Мы уже имели случай указывать выше (см. § 81), что при достаточной мощности генератора, питающего цепь, и при достаточно малом общем сопротивлении цепи — разряд через газообразную среду между двумя какими-либо электродами может завершаться переходом в стадию вольтовой дуги, характеризуемую, сильным излучением электронов из некоторой части поверхности отрицательного электрода, т. е. катода, причем для создания условий возникновения вольтовой дуги эта часть поверхности катода должна быть нагрета до температуры достаточно высокой для того, чтобы от нее начали обильно отделяться электроны. Способ, каким именно будет достигнуто указанное нагревание, т. е. активирование соответствующей части поверхности катода, не имеет существенного значения. Это можно получить, например, подогревая катод от какого-либо совершенно постороннего источника энергии, хотя бы при помощи некоторого пламени. Практически мы обычно возбуждаем вольтову дугу, просто раздвигая предварительно доведенные до соприкосновения электроды. Благодаря сравнительно большому сопротивлению контакта, особенно в момент разведения электродов, место контакта сильно нагревается джоулевым теплом. Таким образом, создаются условия для необходимого активирования катода к моменту полного отделения электродов друг от друга, и вольтова дуга сразу возникает, минуя все другие возможные стадии разряда. В дальнейшем активироваиие катода может поддерживаться за счет электрической энергии, расходуемой в объеме вольтовой дуги. Общий вид вольтовой дуги, впервые полученной профессором В. Петровым в 1802 г., имеет совершенно своеобразный характер. 281 В виде примера на схематическом рис. 136 представлена вольтова дуга между угольными электродами, обычно применяемыми при использовании вольтовой дуги для осветительных целей. При этом взят случай вольтовой дуги, питаемой постоянным током, и форма концов угольных электродов изображена применительно к тому, что получается при открытой вольтовой дуге в воздухе после достижения установившегося режима, когда угли успеют уже соответствующим образом обгореть. Как это показано на рисунке, отрицательный угольный стержень приобретает несколько заостренную •форму, и активный участок его поверхности, испускающий мощный поток электронов, лежит на самом конце (С). Положительный же угольный стержень сравнительно сильно затуплен на конце, который в общем получает форму усеченного конуса. Тупой конец (K) этого конуса обычно несколько вогнут и носит название кратера вольтовой дуги. На него именно опирается вольтова дуга (D). Поверхности кратера и активного конца катода накалены добела, сама же дуга в случае чистых сплошных углей имеет фиолетовую окраску. Вольтова дуга D и концы углей С и К окружены более или менее развитой газообразной оболочкой В, имеющей зеленоватый оттенок во внутренних частях у границы с вольтовой дугой и желтоватый оттенок снаружи. Мощный поток электронов, образующих собственно вольтову дугу, занимает объем D. Как показывают исследования Виолля, Россетти и других, температура поверхности кратера угольного анода достигает 3500° — 3900°C, температура же активного участка поверхности угольного катода несколько ниже и лежит в пределах от 2700° до 3150° С. В связи с этим главная часть светового потока, излучаемого вольтовой дугой, приходится на долю кратера. Что же касается самой вольтовой дуги, то температура ее достигает 4800°С, но обычно она -излучает ничтожную долю общего светового потока, вследствие сравнительно слабого свечения газов. Температура оболочки В значительно ниже. Эта оболочка состоит из сгорающих паров и частиц угля и из образующихся под влиянием высокой температуры продуктов горения воздуха, как такового, т. е. из окислов азота, в смеси, конечно, с остатками азота и кислорода, а также с окисью углерода и углекислотой. При сплошных углях вольтова дуга горит не вполне покойно и очень легко начинает шипеть в связи с возникновением быстрых перемещений дуги по поверхности анода, как это показали опыты Герты Айртон. Для придания дуге большей устойчивости, что необходимо для повышения температуры испускающего свет кратера, обычно снабжают положительный уголь так называемым фитилем: в цилиндрический канал около 0,15 диаметра угля запрессовывается смесь из угольного порошка с растворимым калийным стеклом. Для повышения световой отдачи самой вольтовой дуги Блондель предложил применять более толстый фитиль (около 0,6 диаметра угля), состоящий из смеси угля с солями бария, стронция, алюминия и с фтористым кальцием. Получается таким образом пламенная вольтова дуга. Ввиду более высокой температуры конца положительного угля по сравнению 282 с концом отрицательного угля, при доступе воздуха первый сгорает быстрее второго. Вследствие этого обычно применяют угли разных диаметров: более толстый положительный и более тонкий отрицательный. При питании же вольтовой дуги переменным током температурные условия обоих углей в среднем выравниваются, будучи различны в течение отдельных полупериодов. Угли в этом случае сгорают в общем одинаково и их берут одинакового диаметра. Вместе с тем, при переменном токе оба угля на концах принимают при установившемся режиме одну и ту же форму усеченного конуса. При затрудненном доступе воздуха, что иногда применяли для уменьшения скорости сгорания углей, концы обоих угольных электродов приобретают притупленную форму даже в случаях питания постоянным током. Катодное пятно, т. е. активное место на поверхности катода, при атом медленно переходит с места на место. Ясно, конечно, что, благодаря очень высокой температура поверхности кратера дуги, вещество положительного электрода может испаряться. Результатом этого бывает при очень короткой вольтовой дуге, даже открыто горящей в воздухе (рис. 136), появление в форме графита характерных наростов (грибков) на конце катода, где, благодаря сравнительно низкой температуре, конденсируются пары углерода, отделяющиеся с поверхности кратера и не успевающие сгореть вследствие достаточной, при короткой дуге, защиты со стороны окружающей дугу D оболочки В. Что в явлении вольтовой дуги мы встречаемся действительно с потоком электронов, исходящих из накаленного активного конца отрицательного электрода, — это установлено на основании целого ряда опытных исследований. Принципиальная необходимость высокой температуры катода, а также второстепенное значение температуры анода дуги отчетливо выявляется, например, в следующем опыте автора настоящей книги, схематически изображенном на рис. 137. Если между вертикальным углем А, соединенным с плюсом, и углем В, который может перемещаться по изолированному стержню С и B верхнем своем положении соединяется с минусом, 283 образуется вольтова дуга, то при падении угля В дуга прекратится и снова восстановится в положении Е, в котором уголь В снова соединяется с минусом, если только уголь В за время падения не успеет охладиться. Если же уголь А соединить с минусом, а пластины D и Е—с плюсом, то дуга, зажженная в верхнем положении, ни в коем случае не загорится в нижнем, при холодном катоде. Из подобного рода опытов с полною очевидностью следует, что высокая температура катода является основным условием возникновения вольтовой дуги. .Температура же анода не играет существенного значения, и в частных случаях анод может быть и холодным, если создать для этого соответствующую обстановку. Вопрос о природе основных носителей тока в вольтовой дуге был решен автором настоящей книги путем определения отношения заряда к массе этих носителей (ср. § 79). Допуская, что весь ток в дуге связан с движением отрицательно заряженных элементов вещества, отделяющихся от катода (допущение это, как показывают исследования и расчеты, с достаточною степенью приближения справедливо), можем написать: I=Ne, где I есть сила тока, питающего дугу, N—число отрицательных ионов, проходящих в одну секунду через любое поперечное сечение дуги, и е— заряд иона. Далее, если m есть масса каждого отрицательного иона, v — его скорость, приобретенная за время движения от катода к аноду, и Р—электрическая мощность расходуемая в дуге, то должно существовать такое соотношение: P=1/2Nmv2. Наконец, обозначая через F силу давления дуги на поверхность анода, можем написать соотношение, выражающее, что эта сила равна количеству движения, теряемому в одну секунду отрицательными ионами, ударяющимися о поверхность анода, т. е.: F = Nmv, Из этих трех соотношений получаем: e/m=2PI/F2 v=2P/E. После определения различными способами силы действительно существующего давления вольтовой дуги на поверхность анода, а также измерения всех других необходимых величин, было получено: e/m=около107 в абс. эл.