Elektrický oblouk: příčiny a způsoby použití

Při spínání elektrických zařízení nebo přepětí v obvodu mezi živými částmi se může objevit elektrický oblouk. Může být použit pro užitečné technologické účely a zároveň může být škodlivý pro zařízení. V současné době inženýři vyvinuli řadu metod pro boj s elektrickým obloukem a jeho použití pro užitečné účely. V tomto článku se podíváme na to, jak vzniká, jaké má důsledky a rozsah.

Obsah:

Vznik oblouku, jeho struktura a vlastnosti
Proč vzniká elektrický oblouk?
Škodit a bojovat proti tomu
Užitečná aplikace

Vznik oblouku, jeho struktura a vlastnosti

Představme si, že provádíme experiment v laboratoři. Máme dva vodiče, například kovové hřebíky. Přiložíme je hrotem k sobě na krátkou vzdálenost a na hřebíky připojíme vývody nastavitelného zdroje napětí. Pokud postupně zvyšujeme napětí zdroje energie, pak při jeho určité hodnotě uvidíme jiskry, po kterých se vytvoří stálá záře podobná blesku.

Můžete tak sledovat proces jeho vzniku. Záře, která se tvoří mezi elektrodami, je plazma. Ve skutečnosti se jedná o elektrický oblouk nebo tok elektrického proudu plynným médiem mezi elektrodami. Na obrázku níže můžete vidět jeho strukturu a charakteristiku proudového napětí:

A zde jsou přibližné hodnoty teplot:

Proč vzniká elektrický oblouk?

Všechno je velmi jednoduché, o čem jsme uvažovali v článku elektrické polea také v článku o rozložení nábojů ve vodičiže pokud se do elektrického pole zavede jakékoli vodivé těleso (například ocelový hřebík), začnou se na jeho povrchu hromadit náboje. Navíc čím menší je poloměr ohybu povrchu, tím více se hromadí. Jednoduše řečeno, náboje se hromadí na špičce nehtu.

Vzduch je plyn mezi našimi elektrodami. Vlivem elektrického pole dochází k jeho ionizaci. V důsledku toho všeho vznikají podmínky pro vznik elektrického oblouku.

Napětí, při kterém oblouk vzniká, závisí na konkrétním prostředí a jeho stavu: tlaku, teplotě a dalších faktorech.

Zajímavý: podle jedné verze se tento jev nazývá tak kvůli svému tvaru. Faktem je, že v procesu spalování výboje se vzduch nebo jiný okolní plyn zahřívá a stoupá, v důsledku čehož dochází ke zkreslení přímočarého tvaru a vidíme oblouk nebo oblouk.

K zapálení oblouku je nutné buď překonat průrazné napětí média mezi elektrodami, nebo přerušit elektrický obvod. Pokud je v obvodu velká indukčnost, pak podle zákonů komutace nemůže být proud v něm okamžitě přerušen, bude dále proudit. V tomto ohledu se napětí mezi rozpojenými kontakty zvýší a oblouk bude hořet, dokud napětí nezmizí a energie nahromaděná v magnetickém poli induktoru se rozptýlí.

Zvažte podmínky vznícení a spalování:

Mezi elektrodami musí být vzduch nebo jiný plyn. K překonání průrazného napětí média je potřeba vysoké napětí v řádu desítek tisíc voltů – to závisí na vzdálenosti mezi elektrodami a dalších faktorech. K udržení hoření oblouku stačí 50-60 Voltů a proud 10 a více Ampér. Konkrétní hodnoty závisí na prostředí, tvaru elektrod a vzdálenosti mezi nimi.

Škodit a bojovat proti tomu

Zvažovali jsme příčiny výskytu elektrického oblouku, nyní pojďme zjistit, jaké škody způsobuje a jak jej uhasit. Elektrický oblouk poškozuje rozváděč. Všimli jste si, že pokud zapnete výkonný elektrický spotřebič do sítě a po chvíli vytáhnete zástrčku ze zásuvky, dojde k malému záblesku. Tento oblouk vzniká mezi kolíky zástrčky a zásuvky v důsledku přerušení elektrického obvodu.

Důležité! Při hoření elektrického oblouku se uvolňuje velké množství tepla, teplota jeho hoření dosahuje hodnot více než 3000 stupňů Celsia. Ve vysokonapěťových obvodech dosahuje délka oblouku metr nebo více. Hrozí nebezpečí poškození lidského zdraví a stavu zařízení.

Totéž se děje u spínačů světel, dalších spínacích zařízení, včetně:

automatické spínače;
magnetické startéry;
stykače a další.

V zařízeních, která se používají v sítích 0,4 kV, včetně obvyklých 220 V, se používají speciální ochranné prostředky - zhášecí komory. Jsou potřebné ke snížení škod způsobených kontaktům.

Obecně je zhášecí komora tvořena soustavou vodivých přepážek zvláštní konfigurace a tvaru, upevněných stěnami z dielektrického materiálu.

Při otevření kontaktů se vytvořené plazma ohýbá směrem ke zhášecí komoře oblouku, kde je rozděleno na malé úseky. V důsledku toho se ochladí a zhasne.

Ve vysokonapěťových sítích se používají olejové, vakuové, plynové spínače. V olejovém jističi probíhá tlumení přepínáním kontaktů v olejové lázni. Když elektrický oblouk hoří v oleji, rozkládá se na vodík a plyny. Kolem kontaktů se tvoří bublina plynu, která má tendenci unikat z komory vysokou rychlostí a oblouk se ochlazuje, protože vodík má dobrou tepelnou vodivost.

Ve vakuových vypínačích nedochází k ionizaci plynů a nejsou zde podmínky pro jiskření. Existují také vysokotlaké spínače plněné plynem. Při vzniku elektrického oblouku se v nich nezvyšuje teplota, stoupá tlak a kvůli tomu klesá ionizace plynů nebo dochází k deionizaci. Uvažuje se o perspektivní oblasti Jističe SF6.

Možné je i nulové spínání střídavého proudu.

Užitečná aplikace

Uvažovaný fenomén našel řadu užitečných aplikací, například:

Osvětlení. Například obloukové výbojky (DRL, xenonové a další typy). Pokud do elektrod přidáte soli určitých kovů, změní se barva elektrického oblouku.
Obloukové svařování. Když se elektroda dotkne kovového povrchu, protéká vysoký proud, který kov zahřívá. Když elektrodu odlomíte, proud nelze přerušit, zahřáté povrchy emitují elektrody a vznikne oblouk. Když jsou kovové povrchy, které se mají svařovat, roztaveny a samotná elektroda je roztavena, je možné spojit dvě části nebo je odříznout. Existují různé druhy svařování, například pomocí elektrod nebo plynu – oxidu uhličitého nebo argonu. Používá se univerzálně a má obrovský přínos pro bytovou a průmyslovou výstavbu.
Tavení oblouku. Elektrický oblouk závisí na elektrických parametrech zdrojů energie, je tedy možné regulovat jeho hoření. Díky vysoké teplotě je možné roztavit velké množství kovů.