Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?
Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.
Рис. 1. Грозовой разряд
На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.
Что такое электрическая дуга?
Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.
Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.
Рис. 2. Электрическая дуга
Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся отличным изолятором в обычном состоянии, вдруг становится проводником?».
Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.
Рис. 3. Физика электрической дуги
Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.
Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.
При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.
При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.
На участке, который называют дуговым промежутком, образуется ствол, называемый столбом дуги и состоящий из горячей проводимой плазмы. По этому стволу протекает ток, поддерживающий разогревание плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.
Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.
Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.
Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга – это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.
Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.
Строение
Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:
- катодной;
- анодной;
- плазменного столба.
В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.
На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.
Рис. 4. Строение сварочной дуги
Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.
Свойства
Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:
- Чрезвычайно высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
- Длительное горение, при поддержании условий образования ионов.
Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.
Полезное применение
Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.
У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.
Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях.
Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)
Рис. 5. Дуговая сварка
Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.
Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.
Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.
Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП
Причины возникновения
Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:
- наличие разнополярных электродов с большими токами;
- создание искрового разряда;
- поддержание напряжения на электродах;
- обеспечение условий для сохранения температуры ствола.
Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.
При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.
Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.
Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.
Способы гашения
Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.
С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.
Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.
Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.
Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.
Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.
Воздействие на человека и электрооборудование
Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.
Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.
Электрический разряд в газах
Электрический разряд в газах это ионный поток который разделяется на три разновидности тихий искровой и дуговой, тихий можно наблюдать при работе генератора Тесла (качер Бровина) в результате которого наблюдается шипение и движение воздуха. При повышенном напряжении генератора наблюдается искровой разряд в котором значительно более интенсивный поток ионов, он сопровождается свечением и искровыми разрядами. Дуговой разряд можно наблюдать при работе сварочного аппарата.
Что такое электрический разряд в газах
В зависимости от интенсивности ионного потока и сопутствующих ему явлений электрический разряд в газах при атмосферном или повышенном давлении разделяется на тихий, искровой и дуговой.
Тихий электрический разряд
При тихом разряде (рис., а) между электродами образуется ионный поток незначительной интенсивности. Ионы при своем движении увлекают частицы воздуха и образуют электрический ветер. Движение ионов вызывает колебания частиц воздуха, появляется характерный звук — шипение.
В темноте достаточно интенсивный тихий разряд проявляется характерным» фиолетовым свечением, которое называется короной. Более интенсивный тихий разряд образуется в местах с повышенной напряженностью электрического поля, на изгибах провода, выступах, остриях на электроде и т. п.
Тихий разряд используется, например, в настольном электро-эффлювиальном (эффлювий означает истечение) аэроионизаторе, показанном на рис., а, с частично вскрытым корпусом К. Ионный поток образуется на нескольких остриях И, находящихся под высоким отрицательным потенциалом по отношению к корпусу прибора.
Образующиеся при этом электроны и отрицательные ионы отталкиваются от острия (рис. , б), а положительные ионы притягиваются к нему и нейтрализуются. Отрицательный потенциал получается с помощью выпрямительной схемы из переменного тока осветительной сети. Отрицательный ионный поток выходит наружу через отверстия О в крышке корпуса ионизатора.
Искровой электрический разряд
При искровом разряде (см. рис., б) образуется значительно более интенсивный поток ионов, который сопровождается свечением, заметным при дневном свете, и сильным треском. Характерным является неравномерность искрового разряда, особенно если он возникает между далеко отстоящими электродами.
Температура газа в канале искры достигает нескольких тысяч градусов. Поэтому электрическая искра обладает сильным прижигающим действием, которое используется в медицине. Обычно при этом используется искра, получаемая в цепи тока высокой частоты.
Дуговой электрический разряд
Наиболее интенсивный электрический разряд в газе называется дуговым разрядом (рис. 238, в). Необходимым условием образования и устойчивости дугового разряда является наличие нагретых поверхностей у электродов. С этих поверхностей происходит эмиссия электронов, которые поддерживают мощную ударную ионизацию газа.