-маг. единицах, v=около 2•108 сантиметров в секунду. 284 Сравнивая полученную величину отношения заряда к массе с тем, что было раньше установлено Дж. Дж. Томсоном для электрона, мы должны притти к заключению, что отрицательно заряженные носители тока в вольтовой дуге представляют собою не что иное, как электроны. Что же касается сравнительно небольшой скорости движения электронов дуге, то это объясняется небольшою величиною разности потенциалов между электродами дуги. В вышеописанных опытах она колебалась от 20 до 50 вольт. Вышеприведенные рассуждения не учитывали наличия положительных и отрицательных ионов, несомненно образующихся в газе на пути вольтовой дуги. На долю этих ионов приходится сравнительно малая часть полного тока, протекающего через вольтову дугу. Но тем не менее они известную роль играют. В частности, бомбардировка положительными ионами поверхности катода является одним из факторов, поддерживающих высокую температуру его и активирующих его. Несомненно, однако, что обычно при вольтовой дуге, горящей в воздухе при атмосферном давлении, значительнейшая часть тепла, необходимого для нагревания катода дуги, получается за счет притока тепла от нагретых до высокой температуры газов на пути дуги, и в случае раскаленного анода—путем тепловых излучений с поверхности кратера. Напряжение между электродами вольтовой дуги, как показывает опыт, зависит от силы тока в дуге, от ее длины, от вещества электродов, от давления газообразной среды и т. д. Первое соотношение этого рода было сформулировано Фрёлихом, который установил его для спокойно горящей вольтовой дуги на основании опытов Эдлунда, следующим образом: U=a+bl, где U—есть напряжение между электродами дуги, l — длина дуги, а и b—некоторые постоянные коэффициенты. Для случая постоянного тока и сплошных угольных электродов, в пределах сил токов от 10 до 100 амперов, Фрёлих дал следующее численное соотношение: U=39+l,8l, где / выражение в миллиметрах. Формула Фрёлиха грубо соответствует результатам опыта. Более точное соотношение предложила Герта Айртон: Формула Герты Айртон в частных случаях принимает следующий вид (при постоянном токе). Чистый уголь в воздухе: 285 Медные электроды в воздухе: Железные электроды в воздухе: При питании вольтовой дуги переменным током форма кривой напряжения между электродами дуги получается довольно сложная (см. ниже). А. М. Залесский, исследовавший вольтову дугу переменного тока, дал следующие числовые зависимости, характеризующие напряжение Uc, соответствующее максимальному значению силы тока (Im) при частоте в 50 периодов в секунду: Медные электроды в воздухе: Железные электроды в воздухе: Алюминиевые электроды в воздухе: Во всех вышеприведенных формулах длина дуги выражена в миллиметрах. Штейнметц предложил соотношение: Наконец, Ноттингем дал формулу: где показатель степени n зависит от вещества электродов и пропорционален абсолютной температуре его плавления (для металлов) или испарения (для угольных электродов). Все эти соотношения следует рассматривать как чисто эмпирические.. Из вышеприведенных зависимостей следует, что напряжение между электродами вольтовой дуги при данной длине ее и при спокойно горящей дуге уменьшается по мере увеличения силы тока, т. е. мы встречаемся с так называемой падающей характеристикой в отличие от характеристик обычных сопротивлений, напряжение на зажимах которых растет по мере увеличения силы 286 тока. Таким образом, та часть цепи тока, которая состоит из вольтовой дуги, не подчиняется закону Ома. На рис. 138 приведены в виде примера статические характеристики вольтовой дуги, построенные Гертой Айртон для вольтовой дуги постоянного тока между сплошными угольными электродами: положительным в 11 мм и отрицательным в 9 мм диаметром. Разрывы в сплошных кривых. при переходе к более сильным токам соответствуют нарушению спокойного режима вольтовой дуги (левая часть рисунка) и наступлению режима шипящей вольтовой дуги (правая часть рисунка). Ряд приведенных кривых относится к различным длинам дуги от 1 мм (нижняя кривая) до 7 мм (верхняя кривая). В отличие от статических характеристик, соответствующих спокойному горению дуги при постоянном токе, характеристики дуги в координатах I и U при переменном токе называются динамическими. Эти последние имеют сложную форму в связи, между прочим, с тем обстоятельством, что напряжение между электродами дуги при быстрых изменениях тока зависит не только от силы тока в данный момент, но и от предыдущей истории дуги. Когда сила тока возрастает, то напряжение для данной силы тока, вообще говоря, больше, чем при убывании тока. На рис. 139 приведен пример динамической характеристики вольтовой дуги (при переменном токе с частотою в 50 периодов в секунду). Что касается кривых тока и напряжения между электродами вольтовой дуги, как функции времени при переменном токе, то ясно, что особенности процессов, происходящих в дуге, должны вызвать осложнения в форме соответствующих кривых. При этом степень искажения кривой тока будет в значительной степени определяться сравнительной величиной основной электродвижущей силы, генерирующей переменный ток; чем она меньше, тем сильнее искажается кривая силы тока. На рис. 140 представлена в виде примера осцилограмма 287 силы тока (I) и напряжения (U) между сплошными угольными электродами при питании вольтовой дуги от цепи переменного тока с частотою в 50 периодов в секунду, при неиндуктивном добавочном сопротивлении в цепи и при действующей напряжении между главными зажимами, равном 110 вольтам. Как видно из рис. 138, характеристика спокойно горящей вольтовой дуги является падающей, т. е. мы имеем: dU/dI<0. в отличие от обычного сопротивления, для которого всегда бывает: R=dU'/dI>0. В связи с этим иногда говорят об „отрицательном" сопротивлении вольтовой дуги (динамическом). Процесс электрического тока в некоторой цепи может быть устойчивым только тогда, когда суммарное сопротивление цепи будет иметь положительное значение. Поэтому именно для достижения устойчивого горения вольтовой дуги последовательно с нею в цепи необходимо добавочное сопротивление и притом такое, чтобы удовлетворялось соотношение: Что данное условие действительно должно удовлетворяться для получения устойчивого горения дуги, это можно показать следующими рассуждениями. Представим себе (рис. 141) кривую АСВ, изображающую собою падающую характеристику вольтовой дуги. Пусть U0 есть постоянное напряжение между главными зажимами цепи. Допустим, что в некоторый момент времени напряжение между 288 электродами дуги есть U и сила тока в дуге есть I. Ясно, что всегда должно удовлетворяться уравнение: где R есть омическое сопротивление цепи, a L — ее коэффициент самоиндукции. Допустим далее, что ток в дуге по той или иной причине получил очень малое, но конечное приращение т). Мы можем в связи с этим написать, пренебрегая малыми высших порядков: Вычитая из этого написанное выше уравнение, получим: откуда после интегрирования имеем: где 0 есть значение при t=0, а —основание натуральных логарифмов. В зависимости от значения показателя степени полученное приращение силы тока будет с течением времени либо возрастать (неустойчивый режим дуги), либо убывать (устойчивый режим дуги). Чтобы стремилось уменьшаться, необходимо иметь: в противном же случае будет стремиться непрерывно возрастать по абсолютной величине. Итак, при вольтова дуга может гореть устойчиво, а при вольтова дуга будет неустойчива. Если через точку на оси ординат, соответствующую заданному постоянному напряжению U0, провести (рис. 141) некоторую прямую АВ под углом а к горизонтальной оси, то не трудно видеть, что должно существовать соотношение: tg=R. Одним словом, эта прямая может рассматриваться как надлежащим образом расположенная характеристика добавочного сопротивления, включенного последовательно с вольтовой дугой. При этом 289 напряжение U между электродами дуги, сложенное с падением напряжения в сопротивлении R, должно быть равно постоянному напряжению U0. Точка А соответствует неустойчивому режиму дуги, так как для нее, как это следует из рис. 141, Точка же В соответствует устойчивому режиму дуги, так как для этой точки мы имеем В заключение настоящего параграфа коснемся главнейших технических применений вольтовой дуги. Применение ее для целей электрического