Arcul Electric

Caracteristica tensiune – curent (volt – ampermetrică)

• Circuitul este utilizat pentru studierea experimentală

a caracteristicii tensiune-curent pentru descărcări

electrice staționare care se produc într-un gaz la

presiune de 1…10 mbar pe distanțe până la 1 cm.

• Circuitul este alimentat de o sursă de tensiune

continuă , teoretic de putere infinită (își menține

tensiunea constantă în limite suficient de largi de

variație ale curentului din circuitul exterior)

• Rezistența R din circuitul exterior permite reglarea

curentului. Scăderea valorii rezistenței determină

modificarea poziției punctului de funcționare pe

caracteristica tensiune – curent a descărcării.

• Ecuația de funcționare a circuitului este dată de

teorema a II-a Khirchhoff

• Descărcarea electrică este un element neliniar de

circuit, de natura unei rezistențe, a cărui ecuație de

stare este caracteristica tensiune - curent

( ) Vd = f id

R1 > R2 > R3

- O descărcare electrică creează un traseu conductor

între doi electrozi metalici aflați la potențiale diferite,

imersați într-un mediu cu proprietăți izolante. Traseul

conductor este format din ioni pozitivi și electroni

liberi rezultați din procesele de ionizare care s-au

produs în mediu anterior apariției descărcării.

-Dintre cele două categorii de particule purtătoare de sarcină electrică, electronii sunt

particulele cu mobilitatea cea mai mare datorită masei mici (9.109 x 10-28 g) de 1836 de ori

mai ușor decât cel mai ușor ion pozitiv (nucleul de hidrogen).

- Ionii (pozitivi sau negativi) sunt particule cu mobilități mai mici.

-Câmpul electric existent în coloana de gaz datorită diferenței de potențial dintre cei doi

electrozi, acționează cu forțe electrostatice asupra sarcinilor electrice libere, electroni și

ioni, antrenându-le într-o mișcare ordonată care formează curentul din canalul descărcării,

id. Dacă diferența de potențial aplicată celulei este Vd atunci valoarea medie a intensității

câmpului electric este Eg = Vd / L. Această mărime se mai numește și gradient de

potențial.

- Particulele încărcate cu sarcină negativă (electronii și ionii negativi) se deplasează către

anod, în timp ce ionii pozitivi se deplasează către catod. Toate sarcinile aflate în mișcare

ordonată cu diferite mobilități, contribuie la curentul din canalul descărcării.

- Variația curentului din circuit determinată de variației tensiunii aplicate la bornele celulei

este descrisă de caracteristica tensiune – curent reprezentată pe slide-ul următor

Caracteristica tensiune-curent pentru o descărcare de curent continuu, în

gaz, la presiune sub-atmosferică (cca. 1 mbar) cu o lungime de 1 cm

(Tensiune de aprindere) (Tensiune de aprindere)

A - E: regimul descărcării este denumit descărcare întunecată pentru a sublinia absența

manifestărilor luminoase asociate. Momente importante sunt:

A – B: purtătorii liberi de sarcină existenți în mediu sunt puși în mișcare ordonată pe

măsură ce tensiunea aplicată celulei crește de la 0 până la valoarea corespunzătoare

punctului B (în orice volum de gaz există în mod natural un număr de purtători liberi de

sarcină produși datorită radiației cosmice, prezenței gazelor radioactive, radioactivității

naturale, etc.)

B – C: este regiunea de saturație în care creșterea tensiunii nu mai produce creșterea

curentului deoarece toți purtătorii liberi de sarcină disponibili se află în mișcare ordonată

C – E: este regiunea descărcării tip Townsend Dacă tensiunea crește peste valoare cele

corespunzătoare punctului C curentul începe să crească după o lege exponențială

datorită apariției unor noi purtători de sarcină – electroni și ioni; apariția unor purtători noi

de sarcină se datorează creșterii intensității câmpului electric la valori pentru care pot să

apară ionizări prin ciocnire cu electroni accelerați în câmp. În punctul E apare

străpungerea electrică a intervalului și intrarea descărcării într-un nou regim denumit

descărcare luminiscentă. Tensiunea corespunzătoare punctului E se numește tensiune

disruptivă (notată VB). În funcție de raza de curbură a anodului respectiv catodului,

descărcarea disruptivă poate fi precedată de o descărcare incompletă localizată în

vecinătatea electrodului, denumită descărcare corona – de polaritate pozitivă (pentru

anod) sau negativă (pentru catod).