Электрическую дугу можно получить, например, между двумя угольными электродами. Вначале концы их приводят в соприкосновение, а затем раздвигают на расстояние нескольких миллиметров. К углям приложе но невысокое напряжение порядка 40—50 е. Ток в дуге может доходить до десятков ампер. Наиболее устойчивая дуга получается при питании постоянным током.
В этом случае электрод, являющийся катодом, дает постоянный поток электронов, поддерживающий дугу. На положительном электроде, который подвергается бомбардировке электронами, образуется углубление — кратер, температура в котором достигает 4000°С При горении дуги в атмосфере сжатого газа удается довести температуру кратера до 5900°С, что приближается к температуре поверхности Солнца.
Электрический разряд в разреженных газах Плазма
Электрический разряд в достаточно разряженном газе, происходящий между холодными электродами, называется тлеющим разрядом (между нагретыми электродами в разряженном газе образуется дуговой разряд). В основе тлеющего разряда лежит вто ричная ионизация газа. Вследствие положительного давления расстояние между частицами газа увеличивается.
Электроны и и оны между очередными столкновениями пробегают значительные расстояния и ускоряются сильнее, чем во время разряда при атмосферном давлении. Однако столкновение их с атомами и молекулами газа происходит реже, поэтому нарастание количества электронов и ионов происходит медленно и разряд не достигает высокой интенсивности. Разряд сопровождается интенсивным свечением газа.
Тлеющий разряд при различной степени разрежения газа можно наблюдать с помощью наполненной газом стеклянной трубки с двумя электродами А и К, к которым подключено постоянное напряжение в несколько тысяч вольт. Трубка соединена с отсасывающим насосом. При понижении давления газа примерно до 40 мм рт. ст. в трубке возникает разряд, проявляющийся свечением в виде узкой полоски между электродами (цвет свечения зависит от природы газа).
При дальнейшем снижении давления полоска расширяется и при давлении в 1 мм рт. ст. свечение заполняет почти всю трубку, только около катода остается незначительный темный промежуток Т называемый темным катодным пространством. Образующиеся первично в этом промежутке электроны еще не успевают приобрести скорость, необходимую для вторичной ионизации. Поэтому в нем содержится мало ионов, электрическое сопротивление его велико и на него приходится большая часть приложенного напряжения.
Это создает высокую напряженность электрического поля, которое значительно ускоряет приближающиеся к катоду положительные ионы. Ионы, ударяясь о поверхность катода, выбивают из него вторичные электроны, которые, ускоряясь при прохождении темного катодного пространства, производят затем интенсивную ионизацию по всей остальной длине трубки, образуя ярко светящийся положительный столб С.
Газ в положительном столбе содержит, наряду с нейтральными и воз бужденными атомами и молекулами, значительное количество ионов обоих знаков и электронов, а также частиц светового излучения (фотонов), испускаемого возбужденными частицами газа. Такое состояние газа называется газоразрядной плазмой.
Газоразрядная плазма с более высокими температурой и энергией частиц газа образуется также при искровом и особенно при дуговом разряде.
Плазма четвертое состояние вещества
В современной физике большое значение имеет несколько иной вид плазмы, в которую газ превращается при сверхвысоких температурах (10 6 —10 70 К). При этом скорости теплового движения частиц газа становятся столь высокими, что при столкновении их происходит массовая ионизация. В этом случае газ (или любое вещество в газообразном состоянии) состоит из высокоионизированных частиц, потерявших не только внешние, но и внутренние электроны, т. е. из ядер атомов и электронов, находящихся в сверхинтенсивном тепловом движении.
Такое состояние называется высокотемпературной плазмой. Плазма считается четвертым состоянием вещества. В природе такая плазма содержится в атмосфере солнца и горячих звезд и играет значительную роль в космических процессах. Она может быть получена искусственно с помощью специальных генераторов и используется при изучении термоядерных реакций.
mac4dream
1. Можно ли потушить свет светом? Если да, то как?