освещения является наиболее старым. В настоящее время усовершенствования в области ламп накаливания в значительной степени вытеснили дуговые лампы в обычной осветительной практике. Вольтова дуга удерживается еще только в тех случаях, когда требуется источник света с очень концентрированной излучающей поверхностью, как, например, в прожекторах и т. п., а также, когда имеет особое значение состав испускаемого лампой света (в фототехнике). В металлургии вольтова дуга играет большую роль как средство получения высокой температуры, необходимой для различных металлургических процессов. Существуют, например, дуговые электрические печи для варки стали, потребляющие в дуге очень большую мощность, измеряемую тысячами киловаттов при токе в десятки тысяч амперов. Дуговые печи приме- 290 няются также при производстве кальция-карбида. Во всех подобных печах применяются гигантские угольные электроды большого сечения, достигающего десятков кв. дециметров. Известны применения вольтовой дуги в химической промышленности для фиксации атмосферного азота. Для этой цели воздух пропускают через камеру, в которой горит вольтова дуга большой длины, при мощности, достигающей иногда тысяч киловаттов. Благодаря высокой температуре пламени вольтовой дуги, воздух горит с образованием окислов азота, улавливаемых в дальнейших операциях различными способами и дающих в конечном результате азотную кислоту, кальциевую селитру и другие нитросоединения. Упомянем далее об использовании вольтовой дуги для целей весьма распространенной в последнее время электросварки, основные методы которой были даны русскими изобретателями Бенардосом и Славяновым. Необходимо еще отметить применение вольтовой дуги для целей получения электрических колебаний. При помощи именно вольтовой дуги были осуществлены первые радиогенераторные устройства с незатухающими колебаниями. Возможность возбуждения электрических колебаний в этом случае обусловливается наличием падающей характеристики вольтовой дуги, т. е. так называемым „отрицательным" сопротивлением ее. В связи с этим, присоединяя к электродам вольтовой дуги ветвь, содержащую самоиндукцию и емкость некоторого конденсатора, можно, как показал впервые Дудделл, получить в этой ветви колебательный режим тока, причем этот переменный ток замыкается через вольтову дугу и имеет частоту, зависящую от соотношения между самоиндукцией и емкостью. Укажем, наконец, что вольтова дуга широко применяется для выпрямления переменного тока в постоянный. Этому специальному вопросу мы посвящаем следующий параграф. studfiles.net Вольтова дуга - Если к полюсам сильной электрической батареи или другого источника электрического тока проволоками присоединить две угольные палочки и, приведя угли в соприкосновение, слегка раздвинуть их, то между концами углей образуется овальная масса яркого пламени, а самые концы углей накаливаются добела и испускают ослепительный голубоватый свет. Получается так называемая вольтова дуга. Сущность этого явления объясняется следующим образом. При раздвигании углей в момент разрыва цепи в ней от самоиндукции ее частей получается экстраток того же направления, как и ток от батареи. Этот суммарный ток обладает такой электровозбудительной силой, что пробивает малое расстояние между концами углей в начале их раздвигания и обращает небольшое количество угля в пары, которые, хотя и плохо, но проводят электричество и таким образом цепь с углями, раздвинутыми во время прохождения тока, не прерывается. Благодаря плохой проводимости, эти пары быстро накаляются и накаляют воздух на пути тока, а газы и пары или плохо, или вовсе не проводящие электричества при обыкновенных температурах, становятся посредственными проводниками при температурах высоких. Это свойство позволяет раздвигать угли на довольно значительное расстояние, после образования дуги, не разрывая цепи. Если вместо угольных электродов брать металлические, то при тех же условиях происходит то же самое явление В. дуги, только свет получается не столь яркий, как при употреблении углей, вследствие того, что металлы испаряются легче, чем уголь, и все явление происходит при более низких температурах; цвет дуги также зависит от вещества электродов: медные дают зеленую дугу, железные - красную и ртутные - белую. Прибавлением металлов в уголь можно несколько менять окраску дуги. Угольные электроды вольтовой дуги принимают особую характерную форму. Анод - положительный электрод, т. е. тот, который соединен с положительным полюсом батареи и из которого ток направляется в дугу и затем в катод (отрицательный), вследствие испарения, а также сгорания, если дуга не разобщена с воздухом, а также вследствие переноса частиц угля на катод, образует на конце выемку вроде чашки, а катод принимает заостренную форму. Приготовление электродов из разных сортов угля или из угля и металлов позволило обнаружить этот перенос частиц с анода на катод, а также, хотя и в меньшем количестве, обратный перенос с катода на анод. При вертикальном расположении углей, с анодом наверху, сила тяжести способствует этому переносу частиц с анода на катод и потому это положение дуги наилучшее. Пары угля разбрасываются от электродов во все стороны, и если дуга заключена в стеклянный сосуд, то легко заметить, что стенки его покрываются налетом угольной пыли, в которую обращаются угольные пары при охлаждении. Вследствие разбрасывания в стороны паров угля и горения, если дуга не защищена от доступа воздуха, угли постепенно расходуются и анод почти вдвое больше катода. Яркое свечение вольтовой дуги обуславливается весьма высокой ее температурой, доходящей, по измерениям Розетти, до 4800° Ц. В ней плавятся даже такие тугоплавкие тела, как кремень и алмаз, и легко обращаются в пары золото и платина. Металлические электроды сами плавятся. Посторонние примеси к углю понижают и температуру, и яркость. Температура дуги выше температуры углей; однако, концы углей испускают гораздо больше света, чем сама дуга, так как лучеиспускательная способность у твердых тел больше, чем у газов. Наибольшей яркостью обладает выемка анода. Как у всякого раскаленного тела, спектр углей сплошной (непрерывный) и с богатым содержанием ультрафиолетовых, химических, большой преломляемости лучей. В спектре дуги получаются линии углерода и металлов, попадающих примесью в угольные электроды. Разность потенциалов углей для поддержания В. дуги может быть выражена линейной формулой относительно длины дуги e=a+bl, где b - некоторая постоянная величина, от 3 до 5 вольт, l - длина дуги в миллиметрах, так что bl представляет величину падения потенциала вдоль дуги. По объяснению Эдлунда и многих других a есть величина гальванической поляризации дуги, т. е. величина новой электровозбудительной силы, противоположной по направлению первоначальной. Уппенборн нашел поляризацию анода и дуги равною 32,5, дуги и катода 5,5 и всего а=38 вольт. Для получения и поддержания В. дуги достаточной силы необходимо иметь в распоряжении электровозбудительную силу в 40-50 вольт при силе тока не менее 5-10 ампер. Допускают и другие причины явления, не подтверждающие объяснения Эдлунда, а именно: принимают особое сопротивление при переходе тока из углей в пары и обратно. В настоящее время для питания Вольтовой дуги током употребляются исключительно динамо-машины и аккумуляторы. Вольтова дуга может получаться и при непрерывном изменении знака разности потенциалов между углями, т. е. от действия динамо-машины, дающей переменный ток. В этом случае, понятно, тот и другой стержень попеременно делаются положительным и отрицательным. Необходимая разность потенциалов в этом случае меньше, чем при употреблении тока постоянного направления. На практике, для электрического освещения, употребляются для образования вольтовой дуги стержни из кокса, получающегося в ретортах после добывания светильного газа из каменного угля, или же в настоящее время по преимуществу употребляются искусственные стержни, приготовляемые прессованием порошка костяного угля, графита или сажи вместе с другими, связывающими массу веществами. Подобные искусственные угли получаются более однородные и дают лучший свет. Для обыкновенных целей освещения употребляются положительные (анод) стержни диаметром от 8 до 18 мм. Отрицательные (катод) стержни берутся тоньше. Положительный стержень располагается вверху, отрицательный внизу - для того, чтобы можно было удобнее пользоваться лучами света, исходящими из углубления в положительном угле. Длина