Электрическая дуга

§ 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.

Такие специальные стали, как инструментальная, нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная, выплавляют в настоящее время толь­ко в электрических печах.