В 1801 году Юнг первым осуществил опыт по интерференции света. Сначала он разделил солнечный свет на два источника (пропустил через экран с 2 щелями), а затем 2 расширяющихся световых потока накладывались друг на друга и интерферировали. Видимая картина интерференции представляла собой чередование светлых и темных полос. Светлые полосы образуются там, где световые волны сходятся в одинаковой фазе, а темные – там, где они сходятся в противоположных фазах, т.е. наблюдается удивительная картина – свет сам себя гасит.
2. Излучают ли электромагнитные волны горящие дрова?. Не горящие дрова?
Электромагнитные волны обладают энергией. Горящие дрова — видимый свет, инфракрасное излучение.
3. Шасси автомобиля составляют замкнутый проводящий контур. Индуцируется ли в нём ток при движении автомобиля?
Ток в нем будет индуцироваться, если автомобиль будет пересекать магнитные силовые линии Земли (магнитные меридианы). Если же он будет двигаться вдоль силовых линий, то тока не будет.
4. Почему металлические проводники обладают электропроводимостью?
Химические свойства металлов обусловлены слабой связью валентных электронов с ядрами атомов: они легко образуют положительные ионы (см. ток в металлах).
5. Почему огнеопасные объекты иногда покрывают металлической заземлённой сеткой?
Сетка предназначена для защиты от опасного действия электрического тока, а в ряде случаев для использования земли в качестве проводника тока или одного из плеч несимметрического вибратора (антенны).
6. Почему в дуговом разряде для прохождения тока через газовый промежуток не требуется высокого напряжения ионизации?
Благодаря высокой температуре в электрической дуге, воздух между электродами ионизуется. Поток положительно заряженных ионов устремляется к катоду, а поток электронов – к аноду. Число электронов, испускаемых электродом очень велико, даже при атмосферном давлении.
7. Почему с улицы через оконное стекло трудно рассмотреть, что находится внутри комнаты?
Т.к. свет проходя через окно, т.е. препятствие, отражается, преломляется и частично поляризуется, т.е. сохраняется взаимное расположение лучей.
8. Влияет ли ветер на показания термометра?
Если и будет изменяться, то очень незаметно, т.к. открытой поверхности жидкости нет и испарения происходить не будет. Будет сильно изменяться только во влажном термометре.
9. По какому свойству ультрафиолетового излучения можно легко обнаружить его существование?
Ультрафиолетовые лучи обладают значимым биохимическим действием. Например, эти лучи высвечивают ткани и краски, вызывают люминесценцию (холодное свечение) ряда веществ. В затемнённом помещении под действием ультрафиолетовых лучей светятся капрон, крахмал, известь.
10. Чем отличаются ядра изотопов: .
Изотопы – это элементы, которые обладают одинаковыми химическими свойствами, но разными физическими. Ядра изотопов имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Изотопы занимают 1 клетку в периодической системе. У каждого из химических элементов есть несколько изотопов. Например, вода бывает лёгкой, тяжёлой и сверхтяжёлой.
11. Когда лёд может быть нагревателем?
Если температура нагреваемого тела меньше (до – 273) температуры льда (0).
12. Может ли световой пучок проходить прозрачные среды разной оптической плотности без преломления?
Да: 1. свет идёт из оптически более плотной в менее плотную среду и падает под углом >= предельному углу, либо преломляется в вещество откуда пришёл – полное внутреннее отражение. 2. Когда световой пучок перпендикулярен поверхности раздела 2 сред.
13. С одинаковой ли скоростью приходят к границам атмосферы Земли относительно Солнца волны красной и фиолетовой части спектра? Одинакова ли их скорость в атмосфере и любой другой среде?
Т.к. скорость света в среде зависит от его частоты, а частота у фиолетовой части спектра больше, можно предположить, что скорости будут немного разные. А в вакууме будут одинаковые 3*108.