дуги, т. е. расстояние между углями, поддерживаемое постоянным действием особых механизмов в лампах (см. Лампы электрические и Регуляторы), обыкновенно не превышает 5 мм. Сила тока, проходящего через В. дугу, изменяется в зависимости от диаметра стержней. Для положительных стержней от 8 до 12 мм диаметром она колеблется между 4 и 25 амперами. Обыкновенные уличные лампы, в которых толщина положительного стержня около 10 мм, требуют 8 ампер и 42 вольт разности потенциалов. Для маяков и военных целей употребляются стержни более толстые; в этом случае и длина дуги берется большая и, следовательно, требуется большая разность потенциалов. В металлургии в недавнее время воспользовались высокой температурой В. дуги для плавки металлов с целью сварки отдельных частей, паяния, заливания трещин и раковин, отливки и приготовления сплавов (см. Паяние электрическое). Как сильный источник света, весьма богатый химическими лучами большой преломляемости, вольтова дуга служит весьма ценным средством во многих научных работах. Этот самый могущественный из всех искусственных источников света и тепла обладает еще и живительной силой. Опыты В. Сименса показали, что электрический свет способствует всхожести и образованию хлорофилла в листьях растений и таким образом до некоторой степени заменяет для них солнце. Мнение, распространенное в научной литературе, приписывает честь открытия Вольтовой дуги сэру Гумфри Дэви и относит это событие к 1809 году. В русской литературе существует очень редкое и мало кому известное сочинение под заглавием: "Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков". Автор его, первый преподаватель физики в военно-медицинской академии, впоследствии заслуженный ординарный профессор и академик Василий Владимирович Петров, подробно описывает свой опыт, произведенный в 1802 г. Соединив с полюсами своего вольтова столба куски древесного угля, он наблюдал В. дугу до 7 миллиметров длиной в виде яркого, ослепительного белого огня с расходящимися лучами. www.wikiznanie.ru Если к полюсам сильной электрической батареи или другого источника электрического тока проволоками присоединить две угольные палочки и, приведя угли в соприкосновение, слегка раздвинуть их, то между концами углей образуется овальная масса яркого пламени, а самые концы углей накаливаются добела и испускают ослепительный голубоватый свет. Получается так называемая вольтова дуга. Сущность этого явления объясняется следующим образом. При раздвигании углей в момент разрыва цепи в ней от самоиндукции ее частей получается экстраток того же направления, как и ток от батареи. Этот суммарный ток обладает такой электровозбудительной силой, что пробивает малое расстояние между концами углей в начале их раздвигания и обращает небольшое количество угля в пары, которые, хотя и плохо, но проводят электричество и таким образом цепь с углями, раздвинутыми во время прохождения тока, не прерывается. Благодаря плохой проводимости, эти пары быстро накаляются и накаляют воздух на пути тока, а газы и пары или плохо, или вовсе не проводящие электричества при обыкновенных температурах, становятся посредственными проводниками при температурах высоких. Это свойство позволяет раздвигать угли на довольно значительное расстояние, после образования дуги, не разрывая цепи. Если вместо угольных электродов брать металлические, то при тех же условиях происходит то же самое явление В. дуги, только свет получается не столь яркий, как при употреблении углей, вследствие того, что металлы испаряются легче, чем уголь, и все явление происходит при более низких температурах; цвет дуги также зависит от вещества электродов: медные дают зеленую дугу, железные — красную и ртутные — белую. Прибавлением металлов в уголь можно несколько менять окраску дуги. Угольные электроды вольтовой дуги принимают особую характерную форму. Анод — положительный электрод, т. е. тот, который соединен с положительным полюсом батареи и из которого ток направляется в дугу и затем в катод (отрицательный), вследствие испарения, а также сгорания, если дуга не разобщена с воздухом, а также вследствие переноса частиц угля на катод, образует на конце выемку вроде чашки, а катод принимает заостренную форму.
Приготовление электродов из разных сортов угля или из угля и металлов позволило обнаружить этот перенос частиц с анода на катод, а также, хотя и в меньшем количестве, обратный перенос с катода на анод. При вертикальном расположении углей, с анодом наверху, сила тяжести способствует этому переносу частиц с анода на катод и потому это положение дуги наилучшее. Пары угля разбрасываются от электродов во все стороны, и если дуга заключена в стеклянный сосуд, то легко заметить, что стенки его покрываются налетом угольной пыли, в которую обращаются угольные пары при охлаждении. Вследствие разбрасывания в стороны паров угля и горения, если дуга не защищена от доступа воздуха, угли постепенно расходуются и анод почти вдвое больше катода. Яркое свечение вольтовой дуги обуславливается весьма высокой ее температурой, доходящей, по измерениям Розетти, до 4800° Ц. В ней плавятся даже такие тугоплавкие тела, как кремень и алмаз, и легко обращаются в пары золото и платина. Металлические электроды сами плавятся. Посторонние примеси к углю понижают и температуру, и яркость. Температура дуги выше температуры углей; однако, концы углей испускают гораздо больше света, чем сама дуга, так как лучеиспускательная способность у твердых тел больше, чем у газов. Наибольшей яркостью обладает выемка анода. Как у всякого раскаленного тела, спектр углей сплошной (непрерывный) и с богатым содержанием ультрафиолетовых, химических, большой преломляемости лучей. В спектре дуги получаются линии углерода и металлов, попадающих примесью в угольные электроды. Разность потенциалов углей для поддержания В. дуги может быть выражена линейной формулой относительно длины дуги e=a+bl, где b — некоторая постоянная величина, от 3 до 5 вольт, l - длина дуги в миллиметрах, так что bl представляет величину падения потенциала вдоль дуги. По объяснению Эдлунда и многих других a есть величина гальванической поляризации дуги, т. е. величина новой электровозбудительной силы, противоположной по направлению первоначальной. Уппенборн нашел поляризацию анода и дуги равною 32,5, дуги и катода 5,5 и всего а=38 вольт. Для получения и поддержания В. дуги достаточной силы необходимо иметь в распоряжении электровозбудительную силу в 40-50 вольт при силе тока не менее 5-10 ампер. Допускают и другие причины явления, не подтверждающие объяснения Эдлунда, а именно: принимают особое сопротивление при переходе тока из углей в пары и обратно. В настоящее время для питания Вольтовой дуги током употребляются исключительно динамо-машины и аккумуляторы. Вольтова дуга может получаться и при непрерывном изменении знака разности потенциалов между углями, т. е. от действия динамо-машины, дающей переменный ток. В этом случае, понятно, тот и другой стержень попеременно делаются положительным и отрицательным. Необходимая разность потенциалов в этом случае меньше, чем при употреблении тока постоянного направления. На практике, для электрического освещения, употребляются для образования вольтовой дуги стержни из кокса, получающегося в ретортах после добывания светильного газа из каменного угля, или же в настоящее время по преимуществу употребляются искусственные стержни, приготовляемые прессованием порошка костяного угля, графита или сажи вместе с другими, связывающими массу веществами. Подобные искусственные угли получаются более однородные и дают лучший свет. Для обыкновенных целей освещения употребляются положительные (анод) стержни диаметром от 8 до 18 мм. Отрицательные (катод) стержни берутся тоньше. Положительный стержень располагается вверху, отрицательный внизу — для того, чтобы можно было удобнее пользоваться лучами света, исходящими из углубления в положительном угле. Длина дуги, т. е. расстояние между углями, поддерживаемое постоянным действием особых механизмов в лампах (см. Лампы электрические и Регуляторы), обыкновенно не превышает 5 мм. Сила тока, проходящего через В. дугу, изменяется в зависимости от диаметра стержней. Для положительных стержней от 8 до 12 мм диаметром она колеблется между 4 и 25 амперами. Обыкновенные уличные лампы, в которых толщина положительного стержня около 10 мм, требуют 8 ампер и 42 вольт разности потенциалов. Для маяков и военных целей употребляются стержни более толстые; в этом случае