства, которые автоматически прерывают цепь тока, как только величина последнего превзойдет допустимую норму.

·  Наиболее широко распространены в домовых установках так называемые пробковые предохранители, в которых собственно пре­дохранителем — плавкой вставкой служит свинцовая проволока того или иного диаметра, выбираемого в зависимости от номиналь­ной силы тока данной установки.

·  § 26. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

· 

·  Электрическая дуга впервые была открыта В. В. Петровым в 1802 г.

·  Если к полюсам источника электрической энергии присоеди­нить угольные стержни-электроды и сблизить их, то образуется замкнутая электрическая цепь, по которой начнет протекать ток. Уголь плохо проводит электрический ток, т. е. обладает боль­шим сопротивлением, поэтому в угольных электродах при про­хождении тока выделяется значительное количество тепла.

·  В месте контакта, т. е. в точке соприкосновения угольных элек­тродов, сопротивление увеличивается. В результате сближенные кон­цы угольных стержней нагреваются до очень высокой температуры и начинают светиться.

·  Если электроды раздвинуть так, чтобы концы их не соприкаса­лись, то ток в цепи прекратится и между концами электродов по­явится сильное свечение — возникнет электрическая дуга.

·  Возникновение электрической дуги объясняется следующим. С повышением температуры угольных стержней увеличивается скорость движения электронов, находящихся в угле. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов возрастает на­столько, что при раздвижении углей электроны из стержней выле­тают в межэлектродное пространство. Наступает так называемая электронная эмиссия, т. е. выход свободных электронов из уголь­ного стержня во внешнюю среду. При повышении температуры электродов эмиссия увеличивается.

·  В воздухе свободные электроны с очень большой скоростью летят от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду). Они обладают большой энергией и, сталкиваясь с ней­тральными атомами воздуха, расщепляют их на положительно и от­рицательно заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией вследствие соударения.

·  Если энергия электронов недостаточна для ионизации нейтральных атомов, то в результате соударений электронов с нейт­ральными атомами последние начинают двигаться быстрее и нагре­вают воздух между электродами. Температура воздуха между электродами достигает несколько тысяч градусов, вследствие чего наступает другой процесс ионизации — тепловой.

·  Интенсивное излучение света нагретыми концами электродов также создает электрически заряженные частицы, т. е. происходит фотоионизация.

·  В итоге всех процессов воздух между электродами ионизируется и перестает быть электрически ней­тральным. Наличие раскаленных газов (например, углерода, выделяемого нагретыми до высокой темпе­ратуры углями) повышает электропроводность про­странства между электродами. Таким образом, между раздвинутыми электродами создается газовый проме­жуток, хорошо проводящий электрический ток — воз­никает дуговой разряд.

·  Светящийся промежуток между электродами, за­полненный ионами воздуха, электронами и парами углерода, называется столбом, а светящиеся участки поверхности концов электродов — пятнами.

·  Свободные электроны, находящиеся в пространстве между электродами, с большой скоростью направля­ются к положительному электроду, подвергая его бом­бардировке и нагревая до высокой температуры. На конце электрода, соединенного с положительным полю­сом источника энергии (на аноде), возникает раска­ленное добела анодное пятно, в центре которого находится воронкообразное углубление или «кратер».

·  Конец электрода,  соединенного  с отрицательным полюсом источника энергии (катод), имеет заостренную форму и на нем возникает небольшое светящееся катодное пятно.

·  Схема дугового разряда показана на рис. 23. Основным источ­ником света является «кратер». Световое излучение катодного пят­на не превышает 10%, а излучение столба — не более 5% от всего светового потока, создаваемого дуговым разрядом.

·  Помимо ионизации, в междуэлектродном пространстве проте­кают обратные процессы рекомбинации и нейтрализации. Электро­ны  и положительные ионы соединяются между собой, образуя нейтральные атомы. При этом выделяется энергия, которую затра­тили электроны для расщепления нейтральных частиц. Выделен­ная энергия проявляется в виде теплоты и электромагнитных ко­лебаний.

·  В процессе дугового разряда угольные электроды постепенно сгорают и вследствие химического соединения с воздухом образуют углекислый газ С02.

·  Так как электрод, соединенный с положительным зажимом источника  энергии,  сгорает  быстрее,  чем  электрод,  соединенный с отрицательным зажимом, для анода используется угольный стер­жень с большим диаметром, чем для катода.

·  В настоящее время дуговой разряд применяют для освещения в прожекторах дальнего действия и в кинопроекторах.

