Lichtbogen und seine Eigenschaften

Lichtbogen — der Durchgang von Elektrizität durch ein Gas zwischen zwei Elektroden, von denen eine eine Elektronenquelle (Kathode) ist. Eine Elektrode ist ein Draht, der in einem beliebigen Abschnitt eines Stromkreises endet.

Von der Kathode in großen Mengen emittierte Elektronen bewirken eine starke Ionisierung des Gases zwischen den Elektroden und ermöglichen so den Fluss eines großen Stroms zwischen den Elektroden.

Ein elektrischer Lichtbogen zeichnet sich im Gegensatz zu einer herkömmlichen Gasentladung dadurch aus, dass er bei niedriger Spannung brennen kann.

Der Lichtbogen wurde von einem Physiker aus St. Petersburg entdeckt V. V. Petrov im Jahr 1802 und fand wichtige Anwendungen in der Technologie.

Ein Lichtbogen ist eine Art Entladung, die durch hohe Stromdichte, hohe Temperatur, erhöhten Gasdruck und geringen Spannungsabfall über der Lichtbogenstrecke gekennzeichnet ist. Dabei kommt es zu einer intensiven Erwärmung der Elektroden (Kontakte), auf denen sich die sogenannten bilden. Kathodische und anodische Flecken. Das Kathodenglühen konzentriert sich auf einen kleinen hellen Fleck, der glühende Teil der Gegenelektrode bildet den Anodenfleck.

Im Regenbogen lassen sich drei Bereiche erkennen, die sich in der Art der in ihnen ablaufenden Prozesse sehr unterscheiden. Direkt an der negativen Elektrode (Kathode) des Lichtbogens befindet sich der Bereich des Kathodenspannungsabfalls. Als nächstes kommt der Plasmabogenzylinder. Direkt an der positiven Elektrode (Anode) befindet sich der anodische Spannungsabfallbereich. Diese Regionen sind in Abb. schematisch dargestellt. 1.

Reis. 1. Die Struktur des Lichtbogens

Die Größen der kathodischen und anodischen Spannungsabfallbereiche in der Abbildung sind stark übertrieben. In Wirklichkeit ist ihre Länge sehr klein. Beispielsweise liegt die Länge des kathodischen Spannungsabfalls in der Größenordnung der freien Bewegungsbahn eines Elektrons (weniger als 1 Mikrometer). Die Länge des Anodenspannungsabfallbereichs ist normalerweise etwas größer als dieser Wert.

Unter normalen Bedingungen ist Luft ein guter Isolator. Die zum Unterbrechen eines Luftspalts von 1 cm erforderliche Spannung beträgt also 30 kV. Damit der Luftspalt zum Leiter wird, muss in ihm eine bestimmte Konzentration geladener Teilchen (Elektronen und Ionen) erzeugt werden.

Wie ein Lichtbogen entsteht

Der Lichtbogen, bei dem es sich um einen Strom geladener Teilchen handelt, entsteht im ersten Moment der Kontakttrennung durch das Vorhandensein freier Elektronen im Gas der Lichtbogenstrecke und durch von der Kathodenoberfläche emittierte Elektronen. Die freien Elektronen im Spalt zwischen den Kontakten bewegen sich unter der Wirkung der elektrischen Feldkräfte mit hoher Geschwindigkeit in Richtung von der Kathode zur Anode.

Die Feldstärke am Anfang der Kontaktstrecke kann mehrere tausend Kilovolt pro Zentimeter erreichen.Unter der Wirkung der Kräfte dieses Feldes werden Elektronen von der Oberfläche der Kathode angezogen und bewegen sich zur Anode, wobei sie Elektronen herausschlagen, die eine Elektronenwolke bilden. Der auf diese Weise erzeugte anfängliche Elektronenfluss führt zu einer intensiven Ionisierung der Lichtbogenstrecke.