и длина дуги берется большая и, следовательно, требуется большая разность потенциалов. В металлургии в недавнее время воспользовались высокой температурой В. дуги для плавки металлов с целью сварки отдельных частей, паяния, заливания трещин и раковин, отливки и приготовления сплавов (см. Паяние электрическое). Как сильный источник света, весьма богатый химическими лучами большой преломляемости, вольтова дуга служит весьма ценным средством во многих научных работах. Этот самый могущественный из всех искусственных источников света и тепла обладает еще и живительной силой. Опыты В. Сименса показали, что электрический свет способствует всхожести и образованию хлорофилла в листьях растений и таким образом до некоторой степени заменяет для них солнце. Мнение, распространенное в научной литературе, приписывает честь открытия Вольтовой дуги сэру Гумфри Дэви и относит это событие к 1809 году. В русской литературе существует очень редкое и мало кому известное сочинение под заглавием: "Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков". Автор его, первый преподаватель физики в военно-медицинской академии, впоследствии заслуженный ординарный профессор и академик Василий Владимирович Петров, подробно описывает свой опыт, произведенный в 1802 г. Соединив с полюсами своего вольтова столба куски древесного угля, он наблюдал В. дугу до 7 миллиметров длиной в виде яркого, ослепительного белого огня с расходящимися лучами. dic.academic.ru Если к полюсам сильной электрической батареи или другого источника электрического тока проволоками присоединить две угольные палочки и, приведя угли в соприкосновение, слегка раздвинуть их, то между концами углей образуется овальная масса яркого пламени, а самые концы углей накаливаются добела и испускают ослепительный голубоватый свет. Получается так называемая вольтова дуга. Сущность этого явления объясняется следующим образом. При раздвигании углей в момент разрыва цепи в ней от самоиндукции ее частей получается экстраток того же направления, как и ток от батареи. Этот суммарный ток обладает такой электровозбудительной силой, что пробивает малое расстояние между концами углей в начале их раздвигания и обращает небольшое количество угля в пары, которые, хотя и плохо, но проводят электричество и таким образом цепь с углями, раздвинутыми во время прохождения тока, не прерывается. Благодаря плохой проводимости, эти пары быстро накаляются и накаляют воздух на пути тока, а газы и пары или плохо, или вовсе не проводящие электричества при обыкновенных температурах, становятся посредственными проводниками при температурах высоких. Это свойство позволяет раздвигать угли на довольно значительное расстояние, после образования дуги, не разрывая цепи. Если вместо угольных электродов брать металлические, то при тех же условиях происходит то же самое явление В. дуги, только свет получается не столь яркий, как при употреблении углей, вследствие того, что металлы испаряются легче, чем уголь, и все явление происходит при более низких температурах; цвет дуги также зависит от вещества электродов: медные дают зеленую дугу, железные — красную и ртутные — белую. Прибавлением металлов в уголь можно несколько менять окраску дуги. Угольные электроды вольтовой дуги принимают особую характерную форму. Анод — положительный электрод, т. е. тот, который соединен с положительным полюсом батареи и из которого ток направляется в дугу и затем в катод (отрицательный), вследствие испарения, а также сгорания, если дуга не разобщена с воздухом, а также вследствие переноса частиц угля на катод, образует на конце выемку вроде чашки, а катод принимает заостренную форму. Приготовление электродов из разных сортов угля или из угля и металлов позволило обнаружить этот перенос частиц с анода на катод, а также, хотя и в меньшем количестве, обратный перенос с катода на анод. При вертикальном расположении углей, с анодом наверху, сила тяжести способствует этому переносу частиц с анода на катод и потому это положение дуги наилучшее. Пары угля разбрасываются от электродов во все стороны, и если дуга заключена в стеклянный сосуд, то легко заметить, что стенки его покрываются налетом угольной пыли, в которую обращаются угольные пары при охлаждении. Вследствие разбрасывания в стороны паров угля и горения, если дуга не защищена от доступа воздуха, угли постепенно расходуются и анод почти вдвое больше катода. Яркое свечение вольтовой дуги обуславливается весьма высокой ее температурой, доходящей, по измерениям Розетти, до 4800° Ц. В ней плавятся даже такие тугоплавкие тела, как кремень и алмаз, и легко обращаются в пары золото и платина. Металлические электроды сами плавятся. Посторонние примеси к углю понижают и температуру, и яркость. Температура дуги выше температуры углей; однако, концы углей испускают гораздо больше света, чем сама дуга, так как лучеиспускательная способность у твердых тел больше, чем у газов. Наибольшей яркостью обладает выемка анода. Как у всякого раскаленного тела, спектр углей сплошной (непрерывный) и с богатым содержанием ультрафиолетовых, химических, большой преломляемости лучей. В спектре дуги получаются линии углерода и металлов, попадающих примесью в угольные электроды. Разность потенциалов углей для поддержания В. дуги может быть выражена линейной формулой относительно длины дуги e=a+bl, где b — некоторая постоянная величина, от 3 до 5 вольт, l - длина дуги в миллиметрах, так что bl представляет величину падения потенциала вдоль дуги. По объяснению Эдлунда и многих других a есть величина гальванической поляризации дуги, т. е. величина новой электровозбудительной силы, противоположной по направлению первоначальной. Уппенборн нашел поляризацию анода и дуги равною 32,5, дуги и катода 5,5 и всего а=38 вольт. Для получения и поддержания В. дуги достаточной силы необходимо иметь в распоряжении электровозбудительную силу в 40-50 вольт при силе тока не менее 5-10 ампер. Допускают и другие причины явления, не подтверждающие объяснения Эдлунда, а именно: принимают особое сопротивление при переходе тока из углей в пары и обратно. В настоящее время для питания Вольтовой дуги током употребляются исключительно динамо-машины и аккумуляторы. Вольтова дуга может получаться и при непрерывном изменении знака разности потенциалов между углями, т. е. от действия динамо-машины, дающей переменный ток. В этом случае, понятно, тот и другой стержень попеременно делаются положительным и отрицательным. Необходимая разность потенциалов в этом случае меньше, чем при употреблении тока постоянного направления. На практике, для электрического освещения, употребляются для образования вольтовой дуги стержни из кокса, получающегося в ретортах после добывания светильного газа из каменного угля, или же в настоящее время по преимуществу употребляются искусственные стержни, приготовляемые прессованием порошка костяного угля, графита или сажи вместе с другими, связывающими массу веществами. Подобные искусственные угли получаются более однородные и дают лучший свет. Для обыкновенных целей освещения употребляются положительные (анод) стержни диаметром от 8 до 18 мм. Отрицательные (катод) стержни берутся тоньше. Положительный стержень располагается вверху, отрицательный внизу — для того, чтобы можно было удобнее пользоваться лучами света, исходящими из углубления в положительном угле. Длина дуги, т. е. расстояние между углями, поддерживаемое постоянным действием особых механизмов в лампах (см. Лампы электрические и Регуляторы), обыкновенно не превышает 5 мм. Сила тока, проходящего через В. дугу, изменяется в зависимости от диаметра стержней. Для положительных стержней от 8 до 12 мм диаметром она колеблется между 4 и 25 амперами. Обыкновенные уличные лампы, в которых толщина положительного стержня около 10 мм, требуют 8 ампер и 42 вольт разности потенциалов. Для маяков и военных целей употребляются стержни более толстые; в этом случае и длина дуги берется большая и, следовательно, требуется большая разность потенциалов. В металлургии в недавнее время воспользовались высокой температурой В. дуги для плавки металлов с целью сварки отдельных частей, паяния, заливания трещин и раковин, отливки и приготовления сплавов (см. Паяние электрическое). Как сильный источник света, весьма богатый химическими лучами большой преломляемости, вольтова дуга служит весьма ценным средством во многих научных работах. Этот самый могущественный из всех искусственных источников света и тепла обладает еще и