Quando si parla delle caratteristiche di un arco voltaico, vale la pena ricordare che ha una tensione inferiore rispetto a una scarica a bagliore e si basa sulla radiazione termoionica di elettroni dagli elettrodi che supportano l'arco. Nei paesi di lingua inglese, questo termine è considerato arcaico e obsoleto.
Le tecniche di soppressione dell'arco possono essere utilizzate per ridurre la durata dell'arco o la probabilità di formazione di archi.
Alla fine del 1800, l'arco voltaico era ampiamente utilizzato per l'illuminazione pubblica. Alcuni archi elettrici a bassa pressione sono utilizzati in molte applicazioni. Ad esempio, per l'illuminazione vengono utilizzate lampade fluorescenti, lampade al mercurio, al sodio e ad alogenuri metallici. Le lampade ad arco allo xeno sono state utilizzate per i proiettori cinematografici.
Apertura dell'arco voltaico
Si ritiene che questo fenomeno sia stato descritto per la prima volta da Sir Humphry Davy in un articolo del 1801 pubblicato sul Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts di William Nicholson. Tuttavia, il fenomeno descritto da Davy non era un arco elettrico, ma solo una scintilla. Esploratori successiviha scritto: “Questa è ovviamente una descrizione non di un arco, ma di una scintilla. L'essenza del primo è che deve essere continuo, ei suoi poli non devono toccarsi dopo che è sorto. La scintilla creata da Sir Humphry Davy non era chiaramente continua, e sebbene fosse rimasta carica per qualche tempo dopo il contatto con atomi di carbonio, molto probabilmente non c'era alcun collegamento dell'arco, che è necessario per la sua classificazione come voltaico.
Nello stesso anno, Davy dimostrò pubblicamente l'effetto davanti alla Royal Society facendo passare una corrente elettrica attraverso due barre di carbonio che si toccavano e poi allontanandole a una breve distanza l'una dall' altra. La dimostrazione ha mostrato un arco "debole", difficilmente distinguibile da una scintilla fissa, tra i punti di carbone. La comunità scientifica gli fornì una batteria più potente di 1000 piastre e nel 1808 dimostrò la presenza di un arco voltaico su larga scala. È anche accreditato con il suo nome in inglese (arco elettrico). Lo ha chiamato arco perché assume la forma di un arco verso l' alto quando la distanza tra gli elettrodi si avvicina. Ciò è dovuto alle proprietà conduttive del gas caldo.
Come è apparso l'arco voltaico? Il primo arco continuo fu registrato indipendentemente nel 1802 e descritto nel 1803 come "un liquido speciale con proprietà elettriche" dallo scienziato russo Vasily Petrov, che stava sperimentando una batteria rame-zinco da 4.200 dischi.
Ulteriori studi
Alla fine del diciannovesimo secolo, l'arco voltaico era ampiamente diffusoutilizzato per l'illuminazione pubblica. La tendenza degli archi elettrici a tremolare e sibilare era un grosso problema. Nel 1895 Hertha Marx Ayrton scrisse una serie di articoli sull'elettricità, spiegando che l'arco voltaico era il risultato del contatto dell'ossigeno con le barre di carbonio utilizzate per creare l'arco.
Nel 1899, fu la prima donna in assoluto a dare il proprio elaborato davanti all'Institute of Electrical Engineers (IEE). Il suo rapporto era intitolato "Il meccanismo dell'arco elettrico". Poco dopo, Ayrton fu eletta prima donna membro dell'Institute of Electrical Engineers. La donna successiva fu ammessa all'istituto già nel 1958. Ayrton fece una petizione per leggere un documento davanti alla Royal Society, ma non gli fu permesso di farlo a causa del suo sesso, e John Perry lesse The Mechanism of the Electric Arc al suo posto nel 1901.
Descrizione
Un arco elettrico è un tipo di scarica elettrica con la più alta densità di corrente. La massima corrente assorbita dall'arco è limitata solo dall'ambiente, non dall'arco stesso.
L'arco tra due elettrodi può essere avviato dalla ionizzazione e dalla scarica a bagliore quando la corrente attraverso gli elettrodi viene aumentata. La tensione di rottura dello spazio tra gli elettrodi è una funzione combinata di pressione, distanza tra gli elettrodi e tipo di gas che circonda gli elettrodi. Quando un arco si avvia, la sua tensione terminale è molto inferiore a quella di una scarica a bagliore e la corrente è maggiore. Un arco nei gas vicino alla pressione atmosferica è caratterizzato da luce visibile, alta densità di corrente e alta temperatura. Si differenzia da una scarica a bagliore in quanto le temperature effettive sia degli elettroni che degli ioni positivi sono approssimativamente le stesse e, in una scarica a bagliore, gli ioni hanno un'energia termica molto inferiore rispetto agli elettroni.
Quando si salda
Un arco esteso può essere avviato da due elettrodi inizialmente a contatto e separati durante l'esperimento. Questa azione può innescare un arco senza una scarica a bagliore ad alta tensione. Questo è il modo in cui il saldatore inizia a saldare il giunto toccando istantaneamente l'elettrodo di saldatura sul pezzo.