E - H: regimul descărcării este denumit descărcare luminiscentă. Descărcarea ocupă tot

intervalul dintre cei doi electrozi; concentrația mare de electroni liberi determină

creșterea conductivității electrice a mediului (se observă că după producerea

străpungerii tensiunea la bornele celulei scade reflectând scăderea drastică a

rezistenței echivalente a celulei). Sub-regimuri:

F – G: după o tranziție bruscă de la E la F datorită străpungerii intervalului,

descărcarea intră în regim de descărcare luminiscentă normală pe durata căruia

tensiunea la bornele celulei este practic independentă de curentul din circuit; este

zona în care , modificarea curentului din circuit prin modificarea rezistenței R de

limitare produce extinderea volumului ocupat de descărcare în interiorul celulei cu

menținerea tensiunii constante la bornele acesteia. Este regimul utilizat în aplicații de

tipul lămpilor cu descărcări în gaze

G – H: regim de descărcare luminiscentă anormală ; creșterea curentului din circuit

prin scăderea rezistenței de limitare produce creșterea tensiunii la bornele celulei

(echivalentă creșterii rezistenței interne a celulei). Apar încălziri importante ale

electrozilor. În punctul H se produce tranziția de la regimul de descărcare

luminiscentă la cel de arc electric în care sunt inițiate și devin din ce în ce mai active

procesele de termo-ionizare (de volum și superficiale).

Iarc

ioni pozitivi

Sensul convenţional al curentului de conducţie în circuitul sursei

Sensul intensităţii câmpului electric în spaţiul de arc

Eo

electroni

(a)

Uarc = Ucatod + Ucoloana + Uanod

Uanod

(a) Distribuţia de tensiune în diferitele zone ale arcului

(b) Variaţia corespunzătoare a gradientului mediu de potenţial

(b)

Ucatod

Ucoloana

Tensiunea arcului

Valori tipice ale gradientului mediu de

potenţial în coloana arcului (E)

( )

anod ( ) catod

coloana arc

catod

arc catod coloana anod

U U

U E

U

U U U U

 → ÷ < 

 = ⋅

 → ÷

=  +  + 

5 10 V

10 20 V

l

•depinde de materialul catodului

•nu depinde de curentul de arc

•depinde de intensitatea curentului

•pentru curenţi intensi tinde la 0

Caracteristica tensiune curent pentru

diferite lungimi ale arcului

Mediul de stingere Tipul aparatului E (V/mm)

Aer arc liber 1

SF6 întreruptor IT 10

Corindon (pulbere) fuzibil 10

Silică (pulbere) fuzibil 25

Ulei (suflaj transversal) întreruptor MT 10

Ulei (suflaj axial) întreruptor MT 20

Relaţia Ayrton

(empirică) arc

arc

arc arc

I

C D

U A B

l

l

+

= + +

Exemplu: pentru electrozi de cupru în aer

A=19.0 B=11.4 C=21.4 D=3.0

Modele matematice pentru comportarea dinamică a arcului

Ecuaţia de bilanţ a puterilor

total arc arc arc arc arc arc P u i R i u G = = 2 = 2

2

arc arc A = πr l

arc arc V = A

Caracteristici geometrice ale arcului electric

arc A arc

A = k ⋅ i

în care:

total rad turb ax radial net P = q + q + q + q + q

( )

cedata prin convectie

cedat rad turb ax radial P = q + q + q + q

Dacă notăm:

Q

q

d

= Q-energia internă

10

l

arc 2 ⋅ r

contacte arc l = v t

t

net d

Ecuaţia de bilanţ devine:

arc arc cedat u i P

t

= −

d

dQ

  

<

=

→

0

0

d t

d Q Arcul este în echilibru termodinamic

Arcul se răceste