живительной силой. Опыты В. Сименса показали, что электрический свет способствует всхожести и образованию хлорофилла в листьях растений и таким образом до некоторой степени заменяет для них солнце. Мнение, распространенное в научной литературе, приписывает честь открытия Вольтовой дуги сэру Гумфри Дэви и относит это событие к 1809 году. В русской литературе существует очень редкое и мало кому известное сочинение под заглавием: "Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков". Автор его, первый преподаватель физики в военно-медицинской академии, впоследствии заслуженный ординарный профессор и академик Василий Владимирович Петров, подробно описывает свой опыт, произведенный в 1802 г. Соединив с полюсами своего вольтова столба куски древесного угля, он наблюдал В. дугу до 7 миллиметров длиной в виде яркого, ослепительного белого огня с расходящимися лучами. slovar.wikireading.ru Мы уже имели случай указывать выше (см. § 81), что при достаточной мощности генератора, питающего цепь, и при достаточно малом общем сопротивлении цепи — разряд через газообразную среду между двумя какими-либо электродами может завершаться переходом в стадиювольтовой дуги, характеризуемую, сильным излучением электронов из некоторой части поверхности отрицательного электрода, т. е. катода, причем для создания условий возникновения вольтовой дуги эта часть поверхности катода должна быть нагрета до температуры достаточно высокой для того, чтобы от нее начали обильно отделяться электроны. Способ, каким именно будет достигнуто указанное нагревание, т. е.активирование соответствующей части поверхности катода, не имеет существенного значения. Это можно получить, например, подогревая катод от какого-либо совершенно постороннего источника энергии, хотя бы при помощи некоторого пламени. Практически мы обычно возбуждаем вольтову дугу, просто раздвигая предварительно доведенные до соприкосновения электроды. Благодаря сравнительно большому сопротивлению контакта, особенно в момент разведения электродов, место контакта сильно нагревается джоулевым теплом. Таким образом, создаются условия для необходимого активирования катода к моменту полного отделения электродов друг от друга, и вольтова дуга сразу возникает, минуя все другие возможные стадии разряда. В дальнейшем активироваиие катода может поддерживаться за счет электрической энергии, расходуемой в объеме вольтовой дуги. Общий вид вольтовой дуги, впервые полученной профессором В. Петровым в 1802 г., имеет совершенно своеобразный характер. 281 В виде примера на схематическом рис. 136 представлена вольтова дуга между угольными электродами, обычно применяемыми при использовании вольтовой дуги для осветительных целей. При этом взят случай вольтовой дуги, питаемой постоянным током, и форма концов угольных электродов изображена применительно к тому, что получается при открытой вольтовой дуге в воздухе после достижения установившегося режима, когда угли успеют уже соответствующим образом обгореть. Как это показано на рисунке, отрицательный угольный стержень приобретает несколько заостренную •форму, и активный участок его поверхности, испускающий мощный поток электронов, лежит на самом конце (С). Положительный же угольный стержень сравнительно сильно затуплен на конце, который в общем получает форму усеченного конуса. Тупой конец (K) этого конуса обычно несколько вогнут и носит названиекратера вольтовой дуги. На него именно опирается вольтова дуга(D). Поверхности кратера и активного конца катода накалены добела, сама же дуга в случае чистых сплошных углей имеет фиолетовую окраску. Вольтова дугаD и концы углей С иК окружены более или менее развитой газообразной оболочкойВ, имеющей зеленоватый оттенок во внутренних частях у границы с вольтовой дугой и желтоватый оттенок снаружи. Мощный поток электронов, образующих собственно вольтову дугу, занимает объемD. Как показывают исследования Виолля, Россетти и других, температура поверхности кратера угольного анода достигает 3500° — 3900°C, температура же активного участка поверхности угольного катода несколько ниже и лежит в пределах от 2700° до 3150° С. В связи с этим главная часть светового потока, излучаемого вольтовой дугой, приходится на долю кратера. Что же касается самой вольтовой дуги, то температура ее достигает 4800°С, но обычно она -излучает ничтожную долю общего светового потока, вследствие сравнительно слабого свечения газов. Температура оболочки В значительно ниже. Эта оболочка состоитиз сгорающих паров и частиц угля и из образующихся под влиянием высокой температуры продуктов горения воздуха, как такового, т. е. из окислов азота, в смеси, конечно, с остатками азота и кислорода, а также с окисью углерода и углекислотой. При сплошных углях вольтова дуга горит не вполне покойно и очень легко начинает шипеть в связи с возникновением быстрых перемещений дуги по поверхности анода, как это показали опыты Герты Айртон. Для придания дуге большей устойчивости, что необходимо для повышения температуры испускающего свет кратера, обычно снабжают положительный уголь так называемымфитилем: в цилиндрический канал около 0,15 диаметра угля запрессовывается смесь из угольного порошка с растворимым калийным стеклом. Для повышения световой отдачи самой вольтовой дуги Блондель предложил применять более толстый фитиль (около 0,6 диаметра угля), состоящий из смеси угля с солями бария, стронция, алюминия и с фтористым кальцием. Получается таким образомпламенная вольтова дуга.Ввиду более высокой температуры конца положительного угля по сравнению 282 с концом отрицательного угля, при доступе воздуха первый сгорает быстрее второго. Вследствие этого обычно применяют угли разных диаметров: более толстый положительный и более тонкий отрицательный. При питании же вольтовой дуги переменным током температурные условия обоих углей в среднем выравниваются, будучи различны в течение отдельных полупериодов. Угли в этом случае сгорают в общем одинаково и их берут одинакового диаметра. Вместе с тем, при переменном токе оба угля на концах принимают при установившемся режиме одну и ту же форму усеченного конуса. При затрудненном доступе воздуха, что иногда применяли для уменьшения скорости сгорания углей, концы обоих угольных электродов приобретают притупленную форму даже в случаях питания постоянным током. Катодное пятно, т. е. активное место на поверхности катода, при атом медленно переходит с места на место. Ясно, конечно, что, благодаря очень высокой температура поверхности кратера дуги, вещество положительного электрода может испаряться. Результатом этого бывает при очень короткой вольтовой дуге, даже открыто горящей в воздухе (рис. 136), появление в форме графита характерных наростов (грибков) на конце катода, где, благодаря сравнительно низкой температуре, конденсируются пары углерода, отделяющиеся с поверхности кратера и не успевающие сгореть вследствие достаточной, при короткой дуге, защиты со стороны окружающей дугу D оболочкиВ. Что в явлении вольтовой дуги мы встречаемся действительно с потоком электронов, исходящих из накаленного активного конца отрицательного электрода, — это установлено на основании целого ряда опытных исследований. Принципиальная необходимость высокой температуры катода, а также второстепенное значение температуры анода дуги отчетливо выявляется, например, в следующем опыте автора настоящей книги, схематически изображенном на рис. 137. Если между вертикальным углем А, соединенным с плюсом, и углемВ, который может перемещаться по изолированному стержню С иBверхнем своем положении соединяется с минусом, 283 образуется вольтова дуга, то при падении угля В дуга прекратится и снова восстановится в положенииЕ, в котором угольВ снова соединяется с минусом, если только угольВ за время падения не успеет охладиться. Если же угольА соединить с минусом, а пластиныD иЕ—с плюсом, то дуга, зажженная в верхнем положении, ни в коем случае не загорится в нижнем, при холодном катоде. Из подобного рода опытов с полною очевидностью следует, чтовысокая температура катода является основным условием возникновения вольтовой дуги. .