L'arc électrique et ses caractéristiques

Arc électrique — le passage de l'électricité à travers un gaz entre deux électrodes dont l'une est une source d'électrons (cathode). Une électrode est un fil qui se termine dans n'importe quelle section d'un circuit électrique.

Les électrons émis par la cathode en grande quantité provoquent une forte ionisation du gaz entre les électrodes et permettent ainsi la circulation d'un courant important entre les électrodes.

Une caractéristique d'un arc électrique, contrairement à une décharge gazeuse classique, est qu'il peut brûler à basse tension.

L'arc électrique a été découvert par un physicien de Saint-Pétersbourg VV Petrov en 1802 et a trouvé d'importantes applications dans la technologie.

Un arc électrique est un type de décharge caractérisé par une densité de courant élevée, une température élevée, une pression de gaz élevée et une faible chute de tension à travers l'espace de l'arc. Dans ce cas, un chauffage intensif des électrodes (contacts) a lieu, sur lequel les soi-disant sont formés. Taches cathodiques et anodiques. La lueur cathodique est concentrée dans un petit point lumineux, la partie incandescente de l'électrode opposée forme le point anodique.

Trois zones peuvent être notées dans l'arc-en-ciel, qui sont très différentes dans la nature des processus qui s'y déroulent. Directement à l'électrode négative (cathode) de l'arc se trouve la région de chute de tension de la cathode. Vient ensuite le canon à arc plasma. Directement à l'électrode positive (anode) se trouve la région de chute de tension anodique. Ces régions sont représentées schématiquement sur la Fig. 1.

Riz. 1. La structure de l'arc électrique

Les tailles des régions de chute de tension cathodique et anodique sur la figure sont fortement exagérées. En réalité, leur longueur est très faible, par exemple la longueur de la chute de tension cathodique est de l'ordre du parcours de libre circulation d'un électron (inférieure à 1 micron). La longueur de la région de chute de tension de l'anode est généralement légèrement supérieure à cette valeur.

Dans des conditions normales, l'air est un bon isolant. Ainsi, la tension nécessaire pour rompre un entrefer de 1 cm est de 30 kV. Pour que l'entrefer devienne conducteur, il est nécessaire d'y créer une certaine concentration de particules chargées (électrons et ions).

Comment se produit un arc électrique

L'arc électrique, qui est un flux de particules chargées, au moment initial de la séparation des contacts se produit en raison de la présence d'électrons libres dans le gaz de l'entrefer de l'arc et des électrons émis par la surface de la cathode. Les électrons libres dans l'espace entre les contacts se déplacent à grande vitesse dans le sens de la cathode à l'anode sous l'action des forces du champ électrique.

L'intensité du champ au début de l'espace de contact peut atteindre plusieurs milliers de kilovolts par centimètre.Sous l'action des forces de ce champ, des électrons sont extraits de la surface de la cathode et se déplacent vers l'anode, en en faisant tomber des électrons, qui forment un nuage d'électrons. Le flux initial d'électrons ainsi créé forme en outre une ionisation intense de l'entrefer de l'arc.

Parallèlement aux processus d'ionisation, des processus de désionisation se produisent en parallèle et en continu dans l'arc. Les processus de déionisation consistent dans le fait que lorsque deux ions de signes différents ou un ion positif et un électron s'approchent, ils sont attirés et, en se heurtant, sont neutralisés, de plus, des particules chargées se déplacent de la zone brûlante des âmes avec plus - forte concentration de charges dans l'environnement avec une plus faible concentration de charges. Tous ces facteurs conduisent à une diminution de la température de l'arc, à son refroidissement et à sa disparition.

Riz. 2. Arc électrique

Arc après allumage

En mode de combustion stationnaire, les processus d'ionisation et de déionisation sont en équilibre.Le barillet d'arc avec une quantité égale de charges positives et négatives libres se caractérise par un degré élevé d'ionisation des gaz.

Substance dont le degré d'ionisation est proche de l'unité, c'est-à-dire dans lequel il n'y a pas d'atomes et de molécules neutres est appelé plasma.

L'arc électrique est caractérisé par les caractéristiques suivantes :

1. Une limite clairement définie entre le puits d'arc et l'environnement.

2. La haute température à l'intérieur du fourreau à arc, atteignant 6000 - 25000K.

3. Haute densité de courant et tube à arc (100 — 1000 A/mm2).

4. Petites valeurs de la chute de tension anodique et cathodique et ne dépendent pratiquement pas du courant (10 - 20 V).

Caractéristique courant-tension d'un arc électrique

La principale caractéristique d'un arc CC est la dépendance de la tension de l'arc au courant, appelée caractéristique courant-tension (VAC).

L'arc se produit entre les contacts à une certaine tension (Fig. 3), appelée tension d'allumage Uz et en fonction de la distance entre les contacts, de la température et de la pression de l'environnement et de la vitesse de séparation des contacts. Tension d'extinction d'arc Ug toujours moins de contrainte U3.

Riz. 3. Caractéristique courant-tension d'un arc CC (a) et de son circuit équivalent (b)

La courbe 1 est la caractéristique statique de l'arc, c'est-à-dire obtenu en faisant varier lentement le courant. La caractéristique a un caractère décroissant. Lorsque le courant augmente, la tension de l'arc diminue. Cela signifie que la résistance de l'intervalle d'arc diminue plus rapidement à mesure que le courant augmente.

Si, à une vitesse ou à une autre, le courant dans l'arc est réduit de I1 à zéro et fixe en même temps la chute de tension le long de l'arc, il en résultera les courbes 2 et 3. Ces courbes sont appelées caractéristiques dynamiques.

Plus le courant est réduit rapidement, plus les caractéristiques dynamiques I — V seront faibles. Cela est dû au fait qu'avec une diminution du courant, des paramètres de l'arc tels que la section transversale du canon, la température, n'ont pas le temps de changer rapidement et d'acquérir des valeurs correspondant à une valeur inférieure du courant dans un régime permanent.

Chute de tension d'écart d'arc :

Ud = Usc + EdId,

où Us = Udo + Ua — chute de tension près de l'électrode, Ed — gradient de tension longitudinal dans l'arc, ID — la longueur de l'arc.

Il découle de la formule qu'à mesure que la longueur de l'arc augmente, la chute de tension aux bornes de l'arc augmente et la caractéristique I — V se situe plus haut.

Ils traitent de la formation d'arcs dans la conception des appareils de commutation électrique. Les propriétés de l'arc électrique sont utilisées dans installations de soudage à l'arc électrique et en fours de fusion à arc.