14. Как объяснить накаливание метеоритов, влетающих в атмосферу Земли?
Это можно объяснить трением об атмосферу Земли, т.к. скорость большая они накаливаются.
15. Какое состояние атома называется возбуждённым ? Является ли оно устойчивым?
В возбужденном состоянии электроны находятся на большем расстоянии, чем в невозбужденном. Уровни энергии являются максимальными – неустойчивое состояние.
16. Можно ли наблюдать падающие звёзды на Луне?
Чтобы ответить на этот вопрос необходимо разобраться, что считают «падающей звездой» — космическое тело (метеорит), влетающее в атмосферу Земли. А на Луне вроде нет атмосферы, значит и падающих звезд наблюдать невозможно.
17. Почему вокруг Земли существует голубой небосвод, а вокруг Луны – чёрный.
Это объясняется отсутствием атмосферы на Луне. С помощью преломления, дифракции, отражения свет от Солнца окрашивает небосвод Земли в голубой цвет.
18. Почему мы не получаем ожога при прикосновении мокрым пальцем к горячему утюгу?
Потому что, когда мы прикасаемся к утюгу, количество теплоты нагретого утюга используется на то, чтобы нагреть и испарить воду с наших пальцев, но через некоторое время мы почувствуем боль.
19. Какие светильники лучше устанавливать в магазине, где продают ткани: лампы накаливания или лампы дневного света. Почему?
Лучше лампы дневного света: экономичнее и свет тканей более естественный.
20. Будет ли кипеть вода в стакане, плавающем в сосуде, где кипит вода? Почему?
Вода в стакане не закипит, т.к. энергия в основном будет идти на нагревание воды в сосуде и на испарение.
21. Громадная часть поверхности Земли покрыта водной оболочкой. Почему, несмотря на это атмосфера не насыщена водяными парами?
Водяной пар поднимается вверх, конденсируется, выпадает в виде осадков – круговорот воды. А так как атмосфера нагревается неравномерно, то это способствует общей циркуляции атмосферы.
22. Изменит ли свою форму монокристалл? Почему?
Монокристалл — отдельный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой. Свою форму он изменит при сильном воздействии внешних сил.
23. Почему говорят, что молния может находить под землёй зарытые клады?
Грозовая молния ведет себя как проводник в электрическом поле. В нижних слоях тучи накапливается положительный заряд, а на земле – отрицательный. А т.к. клад – металл, то молния будет «бить» в то место, где больше отрицательных частиц.
24. Можно ли количество теплоты, которое передаётся холодильником в тепловом двигателе использовать для теплофикации? Почему?
Теплофикация – снабжение теплом. Наверное, можно, т.к. все тепло от холодильника передается в окружающую среду.
25. Температура кипения воды в открытой посуде ниже, чем в закрытой. Почему?
Жидкость начинает кипеть при той температуре, при которой давление её насыщённых паров равно внешнему давлению. Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения, т.к. внешнее давление в закрытой посуде больше, то и температура кипения будет больше.
26. Какие виды деформаций испытывают стены зданий?
Сжатие.
27. Может ли наблюдаться явление сверхпроводимости у полупроводников? Почему?
Нет, т.к. для сверхпроводимости надо как можно больше уменьшить температуру, а в полупроводниках при таком понижении температуры сопротивление наоборот резко возрастает.
28. При выпуске сжатого газа из баллона вентиль покрывается росой. Какой это процесс?
Конденсация – процесс перехода из газообразного состояния в жидкое.
29. Какие причины вызывают образование пар электронов – дырка в полупроводнике?
Под действием тепла и света часть валентных электронов разрывают связи, становясь свободными. На месте разорванных связей незаполненное вакантное место – дырка. Валентность примеси < 4, то каждый атом примеси даёт 1 лишнее вакантное место. Между атомами осуществляется парноэлектронная связь.
30. Объясните исчезновение дыма в воздухе (явление выражается словами «дым тает в воздухе»).