Температура же анода не играет существенного значения, и в частных случаях анод может быть и холодным, если создать для этого соответствующую обстановку. Вопрос о природе основных носителей тока в вольтовой дуге был решен автором настоящей книги путем определения отношения заряда к массе этих носителей (ср. § 79). Допуская, что весь ток в дуге связан с движением отрицательно заряженных элементов вещества, отделяющихся от катода (допущение это, как показывают исследования и расчеты, с достаточною степенью приближения справедливо), можем написать: I=Ne, где Iесть сила тока, питающего дугу,N—число отрицательных ионов, проходящих в одну секунду через любое поперечное сечение дуги, ие— заряд иона. Далее, еслиm есть масса каждого отрицательного иона,v — его скорость, приобретенная за время движения от катода к аноду, иР—электрическая мощность расходуемая в дуге, то должно существовать такое соотношение: P=1/2Nmv2. Наконец, обозначая через F силу давления дуги на поверхность анода, можем написать соотношение, выражающее, что эта сила равна количеству движения, теряемому в одну секунду отрицательными ионами, ударяющимися о поверхность анода, т. е.: F = Nmv, Из этих трех соотношений получаем: e/m=2PI/F2 v=2P/E. После определения различными способами силы действительно существующего давления вольтовой дуги на поверхность анода, а также измерения всех других необходимых величин, было получено: e/m=около107в абс. эл.-маг. единицах, v=около 2•108сантиметров в секунду. 284 Сравнивая полученную величину отношения заряда к массе с тем, что было раньше установлено Дж. Дж. Томсоном для электрона, мы должны притти к заключению, что отрицательно заряженные носители тока в вольтовой дуге представляют собою не что иное, как электроны. Что же касается сравнительно небольшой скорости движения электронов дуге, то это объясняется небольшою величиною разности потенциалов между электродами дуги. В вышеописанных опытах она колебалась от 20 до 50 вольт. Вышеприведенные рассуждения не учитывали наличия положительных и отрицательных ионов, несомненно образующихся в газе на пути вольтовой дуги. На долю этих ионов приходится сравнительно малая часть полного тока, протекающего через вольтову дугу. Но тем не менее они известную роль играют. В частности, бомбардировка положительными ионами поверхности катода является одним из факторов, поддерживающих высокую температуру его и активирующих его. Несомненно, однако, что обычно при вольтовой дуге, горящей в воздухе при атмосферном давлении, значительнейшая часть тепла, необходимого для нагревания катода дуги, получается за счет притока тепла от нагретых до высокой температуры газов на пути дуги, и в случае раскаленного анода—путем тепловых излучений с поверхности кратера. Напряжение между электродами вольтовой дуги, как показывает опыт, зависит от силы тока в дуге, от ее длины, от вещества электродов, от давления газообразной среды и т. д. Первое соотношение этого рода было сформулировано Фрёлихом, который установил его для спокойно горящей вольтовой дуги на основании опытов Эдлунда, следующим образом: U=a+bl, где U—есть напряжение между электродами дуги,l— длина дуги,а иb—некоторые постоянные коэффициенты. Для случая постоянного тока и сплошных угольных электродов, в пределах сил токов от 10 до 100 амперов, Фрёлих дал следующее численное соотношение: U=39+l,8l, где / выражение в миллиметрах. Формула Фрёлиха грубо соответствует результатам опыта. Более точное соотношение предложила Герта Айртон: Формула Герты Айртон в частных случаях принимает следующий вид (при постоянном токе). Чистый уголь в воздухе: 285 Медные электроды в воздухе: Железные электроды в воздухе: При питании вольтовой дуги переменным током форма кривой напряжения между электродами дуги получается довольно сложная (см. ниже). А. М. Залесский, исследовавший вольтову дугу переменного тока, дал следующие числовые зависимости, характеризующие напряжение Uc, соответствующее максимальному значению силы тока (Im) при частоте в 50 периодов в секунду: Медные электроды в воздухе: Железные электроды в воздухе: Алюминиевые электроды в воздухе: Во всех вышеприведенных формулах длина дуги выражена в миллиметрах. Штейнметц предложил соотношение: Наконец, Ноттингем дал формулу: где показатель степени n зависит от вещества электродов и пропорционален абсолютной температуре его плавления (для металлов) или испарения (для угольных электродов). Все эти соотношения следует рассматривать как чисто эмпирические.. Из вышеприведенных зависимостей следует, что напряжение между электродами вольтовой дуги при данной длине ее и при спокойно горящей дуге уменьшается по мере увеличения силы тока, т. е. мы встречаемся с так называемой падающей характеристикой в отличие от характеристик обычных сопротивлений, напряжениена зажимах которых растет по мере увеличения силы 286 тока. Таким образом, та часть цепи тока, которая состоит из вольтовой дуги, не подчиняется закону Ома. На рис. 138 приведены в виде примера статические характеристики вольтовой дуги, построенные Гертой Айртон для вольтовой дуги постоянного тока между сплошными угольными электродами: положительным в 11мм и отрицательным в 9мм диаметром. Разрывы в сплошных кривых. при переходе к более сильным токам соответствуют нарушению спокойного режима вольтовой дуги (левая часть рисунка) и наступлению режима шипящей вольтовой дуги (правая часть рисунка). Ряд приведенных кривых относится к различным длинам дуги от 1 мм (нижняя кривая) до 7мм (верхняя кривая). В отличие от статических характеристик, соответствующих спокойному горению дуги при постоянном токе, характеристики дуги в координатах I иU при переменном токе называютсядинамическими. Эти последние имеют сложную форму в связи, между прочим, с тем обстоятельством, что напряжение между электродами дуги при быстрых изменениях тока зависит не только от силы тока в данный момент, но и от предыдущей истории дуги. Когда сила тока возрастает, то напряжение для данной силы тока, вообще говоря, больше, чем при убывании тока. На рис. 139 приведен пример динамической характеристики вольтовой дуги (при переменном токе с частотою в 50 периодов в секунду). Что касается кривых тока и напряжения между электродами вольтовой дуги, как функции времени при переменном токе, то ясно, что особенности процессов, происходящих в дуге, должны вызвать осложнения в форме соответствующих кривых. При этом степень искажения кривой тока будет в значительной степени определяться сравнительной величиной основной электродвижущей силы, генерирующей переменный ток; чем она меньше, тем сильнее искажается кривая силы тока. На рис. 140 представлена в виде примера осцилограмма 287 силы тока (I) и напряжения(U) между сплошными угольными электродами при питании вольтовой дуги от цепи переменного тока с частотою в 50 периодов в секунду, при неиндуктивном добавочном сопротивлении в цепи и при действующей напряжении между главными зажимами, равном 110 вольтам. Как видно из рис. 138, характеристика спокойно горящей вольтовой дуги является падающей, т. е. мы имеем: dU/dI<0. в отличие от обычного сопротивления, для которого всегда бывает: R=dU'/dI>0. В связи с этим иногда говорят об „отрицательном" сопротивлении вольтовой дуги (динамическом). Процесс электрического тока в некоторой цепи может быть устойчивым только тогда, когда суммарное сопротивление цепи будет иметь положительное значение. Поэтому именно для достижения устойчивого горения вольтовой дуги последовательно с нею в цепи необходимо добавочное сопротивление и притом такое, чтобы удовлетворялось соотношение: Что данное условие действительно должно удовлетворяться для получения устойчивого горения дуги, это можно показать следующими рассуждениями. Представим себе (рис. 141) кривую АСВ, изображающую собою падающую характеристику вольтовой дуги. Пусть U0есть постоянное напряжение между главными зажимами цепи. Допустим, что в некоторый момент времени напряжение между 288 электродами дуги есть U и сила тока в дуге естьI. Ясно, что всегда должно удовлетворяться уравнение: где R есть омическое сопротивление цепи,aL — ее коэффициент самоиндукции. Допустим далее, что ток в дуге по той или иной причине получил очень малое, но конечное приращение т). Мы можем в связи с этим написать, пренебрегая малыми высших порядков: Вычитая из этого написанное выше уравнение, получим: откуда после интегрирования имеем: где 0есть значениеприt=0, а—основание натуральных логарифмов. В зависимости от значения показателя степени полученное приращение силы токабудет с течением времени либо возрастать (неустойчивый режим дуги), либо убывать (устойчивый режим дуги). Чтобы стремилось уменьшаться, необходимо иметь: в противном же случае будет стремиться непрерывно возрастать по абсолютной величине. Итак, при вольтова дуга может гореть устойчиво, а при вольтова дуга будет неустойчива. Если