Un altro esempio è la separazione dei contatti elettrici su interruttori, relè o interruttori automatici. Nei circuiti ad alta energia può essere necessaria la soppressione dell'arco per evitare danni ai contatti.
Arco voltaico: caratteristiche
La resistenza elettrica lungo un arco continuo crea calore che ionizza più molecole di gas (dove il grado di ionizzazione è determinato dalla temperatura), e secondo questa sequenza, il gas si trasforma gradualmente in un plasma termico che è in equilibrio termico poiché la temperatura è distribuita in modo relativamente uniforme per tutti gli atomi, le molecole, gli ioni e gli elettroni. L'energia trasferita dagli elettroni si disperde rapidamente con le particelle più pesanti attraverso collisioni elastiche a causa della loro elevata mobilità e dei loro grandi numeri.
La corrente nell'arco è supportata dall'emissione termoionica e dal campo di elettroni al catodo. Attualepuò essere concentrato in un punto caldo molto piccolo sul catodo, dell'ordine di un milione di ampere per centimetro quadrato. A differenza della scarica a bagliore, la struttura dell'arco è difficilmente distinguibile, poiché la colonna positiva è abbastanza luminosa e si estende quasi fino agli elettrodi ad entrambe le estremità. La caduta del catodo e la caduta dell'anodo di pochi volt si verificano entro una frazione di millimetro da ciascun elettrodo. La colonna positiva ha un gradiente di tensione inferiore e può essere assente in archi molto brevi.
Arco a bassa frequenza
L'arco CA a bassa frequenza (meno di 100 Hz) assomiglia all'arco CC. Ad ogni ciclo, l'arco viene avviato da un guasto e gli elettrodi cambiano ruolo quando la corrente cambia direzione. All'aumentare della frequenza della corrente, non c'è abbastanza tempo per la ionizzazione alla divergenza in ogni semiciclo e non è più necessaria la rottura per mantenere l'arco - la caratteristica di tensione e corrente diventa più ohmica.
Un posto tra gli altri fenomeni fisici
Diverse forme di arco stanno emergendo proprietà di correnti non lineari e modelli di campo elettrico. L'arco si verifica in uno spazio pieno di gas tra due elettrodi conduttivi (spesso tungsteno o carbonio), determinando temperature molto elevate in grado di fondere o vaporizzare la maggior parte dei materiali. Un arco elettrico è una scarica continua, mentre una scarica elettrica simile è istantanea. Un arco voltaico può verificarsi sia nei circuiti CC che nei circuiti CA. In quest'ultimo caso, lei puòcolpire ogni semiciclo della corrente. Un arco elettrico differisce da una scarica a bagliore in quanto la densità di corrente è piuttosto alta e la caduta di tensione all'interno dell'arco è bassa. Al catodo, la densità di corrente può raggiungere un megaampere per centimetro quadrato.
Potenziale distruttivo
L'arco elettrico ha una relazione non lineare tra corrente e tensione. Una volta che l'arco è stato creato (progredendo da una scarica a bagliore o toccando momentaneamente gli elettrodi e poi separandoli), l'aumento della corrente si traduce in una tensione inferiore tra i terminali dell'arco. Questo effetto di resistenza negativo richiede che una qualche forma di impedenza positiva (come un reattore elettrico) sia inserita nel circuito per mantenere un arco stabile. Questa proprietà è ciò che rende gli archi elettrici incontrollati in una macchina così distruttivi, poiché una volta che si verifica l'arco attirerà sempre più corrente dalla sorgente di tensione CC fino a quando il dispositivo non viene distrutto.
Applicazione pratica
Su scala industriale, gli archi elettrici vengono utilizzati per la saldatura, il taglio al plasma, la lavorazione di scariche elettriche, come lampada ad arco nei proiettori cinematografici e nell'illuminazione. I forni elettrici ad arco vengono utilizzati per produrre acciaio e altre sostanze. Si ottiene così il carburo di calcio, poiché per ottenere una reazione endotermica (a temperature di 2500°C) una grande quantità dienergia.
Le luci ad arco di carbonio sono state le prime luci elettriche. Sono stati utilizzati per i lampioni nel 19° secolo e per dispositivi specializzati come i proiettori fino alla seconda guerra mondiale. Oggi gli archi elettrici a bassa pressione sono utilizzati in molti settori. Ad esempio, per l'illuminazione vengono utilizzate lampade fluorescenti, al mercurio, al sodio e ad alogenuri metallici, mentre per i proiettori cinematografici vengono utilizzate lampade ad arco allo xeno.
La formazione di un intenso arco elettrico, come un lampo d'arco su piccola scala, è alla base dei detonatori esplosivi. Quando gli scienziati hanno appreso cos'è un arco voltaico e come può essere utilizzato, esplosivi efficaci hanno riempito la varietà delle armi mondiali.
La principale applicazione rimanente è il quadro di alta tensione per le reti di trasmissione. I dispositivi moderni utilizzano anche esafluoruro di zolfo ad alta pressione.
Conclusione
Nonostante la frequenza delle ustioni dell'arco voltaico, è considerato un fenomeno fisico molto utile, ancora ampiamente utilizzato nell'industria, nella produzione e negli articoli decorativi. Ha la sua estetica ed è spesso presente nei film di fantascienza. La sconfitta dell'arco voltaico non è fatale.