·  Использование электрической дуги для сварки металлов впер­вые было предложено в 1882 г. русским ученым Н. И. Бенардосом. Сущность этого способа сварки состоит в том, что один зажим источника электрической энергии присоединяется к свариваемому предмету, а второй — к угольному электроду, помещенному в ру­коятку (которую держит сварщик).

·  Электрическая дуга может образоваться не только между дву­мя угольными электродами, но и между стержнями из других про­водящих материалов.

·  Если прикоснуться угольным стержнем, соединенным с источ­ником тока, к тому месту предмета, которое желательно сварить, то между этим стержнем и предметом возникает электрическая дуга. Если погрузить в пламя дуги металлический стержень из так назы­ваемого присадочного металла, то он под действием высокой тем­пературы начнет плавиться и отдельными каплями стекать в сварочную ванночку. Расплавленный металл застывает в виде сплошного шва — валика, который скрепляет отдельные части свариваемого предмета.

·  Этот способ сварки был очень несовершенным и требовал зна­чительных улучшений. Надо было предохранить расплавленный металл шва от соприкосновения с воздухом, так как кислород, вхо­дящий в состав воздуха, попадая в шов, делал его хрупким. При сгорании угольного стержня в шов проникало излишнее количество углерода, который так же, как и кислород, делает металл хрупким. Кроме того, угольный стержень создавал очень высокую темпера­туру, вследствие чего металл перегревался и ослаблялся. Также необходимо было усовершенствовать подачу присадочного метал­ла в пламя дуги, так как сварщику было трудно долгое время удерживать металлический пруток на весу в руке.

·  В 1888 г. Н. Г. Славяновым был предложен иной, более совершен­ный способ электросварки. Чтобы избежать науглероживания и пере­грева металла, Н. Г. Славянов вместо угольного стержня применил металлический, который, создавая дугу, расплавлялся и жидкий металл служил для заполнения шва. Для защиты расплавленного металла от кислорода воздуха Н. Г. Славянов предложил посыпать место сварки толченым стеклом. Часть толченого стекла расплав­ляется и покрывает тонким слоем шлака металл шва, предохраняя его от вредного воздействия воздуха.

·  Н. Г. Славяновым был изобретен электрический плавильник, автоматически регулирующий длину дуги, которая по способу Бенардоса регулировалась вручную. Расстояние между электродами  при дуговой сварке составляет 3—10 мм.

·  В настоящее время электросварка широко применяется при сооружении каркасов промышленных и жилых зданий, гидростан­ций, судов, трубопроводов, котлов и. т. д. Она является основным способом соединения элементов металлических конструкций и почти совершенно вытеснила клепку. Электрическая дуга используется и для сварки металлов под водой. Для этого на стальной электрод носят водонепроницаемое защитное покрытие из мела, железного сурика, титановой руды, полевого шпата и жидкого стекла. При образовании дугового разряда плавится конец стального стержня. Наружное покрытие стержня, окруженное холодной водой, плавит­ся медленнее стального стержня, поэтому на конце электрода всег­да будет кольцеобразный выступ, являющийся защитным козырь­ком. Под этим козырьком под действием высокой температуры дуги образуются пары расплавленного металла, газы и пары минераль­ных веществ, входящих в покрытие, водород и кислород, являю­щиеся продуктами разложения воды. Эти вещества образуют газовый  пузырь,  защищающий  пространство  под  козырьком  от  воды.

·  Электрическая сварка, осуществляется как на постоянном, так и на переменном токе.

·  Каждое прикосновение угольного или металлического стержня к свариваемому предмету для источника электрической энергии ведет К короткому замыканию. Поэтому для питания сварочных устано­вок применяют специальные источники электрической энергии (ге­нераторы, трансформаторы), которые переносят короткие замыка­ния, не выходя из строя.

·  Тепловое действие электрической дуги используют также в электромартенах или дуговых печах, предназначенных для выплав­ки стали и цветных металлов. Дуговая печь сложена из огнеупор­ного кирпича и защищена снаружи стальным кожухом. Верхнюю ее часть (свод) снимают и через нее в рабочее пространство печи пропускают угольные или графитовые электроды. Температура между электродами в печи достигает 6000—8000°.

·  Дуговая печь позволяет очень просто регулировать температу­ру изменением величины тока. Она экономична, так как исключает потери энергии, неизбежные при передаче тепла металлу от топлива, сгорающего в обособленном помещении.