через точку на оси ординат, соответствующую заданному постоянному напряжению U0, провести (рис. 141) некоторую прямуюАВ под углом а к горизонтальной оси, то не трудно видеть, что должно существовать соотношение: tg=R. Одним словом, эта прямая может рассматриваться как надлежащим образом расположенная характеристика добавочного сопротивления, включенного последовательно с вольтовой дугой. При этом 289 напряжение U между электродами дуги, сложенное с падением напряжения в сопротивленииR, должно быть равно постоянному напряжениюU0. Точка А соответствует неустойчивому режиму дуги, так как для нее, как это следует из рис. 141, Точка же В соответствует устойчивому режиму дуги, так как для этой точки мы имеем В заключение настоящего параграфа коснемся главнейших технических применений вольтовой дуги. Применение ее для целей электрического освещения является наиболее старым. В настоящее время усовершенствования в области ламп накаливания в значительной степени вытеснили дуговые лампы в обычной осветительной практике. Вольтова дуга удерживается еще только в тех случаях, когда требуется источник света с очень концентрированной излучающей поверхностью, как, например, в прожекторах и т. п., а также, когда имеет особое значение состав испускаемого лампой света (в фототехнике). В металлургии вольтова дуга играет большую роль как средство получения высокой температуры, необходимой для различных металлургических процессов. Существуют, например, дуговые электрические печи для варки стали, потребляющие в дуге очень большую мощность, измеряемую тысячами киловаттов при токе в десятки тысяч амперов. Дуговые печи приме- 290 няются также при производстве кальция-карбида. Во всех подобных печах применяются гигантские угольные электроды большого сечения, достигающего десятков кв. дециметров. Известны применения вольтовой дуги в химической промышленности для фиксации атмосферного азота. Для этой цели воздух пропускают через камеру, в которой горит вольтова дуга большой длины, при мощности, достигающей иногда тысяч киловаттов. Благодаря высокой температуре пламени вольтовой дуги, воздух горит с образованием окислов азота, улавливаемых в дальнейших операциях различными способами и дающих в конечном результате азотную кислоту, кальциевую селитру и другие нитросоединения. Упомянем далее об использовании вольтовой дуги для целей весьма распространенной в последнее время электросварки, основные методы которой были даны русскими изобретателями Бенардосом и Славяновым. Необходимо еще отметить применение вольтовой дуги для целей получения электрических колебаний. При помощи именно вольтовой дуги были осуществлены первые радиогенераторные устройства с незатухающими колебаниями. Возможность возбуждения электрических колебаний в этом случае обусловливается наличием падающей характеристики вольтовой дуги, т. е. так называемым „отрицательным" сопротивлением ее. В связи с этим, присоединяя к электродам вольтовой дуги ветвь, содержащую самоиндукцию и емкость некоторого конденсатора, можно, как показал впервые Дудделл, получить в этой ветви колебательный режим тока, причем этот переменный ток замыкается через вольтову дугу и имеет частоту, зависящую от соотношения между самоиндукцией и емкостью. Укажем, наконец, что вольтова дуга широко применяется для выпрямления переменного тока в постоянный. Этому специальному вопросу мы посвящаем следующий параграф. studfiles.net Электрическая дуга в воздухе Электрическая дуга — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Синонимы: Вольтова дуга, Дуговой разряд. Впервые была описана в 1802 году русским ученым В. В. Петровым. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги. Электрическая дуга образуется следующим образом: Электроны, двигаясь от отрицательного полюса к положительному, проходят через переход между электрическими контактами образуя электрическую цепь. При разведении электрических контактов (например, при отключении цепи) электроны, продолжая двигаться, вылетают из электрического контакта, соединённого с отрицательным полюсом. Затем они пересекают газовую прослойку, образовавшуюся между электрическими контактами, и, достигнув контакта, соединённого с положительным полюсом, продолжают своё движение к положительному полюсу, тем самым сохраняя электрическую цепь. Газовая прослойка, образованная разведением электрических контактов и находящаяся между этими контактами, по сути своей является диэлектриком. Как следствие, прохождение через неё электронов равносильно появлению в цепи сопротивления, которое быстро нагревается до температуры испарения металлов. Это приводит к ионизации окружающего газа и созданию своеобразного плазменного тоннеля, имеющего гораздо меньшее сопротивление, чем изначальная воздушная прослойка, и как следствие — к росту проводимости электрической дуги. Электрическая дуга перегревает электрические контакты, провоцируя их плавление и быстрый износ за счёт испарения и окисления в окружающей среде. При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно останавливающую электрическую цепь без разрыва последней. Электрическая дуга используется при электросварке металлов. Иначе электросварка называется ещё дуговой сваркой. Wikimedia Foundation. 2010. ВОЛЬТОВА ДУГА — [от соб. им. итальянск. ученого Volta (1745 1827)]. Дугообразная масса пламени, образующаяся между концами двух углей, соединенных с полюсами сильного источника электрического тока. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.… … Словарь иностранных слов русского языка ВОЛЬТОВА ДУГА — ВОЛЬТОВА ДУГА. см. дуга. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова ВОЛЬТОВА ДУГА — ВОЛЬТОВА ДУГА. см. дуга. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова ВОЛЬТОВА ДУГА — то же, что электрическая дуга … Большой Энциклопедический словарь ВОЛЬТОВА ДУГА — (Voltaic arc) светящаяся дуга, образующаяся между электрическими проводниками, раздвинутыми на небольшое расстояние, при прохождении через них электрического тока. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство … Морской словарь ВОЛЬТОВА ДУГА — см … Большая политехническая энциклопедия ВОЛЬТОВА ДУГА — устойчивый электр. разряд (прохождение тока) сквозь изолирующую среду, сопровождающийся ярким пламенем с темп рой до 3000°. В. д. возникает обычно между двумя несущими ток проводниками, сближенными до соприкосновения, а затем раздвинутыми на нек… … Технический железнодорожный словарь вольтова дуга — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN electric arc … Справочник технического переводчика Вольтова дуга — Если к полюсам сильной электрической батареи или другого источника электрического тока проволоками присоединить две угольные палочки и, приведя угли в соприкосновение, слегка раздвинуть их, то между концами углей образуется овальная масса яркого… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона Вольтова дуга — то же, что электрическая дуга. * * * ВОЛЬТОВА ДУГА ВОЛЬТОВА ДУГА, то же, что электрическая дуга (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА) … Энциклопедический словарь dic.academic.ru Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) — один из видов электрического разряда в газе. Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги. Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом: При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В). Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой. После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния. Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых при коммутации электрической цепи неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь. Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области — около 0,0001 мм. Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С. Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине[1]. Сварочные дуги классифицируют по: ru-wiki.ru§ 85. Вольтова дуга. Вольтова дуга
§ 85. Вольтова дуга.
Вольтова дуга — Викизнание... Это Вам НЕ Википедия!
Вольтова дуга - это... Что такое Вольтова дуга?
Вольтова дуга
§ 85. Вольтова дуга.
Вольтова дуга - это... Что такое Вольтова дуга?
Вольтова дуга См. также
Литература
Смотреть что такое "Вольтова дуга" в других словарях:
Вольтова дуга Википедия
Электрическая дуга в воздухе Физика явления[ | код]
Строение дуги[ | код]
Строение электрической дуги. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область Саморегулирование дуги[
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: