електрична дуга

§ 26. ЕЛЕКТРИЧНА ДУГА

Електрична дуга вперше була відкрита В. В. Петровим в 1802 г.

Якщо до полюсів джерела електричної енергії приєднання-нить вугільні стрижні-електроди і зблизити їх, то утворюється замкнуте електричне коло, по якій почне протікати струм. Вугілля погано проводить електричний струм, т. Е. Має біль-шим опором, тому в вугільних електродах при про-ходінні струму виділяється значна кількість тепла.

У місці контакту, т. Е. В точці зіткнення вугільних електро-Трод, опір збільшується. В результаті зближені кін-ці вугільних стрижнів нагріваються до дуже високої температури і починають світитися.

Якщо електроди розсунути так, щоб кінці їх не стикаючись-лись, то струм в ланцюзі припиниться і між кінцями електродів по-з'явиться сильне світіння - виникне електрична дуга.

Виникнення електричної дуги пояснюється наступним. З підвищенням температури вугільних стрижнів збільшується швидкість руху електронів, що знаходяться у вугіллі. При сильному нагріванні швидкість руху вільних електронів зростає на-стільки, що при раздвижении вугілля електрони зі стрижнів виле-тануть в міжелектродному простір. Настає так звана електронна емісія, т. Е. Вихід вільних електронів з вугілля-ного стержня в зовнішнє середовище. При підвищенні температури електродів емісія збільшується.

В повітрі вільні електрони з дуже великою швидкістю летять від негативного електрода (катода) до позитивного (аноду). Вони володіють великою енергією і, стикаючись з нею-тральні атомами повітря, розщеплюють їх на позитивно і від-ріцательно заряджені частинки - іони. Цей процес називається іонізацією внаслідок зіткнення.

Якщо енергія електронів недостатня для іонізації нейтральних атомів, то в результаті зіткнень електронів з Нейт-ральних атомами останні починають рухатися швидше і нагре-ють повітря між електродами. Температура повітря між електродами досягає кілька тисяч градусів, внаслідок чого настає інший процес іонізації - теплової.

Інтенсивне випромінювання світла нагрітими кінцями електродів також створює електрично заряджені частинки, т. Е. Відбувається фотоионизация.

В результаті всіх процесів повітря між електродами іонізується і перестає бути електрично ній-тральні. Наявність розжарених газів (наприклад, вуглецю, що виділяється нагрітими до високої темпе-ратури вугіллям) підвищує електропровідність про-простору між електродами. Таким чином, між розсунутими електродами створюється газовий проме-жуток, добре проводить електричний струм - воз-ника дугового розряд.

Світиться проміжок між електродами, за-нання іонами повітря, електронами і парами вуглецю, називається стовпом, а світяться ділянки поверхні кінців електродів - плямами.

Вільні електрони, що знаходяться в просторі між електродами, з великою швидкістю направля-ються до позитивного електрода, піддаючи його бом-бардіровке і нагріваючи до високої температури. На кінці електрода, з'єднаного з позитивним полю-сом джерела енергії (на аноді), виникає Раска-ленне до білого анодное пляма, в центрі якого знаходиться воронкообразноепоглиблення або «кратер».

Кінець електрода, з'єднаного з негативним полюсом джерела енергії (катод), має загострену форму і на ньому виникає невелике світиться катодна пляма.

Схема дугового розряду показана на рис. 23. Основним джерелом ніком світла є «кратер». Світлове випромінювання катодного п'ят-на не перевищує 10%, а випромінювання стовпа - не більше 5% від усього світлового потоку, створюваного дуговим розрядом.

Крім іонізації, в междуелектродного просторі проте-кают зворотні процеси рекомбінації і нейтралізації. Електро-ни і позитивні іони з'єднуються між собою, утворюючи нейтральні атоми. При цьому виділяється енергія, яку затра-тили електрони для розщеплення нейтральних частинок. Виділено-ва енергія проявляється у вигляді теплоти і електромагнітних ко-лебанія.

В процесі дугового розряду вугільні електроди поступово згоряють і внаслідок хімічної сполуки з повітрям утворюють вуглекислий газ С02.

Так як електрод, з'єднаний з позитивним затискачем джерела енергії, згоряє швидше, ніж електрод, з'єднаний з негативним затискачем, для анода використовується вугільний стер-жень з великим діаметром, ніж для катода.

В даний час дугового розряд застосовують для освітлення в прожекторах дальньої дії і в кінопроекторах.

Використання електричної дуги для зварювання металів впер-ші було запропоновано в 1882 році українським вченим Н. І. Бенардосом. Сутність цього способу зварювання полягає в тому, що один затиск джерела електричної енергії приєднується до зварюваної предмету, а другий - до вугільного електроду, вміщеної в ру-коятку (яку тримає зварювальник).

Електрична дуга може утворитися не тільки між дво-ма вугільними електродами, але і між стрижнями з інших про-водять матеріалів.

Якщо доторкнутися вугільним стрижнем, сполученим з джерелом ніком струму, до того місця предмета, яке бажано зварити, то між цим стрижнем і предметом виникає електрична дуга. Якщо занурити в полум'я дуги металевий стрижень з так називаються ваемого присадочного металу, то він під дією високої тим-ператури почне плавитися і окремими краплями стікати в зварювальну ванну. Розплавлений метал застигає у вигляді суцільного шва - валика, який скріплює окремі частини свариваемого предмета.

Цей спосіб зварювання був дуже недосконалим і вимагав зна-чанням значних поліпшень. Треба було захистити розплавлений метал шва від контакту з повітрям, так як кисень, вхо-дящій до складу повітря, потрапляючи в шов, робив його тендітним. При згорянні вугільного стрижня в шов проникало зайва кількість вуглецю, який так само, як і кисень, робить метал крихким. Крім того, вугільний стрижень створював дуже високу темпера-туру, внаслідок чого метал перегрівався і ослаблялся. Також необхідно було удосконалити подачу присадочного метал-ла в полум'я дуги, так як зварнику було важко довгий час утримувати металевий пруток у висячому положенні в руці.

У 1888 р Н. Г. Славяновим був запропонований інший, більш досконалий-ний спосіб електрозварювання. Щоб уникнути науглероживания і пере-Гревьє металу, Н. Г. Славянов замість вугільного стрижня застосував металевий, який, створюючи дугу, розплавлявся і рідкий метал служив для заповнення шва. Для захисту розплавленого металу від кисню повітря Н. Г. Славянов запропонував посипати місце зварювання товченим склом. Частина товченого скла розплав-ляется і покриває тонким шаром шлаку метал шва, оберігаючи його від шкідливого впливу повітря.

Н. Г. Славяновим був винайдений електричний плавільнік, автоматично регулює довжину дуги, яка за способом Бенардоса регулювалася вручну. Відстань між електродами при дугового зварювання становить 3-10 мм.

В даний час електрозварювання широко застосовується при спорудженні каркасів промислових та житлових будівель, гідростан-ций, судів, трубопроводів, котлів и.т. д. Вона є основним способом з'єднання елементів металевих конструкцій і майже зовсім витіснила клепку. Електрична дуга використовується і для зварювання металів під водою. Для цього на сталевий електрод носять водонепроникне захисне покриття з крейди, залізного сурику, титанової руди, польового шпату і рідкого скла. При утворенні дугового розряду плавиться кінець сталевого стрижня. Зовнішнє покриття стрижня, оточене холодною водою, плавить-ся повільніше сталевого стрижня, тому на кінці електрода зав-жди буде кільцеподібний виступ, який є захисним козир-ком. Під цим козирком під дією високої температури дуги утворюються пари розплавленого металу, гази і пари мінеральні-них речовин, що входять в покриття, водень і кисень, являю-щиеся продуктами розкладання води. Ці речовини утворюють газовий міхур, що захищає простір під козирком від води.

Електричне зварювання, здійснюється як на постійному, так і на змінному струмі.

Кожен дотик вугільного або металевого стержня до зварюваного предмету для джерела електричної енергії веде До короткого замикання. Тому для харчування зварювальних устано-вок застосовують спеціальні джерела електричної енергії (ге-нератори, трансформатори), які переносять короткі замикаючи-ня, не виходячи з ладу.

Дугова піч дозволяє дуже просто регулювати температу-ру зміною величини струму. Вона економічна, так як виключає втрати енергії, неминучі при передачі тепла металу від палива, що згорає у відокремленому приміщенні.

Такі спеціальні стали, як інструментальна, нержавіюча, жаростійкий і жароміцний, виплавляють в даний час толь-ко в електричних печах.