Als we het hebben over de kenmerken van een voltaïsche boog, is het vermeldenswaard dat deze een lagere spanning heeft dan een glimontlading en vertrouwt op thermionische straling van elektronen van de elektroden die de boog ondersteunen. In Engelssprekende landen wordt deze term als archaïsch en achterhaald beschouwd.
Boogonderdrukkingstechnieken kunnen worden gebruikt om de boogduur of de kans op boogvorming te verminderen.
Aan het eind van de 19e eeuw werd de voltaïsche boog veel gebruikt voor openbare verlichting. Sommige elektrische bogen met lage druk worden in veel toepassingen gebruikt. Voor verlichting worden bijvoorbeeld fluorescentielampen, kwik-, natrium- en metaalhalogenidelampen gebruikt. Xenon-booglampen werden gebruikt voor filmprojectoren.
De voltaïsche boog openen
Dit fenomeen wordt verondersteld voor het eerst te zijn beschreven door Sir Humphry Davy in een artikel uit 1801 dat is gepubliceerd in William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. Het door Davy beschreven fenomeen was echter geen elektrische boog, maar slechts een vonk. latere ontdekkingsreizigersschreef: “Dit is duidelijk geen beschrijving van een boog, maar van een vonk. De essentie van het eerste is dat het continu moet zijn en dat de polen elkaar niet mogen raken nadat het is ontstaan. De door Sir Humphry Davy gecreëerde vonk was duidelijk niet continu, en hoewel hij enige tijd geladen bleef na contact met koolstofatomen, was er hoogstwaarschijnlijk geen verbinding van de boog, wat nodig is voor zijn classificatie als een voltaïsche.
In hetzelfde jaar demonstreerde Davy het effect publiekelijk voor de Royal Society door een elektrische stroom door twee elkaar rakende koolstofstaven te laten lopen en ze vervolgens op korte afstand van elkaar te trekken. De demonstratie toonde een "zwakke" boog, nauwelijks te onderscheiden van een gestage vonk, tussen punten van houtskool. De wetenschappelijke gemeenschap voorzag hem van een krachtigere batterij van 1000 platen en in 1808 demonstreerde hij het optreden van een voltaïsche boog op grote schaal. Hij wordt ook gecrediteerd met zijn naam in het Engels (elektrische boog). Hij noemde het een boog omdat het de vorm aanneemt van een opwaartse boog wanneer de afstand tussen de elektroden dichtbij wordt. Dit komt door de geleidende eigenschappen van heet gas.
Hoe is de voltaïsche boog ontstaan? De eerste continue boog werd onafhankelijk geregistreerd in 1802 en in 1803 beschreven als "een speciale vloeistof met elektrische eigenschappen" door de Russische wetenschapper Vasily Petrov, die aan het experimenteren was met een koper-zinkbatterij van 4.200 schijven.
Verdere studie
Aan het einde van de negentiende eeuw was de voltaïsche boog wijdverbreidgebruikt voor openbare verlichting. De neiging van elektrische bogen om te flikkeren en te sissen was een groot probleem. In 1895 schreef Hertha Marx Ayrton een reeks artikelen over elektriciteit, waarin hij uitlegde dat de voltaïsche boog het resultaat was van zuurstof dat in contact kwam met de koolstofstaven die werden gebruikt om de boog te creëren.
In 1899 was ze de eerste vrouw die ooit haar eigen paper gaf voor het Institute of Electrical Engineers (IEE). Haar rapport was getiteld "The Mechanism of the Electric Arc". Kort daarna werd Ayrton verkozen tot het eerste vrouwelijke lid van het Institute of Electrical Engineers. De volgende vrouw werd al in 1958 toegelaten tot het instituut. Ayrton had een verzoek ingediend om een paper te lezen voor de Royal Society, maar mocht dit niet doen vanwege haar geslacht, en The Mechanism of the Electric Arc werd in 1901 door John Perry in haar plaats voorgelezen.
Beschrijving
Een elektrische boog is een type elektrische ontlading met de hoogste stroomdichtheid. De maximale stroom die door de boog wordt getrokken, wordt alleen beperkt door de omgeving, niet door de boog zelf.
De boog tussen twee elektroden kan worden gestart door ionisatie en glimontlading wanneer de stroom door de elektroden wordt verhoogd. De doorslagspanning van de elektrodenafstand is een gecombineerde functie van druk, afstand tussen de elektroden en het type gas dat de elektroden omringt. Wanneer een boog begint, is de klemspanning veel lager dan die van een glimontlading en is de stroom hoger. Een boog in gassen nabij atmosferische druk wordt gekenmerkt door zichtbaar licht,hoge stroomdichtheid en hoge temperatuur. Het verschilt van een glimontlading doordat de effectieve temperaturen van zowel elektronen als positieve ionen ongeveer hetzelfde zijn, en in een glimontlading hebben ionen een veel lagere thermische energie dan elektronen.
Bij het lassen
Een verlengde boog kan worden gestart door twee elektroden die aanvankelijk in contact zijn en tijdens het experiment worden gescheiden. Deze actie kan een boog initiëren zonder een hoogspanningsglimontlading. Dit is de manier waarop de lasser de verbinding begint te lassen door de laselektrode onmiddellijk tegen het werkstuk aan te raken.
Een ander voorbeeld is de scheiding van elektrische contacten op schakelaars, relais of stroomonderbrekers. In circuits met hoge energie kan boogonderdrukking nodig zijn om contactschade te voorkomen.
Voltaïsche boog: kenmerken
Elektrische weerstand langs een continue boog creëert warmte die meer gasmoleculen ioniseert (waarbij de mate van ionisatie wordt bepaald door de temperatuur), en in overeenstemming met deze volgorde verandert het gas geleidelijk in een thermisch plasma dat in thermisch evenwicht is omdat de temperatuur relatief gelijkmatig is verdeeld over alle atomen, moleculen, ionen en elektronen. De energie die door de elektronen wordt overgedragen, verspreidt zich snel met zwaardere deeltjes door elastische botsingen vanwege hun hoge mobiliteit en grote aantallen.
De stroom in de boog wordt ondersteund door thermionische en veldemissie van elektronen aan de kathode. Huidigkan worden geconcentreerd op een zeer kleine hotspot op de kathode - in de orde van een miljoen ampère per vierkante centimeter. In tegenstelling tot de glimontlading is de boogstructuur nauwelijks te onderscheiden, omdat de positieve kolom vrij helder is en zich aan beide uiteinden bijna tot aan de elektroden uitstrekt. De kathodeval en de anodeval van enkele volts treden op binnen een fractie van een millimeter van elke elektrode. De positieve kolom heeft een lagere spanningsgradiënt en kan afwezig zijn in zeer korte bogen.
Lage frequentie boog
Lage frequentie (minder dan 100 Hz) AC-boog lijkt op DC-boog. Bij elke cyclus wordt de boog geïnitieerd door een doorslag en veranderen de elektroden van rol wanneer de stroom van richting verandert. Naarmate de stroomfrequentie toeneemt, is er niet genoeg tijd voor ionisatie bij divergentie in elke halve cyclus, en doorslag is niet langer nodig om de boog te behouden - de spannings- en stroomkarakteristiek worden meer ohms.
Een plek tussen andere fysieke verschijnselen
Verschillende boogvormen zijn opkomende eigenschappen van niet-lineaire stroom- en elektrische veldpatronen. De boog vindt plaats in een met gas gevulde ruimte tussen twee geleidende elektroden (vaak wolfraam of koolstof), wat resulteert in zeer hoge temperaturen die de meeste materialen kunnen smelten of verdampen. Een elektrische boog is een continue ontlading, terwijl een soortgelijke elektrische vonkontlading ogenblikkelijk is. Een voltaïsche boog kan zowel in DC-circuits als in AC-circuits voorkomen. In het laatste geval mag zesla elke halve cyclus van de stroom. Een elektrische boog verschilt van een glimontlading doordat de stroomdichtheid vrij hoog is en de spanningsval binnen de boog laag. Bij de kathode kan de stroomdichtheid oplopen tot één megaampère per vierkante centimeter.
Destructief potentieel
De elektrische boog heeft een niet-lineaire relatie tussen stroom en spanning. Zodra de boog is gemaakt (ofwel door voort te gaan uit een glimontlading of door de elektroden even aan te raken en ze vervolgens te scheiden), resulteert de toename van de stroom in een lagere spanning tussen de boogterminals. Dit negatieve weerstandseffect vereist dat een of andere vorm van positieve impedantie (zoals elektrische ballast) in het circuit wordt geplaatst om een stabiele boog te behouden. Deze eigenschap zorgt ervoor dat ongecontroleerde elektrische bogen in een machine zo destructief zijn, dat als de boog eenmaal optreedt, deze steeds meer stroom van de gelijkspanningsbron zal trekken totdat het apparaat wordt vernietigd.
Praktische toepassing
Op industriële schaal worden elektrische bogen gebruikt voor lassen, plasmasnijden, machinale bewerking met elektrische ontlading, als booglamp in filmprojectoren en in verlichting. Elektrische boogovens worden gebruikt om staal en andere stoffen te produceren. Calciumcarbide wordt op deze manier verkregen, omdat om een endotherme reactie te bereiken (bij temperaturen van 2500 ° C) een grote hoeveelheidenergie.
Carbon booglampen waren de eerste elektrische lampen. Ze werden gebruikt voor straatlantaarns in de 19e eeuw en voor gespecialiseerde apparaten zoals zoeklichten tot de Tweede Wereldoorlog. Tegenwoordig worden elektrische vlambogen met lage druk in veel gebieden gebruikt. Fluorescentie-, kwik-, natrium- en metaalhalogenidelampen worden bijvoorbeeld gebruikt voor verlichting, terwijl xenon-booglampen worden gebruikt voor filmprojectoren.
De vorming van een intense elektrische boog, zoals een kleinschalige boogflits, is de basis van explosieve ontstekers. Toen wetenschappers ontdekten wat een voltaïsche boog is en hoe deze kan worden gebruikt, hebben effectieve explosieven de verscheidenheid aan wereldwapens aangevuld.
De belangrijkste resterende toepassing is hoogspanningsschakelaars voor transmissienetwerken. Moderne apparaten gebruiken ook zwavelhexafluoride onder hoge druk.
Conclusie
Ondanks de frequentie van verbranding door voltaïsche bogen, wordt het beschouwd als een zeer nuttig fysiek fenomeen, dat nog steeds veel wordt gebruikt in de industrie, productie en decoratieve artikelen. Ze heeft haar eigen esthetiek en is vaak te zien in sciencefictionfilms. De nederlaag van de voltaïsche boog is niet dodelijk.