Neben Ionisationsprozessen laufen im Lichtbogen parallel und kontinuierlich Deionisationsprozesse ab. Die Prozesse der Entionisierung bestehen darin, dass, wenn sich zwei Ionen unterschiedlichen Vorzeichens oder ein positives Ion und ein Elektron einander nähern, sie angezogen und bei der Kollision neutralisiert werden, außerdem bewegen sich geladene Teilchen mit mehr aus der brennenden Zone der Seelen - hohe Ladungskonzentration in der Umgebung mit geringerer Ladungskonzentration. Alle diese Faktoren führen zu einem Temperaturabfall des Lichtbogens, zu dessen Abkühlung und zum Verschwinden.

Reis. 2. Lichtbogen

Lichtbogen nach der Zündung

Im stationären Verbrennungsmodus stehen die Prozesse Ionisation und Deionisation im Gleichgewicht. Der Lichtbogenzylinder mit einer gleichen Menge an freien positiven und negativen Ladungen zeichnet sich durch einen hohen Grad der Gasionisation aus.

Eine Substanz, deren Ionisationsgrad nahe bei Eins liegt, d. h. in dem es keine neutralen Atome und Moleküle gibt, nennt man Plasma.

Der Lichtbogen zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

1. Eine klar definierte Grenze zwischen der Lichtbogenwelle und der Umgebung.

2. Die hohe Temperatur im Lichtbogenzylinder erreicht 6000 – 25000 K.

3. Hohe Stromdichte und Lichtbogenröhre (100 – 1000 A / mm2).

4. Kleine Werte des anodischen und kathodischen Spannungsabfalls und praktisch unabhängig vom Strom (10 – 20 V).

Strom-Spannungs-Kennlinie eines Lichtbogens

Das Hauptmerkmal eines Gleichstromlichtbogens ist die Abhängigkeit der Lichtbogenspannung vom Strom, die als Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC) bezeichnet wird.

Der Lichtbogen entsteht zwischen den Kontakten bei einer bestimmten Spannung (Abb. 3), der sogenannten Zündspannung Uz und abhängig vom Abstand zwischen den Kontakten, der Temperatur und dem Druck der Umgebung sowie der Geschwindigkeit der Kontakttrennung. Lichtbogenlöschspannung Ug immer abzüglich Spannung U3.

Reis. 3. Strom-Spannungs-Kennlinie eines Gleichstromlichtbogens (a) und dessen Ersatzschaltbild (b)

Kurve 1 ist die statische Charakteristik des Lichtbogens, d.h. wird durch langsames Variieren des Stroms erreicht. Das Merkmal hat einen fallenden Charakter. Mit steigendem Strom sinkt die Lichtbogenspannung. Dies bedeutet, dass der Widerstand der Lichtbogenstrecke mit steigendem Strom schneller abnimmt.

Wenn bei der einen oder anderen Geschwindigkeit der Strom im Lichtbogen von I1 auf Null reduziert wird und gleichzeitig der Spannungsabfall entlang des Lichtbogens fixiert wird, ergeben sich die Kurven 2 und 3. Diese Kurven werden dynamische Kennlinien genannt.

Je schneller der Strom reduziert wird, desto geringer werden die dynamischen I-V-Kennlinien. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei einer Abnahme des Stroms solche Parameter des Lichtbogens wie der Querschnitt des Zylinders und die Temperatur keine Zeit haben, sich schnell zu ändern und Werte anzunehmen, die einem niedrigeren Wert des Stroms in A entsprechen Gleichgewichtszustand.

Spannungsabfall im Lichtbogenspalt:

Ud = Usc + EdId,

wobei Us = Udo + Ua – Spannungsabfall in der Nähe der Elektrode, Ed – Längsspannungsgradient im Lichtbogen, ID – die Länge des Lichtbogens.

Aus der Formel folgt, dass mit zunehmender Lichtbogenlänge der Spannungsabfall über dem Lichtbogen zunimmt und die I-V-Kennlinie höher liegt.

Sie beschäftigen sich mit Lichtbögen beim Entwurf elektrischer Schaltgeräte. Die Eigenschaften des Lichtbogens werden genutzt Anlagen zum Lichtbogenschweißen und in Lichtbogenschmelzöfen.