Диффузия
31. Почему приборы, работающие на полупроводниках не годны в условиях резкого перепада температур?
Потому что у полупроводников при понижении температуры резко повышается сопротивление, а при понижении резко понижается.
32. Почему магнитная стрелка указывает географическое положение поля?
Намагниченная стрелка, легко вращающаяся на острие иглы, располагается вдоль линий магнитной индукции, которые выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.
33. Какого типа будет проводимость у германия, если к нему добавить небольшое количество цинка?
Будет преобладать дырочная проводимость или р-типа, т.к. валентность германия 4 а цинка 2, каждый атом примеси даёт одно лишнее вакантное место.
34. Будет ли работать в космосе радиолампа с разбитым стеклом?
да, т.к. электромагнитная волна способна распространяться в вакууме.
35. Почему все газы при нормальных условиях являются нейтральными?
Газ может стать проводником только под действием ионизатора, а в обычных условиях в нем отсутствуют заряженные частички.
36. Могут ли при диссоциации образовываться ионы одного какого-нибудь знака? Почему?
Нет, потому что атом при диссоциации может распадаться только на противоположные ионы, т.к. в сумме он электронейтрален.
37. Можно ли включить трансформатор в цепь постоянного тока?
Нет, т.к. только в цепях переменного тока можно изменять напряжение в самых широких пределах без существенных потерь мощности.
38. При ремонте дороги асфальт разогревается. Почему запах разогретого асфальта ощущается издалека?
При повышении температуры увеличивается кинетическая энергия, следовательно, скорость молекул тоже увеличивается. Диффузия.
39. Сквозь отверстие катушки падает магнит. С одинаковым ли ускорением он движется при замкнутой и разомкнутой обмотках катушки?
Нет, с разным. В замкнутой обмотке катушки при падении магнита возникают вихревые токи. Согласно правилу Ленца магнитное поле этих токов препятствует падению магнита. Тормозящая сила возрастает с увеличением скорости падения. Ускорение магнита постепенно уменьшается, и в конце концов (если катушка достаточно длинная) движение магнита станет практически равномерным.
40. Почему сопротивление электролитов уменьшается с повышение температуры?
При повышении температуры взаимодействие ионов в молекуле ослабевает, а сопротивление уменьшается.
41. Можно ли слышать на Земле звук извержения вулкана, происходящего на Луне?
Нет, т.к. звук должен пройти слишком большое расстояние, даже если ему это удается, его частота будет слишком мала для улавливания его нашими органами слуха. Для этого применяют специальные приборы, увеличивающие сигнал– радиотелескопы.
42. Почему вокруг электролита нет электрического поля, хотя внутри него имеются ионы.
Электрическое поле создается только электрическими неподвижными зарядами.
43. Какова причина помех радиоприёму от проходящего вблизи трамвая?
Всякое электрическое (электромагнитное) воздействие на цепи радиоприемника, не связанное с полезным сигналом и его искажающее. Различают помехи радиоприему космические, атмосферные, индустриальные, от других радиостанций, внутренние шумы приемника и др.
44. Заряженный медный и стальной шары одинакового радиуса приводят в соприкосновение. Как распределятся их заряды?
Т.к. алгебраическая сумма зарядов по закону сохранения зарядов неизменна, то заряд распределится равномерно.
Электрическая дуга
Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.
Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.
С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.
Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.
Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.
В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и «выбивают» из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.
Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.
Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.
Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).
Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).
В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).
При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.
Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.
Строение дуги
Lк — катодная область; Lа — анодная область (Lа = Lк = 10 -5 -10 -3 см); Lст — столб дуги; Lд — длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст
К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).
Влияние на дугу магнитных полей
При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:
— столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения;
— дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
— изменяется звук горения дуги — появляются хлопки.
Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.
Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.
В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.
Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.
Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.
Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:
— выполнением сварки короткой дугой;
— наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
— подведением токоподвода ближе к дуге.
Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.