На главную


§ 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.
Известно, что 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. между поверхностями соприкосновения угольных электродов, сопротивление увеличивается и, следовательно, 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 не 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 увеличивается 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 соударения.
Температура воздуха между электродами достигает нескольких тысяч градусов, 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 — электрическая дуга.
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 его до высокой температуры. На конце электрода, соединенного с положительным полюсом источника энергии (на аноде), возникает раскаленное добела пятно (анодное пятно). В середине этого пятна в электроде образуется 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.

В процессе дугового разряда угольные электроды постепенно сгорают и вследствие химического соединения с кислородом воздуха образуют углекислый газ СO2.
Так как электрод, соединенный с положительным зажимом источника энергии, обгорает 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.
Применение электрической дуги для сварки металлов впервые было предложено в 1882 г. русским ученым Н. Н. Бенардосом.
Сущность предложенного им способа сварки состоит в том, что один полюс источника электрической энергии присоединяется к свариваемому предмету, а второй полюс — к угольному электроду, зажатому в рукоятке (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 образуется электрическая дуга. Металлический стержень из так называемого присадочного металла погружают в пламя дуги и под действием высокой температуры он начинает плавиться и отдельными каплями стекать в сварочную ванночку. Расплавленный металл при застывании образует сплошной шов в виде валика и скрепляет отдельные части свариваемого предмета в единое целое.
Этот способ сварки был очень несовершенным и нуждался в значительных улучшениях. Надо было предохранить расплавленный металл шва от соприкосновения с кислородом, так как кислород, входящий в состав воздуха, окисляя металл, делал его хрупким. При сгорании угольного стержня в шов попадало излишнее количество углерода, который также придавал металлу хрупкость. Кроме того, угольный стержень создавал очень высокую температуру, вследствие чего металл перегревался и ослаблялся.
В 1888 г. Н. Г. Славяновым был предложен иной, более совершенный способ электросварки. Чтобы избежать науглероживания и перегрева металла, Н. Г. Славянов предложил вместо угольного стержня применить металлический, который, создавая дугу, расплавляется, и жидкий металл служит 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 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 при коротком замыкании не выходят из строя.
Тепловое действие электрической дуги используется также в электромартенах или дуговых печах, предназначенных для выплавки стали и цветных металлов.


предыдущая страница оглавление следующая страница