Voltakare omadustest rääkides tasub mainida, et selle pinge on madalam kui hõõglahendusel ja see tugineb kaare toetavate elektroodide elektronide termokiirgusele. Ingliskeelsetes riikides peetakse seda terminit arhailiseks ja aegunuks.
Kaare summutamise tehnikaid saab kasutada kaare kestuse või kaare tekkimise tõenäosuse vähendamiseks.
1800. aastate lõpus kasutati voltkaare laialdaselt avalikus valgustuses. Mõnda madala rõhuga elektrikaare kasutatakse paljudes rakendustes. Valgustusena kasutatakse näiteks luminofoorlampe, elavhõbeda-, naatrium- ja metallhalogeniidlampe. Filmiprojektorites kasutati ksenoonkaarlampe.
Voltekaare avamine
Arvatakse, et seda nähtust kirjeldas esmakordselt Sir Humphry Davy 1801. aasta artiklis, mis avaldati William Nicholsoni ajakirjas Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. Davy kirjeldatud nähtus polnud aga elektrikaar, vaid ainult säde. Hilisemad uurijadkirjutas: See on ilmselgelt mitte kaare, vaid sädeme kirjeldus. Esimese olemus seisneb selles, et see peab olema pidev ja selle poolused ei tohi pärast selle tekkimist kokku puutuda. Sir Humphry Davy tekitatud säde ei olnud ilmselgelt pidev ja kuigi see jäi pärast süsinikuaatomitega kokkupuudet mõneks ajaks laetuks, puudus tõenäoliselt kaarühendus, mis on vajalik selle klassifitseerimiseks voltaatomiks.
Samal aastal demonstreeris Davy seda efekti avalikult Kuningliku Seltsi ees, lastes elektrivoolu läbi kahe puudutava süsiniku varda ja tõmmates need seejärel üksteisest veidi eemale. Demonstratsioonil oli söepunktide vahel "nõrk" kaar, mis oli vaev alt eristatav püsivast sädemest. Teadusringkonnad varustasid teda võimsama, 1000 plaadist koosneva akuga ning 1808. aastal demonstreeris ta suures plaanis voltkaare tekkimist. Talle omistatakse ka selle nimi inglise keeles (electric arc). Ta nimetas seda kaareks, kuna elektroodide vahelise kauguse vähenemisel on see ülespoole suunatud vibu kuju. See on tingitud kuuma gaasi juhtivatest omadustest.
Kuidas voltikaar tekkis? Esimene pidev kaar registreeriti iseseisv alt 1802. aastal ja seda kirjeldas 1803. aastal kui "elektriliste omadustega erilist vedelikku" vene teadlane Vassili Petrov, kes katsetas 4200 kettaga vask-tsinkpatarei.
Edasine uuring
Üheksateistkümnenda sajandi lõpus oli voltkaare laialdanekasutatakse avalikuks valgustuseks. Suureks probleemiks oli elektrikaare kalduvus väreleda ja susiseda. 1895. aastal kirjutas Hertha Marx Ayrton rea artikleid elektri kohta, selgitades, et voltikaar tekkis hapniku kokkupuutel kaare tekitamiseks kasutatud süsinikvarrastega.
Aastal 1899 oli ta esimene naine, kes andis oma paberi enne Elektriinseneride Instituuti (IEE). Tema aruanne kandis pealkirja "Elektrikaare mehhanism". Varsti pärast seda valiti Ayrton elektriinseneride instituudi esimeseks naisliikmeks. Järgmine naine võeti instituuti vastu juba 1958. aastal. Ayrton taotles kuninglikus seltsis artikli lugemist, kuid tal ei lubatud seda tema soo tõttu teha, ja tema asemel luges 1901. aastal John Perry teose The Mechanism of the Electric Arc.
Kirjeldus
Elektrikaar on suurima voolutihedusega elektrilahendus. Maksimaalset kaare läbivat voolu piirab ainult keskkond, mitte kaar ise.
Kaare kahe elektroodi vahel saab käivitada ionisatsiooni ja hõõglahendusega, kui elektroode läbivat voolu suurendatakse. Elektroodide vahe läbilöögipinge on rõhu, elektroodide vahelise kauguse ja elektroode ümbritseva gaasi tüübi kombineeritud funktsioon. Kaare käivitumisel on selle klemmipinge palju väiksem kui hõõglahendusel ja vool on suurem. Gaaside kaare atmosfäärirõhu lähedal iseloomustab nähtav valgus,kõrge voolutihedus ja kõrge temperatuur. See erineb hõõglahendusest selle poolest, et nii elektronide kui ka positiivsete ioonide efektiivsed temperatuurid on ligikaudu samad ja hõõgloonimisel on ioonide soojusenergia palju väiksem kui elektronidel.
Keevitamisel
Laiendatud kaare saab käivitada kahe algselt kokku puutuva ja katse ajal eraldatud elektroodi abil. See toiming võib käivitada kaare ilma kõrgepinge hõõglahenduseta. Nii alustab keevitaja liitekoha keevitamist, puudutades koheselt keevituselektroodi töödeldava detailiga.
Teine näide on lülitite, releede või kaitselülitite elektrikontaktide eraldamine. Suure energiatarbega ahelates võib kontaktide kahjustamise vältimiseks olla vajalik kaare summutamine.
Voltakaar: omadused
Elektritakistus piki pidevat kaar tekitab soojust, mis ioniseerib rohkem gaasimolekule (kus ionisatsiooniastme määrab temperatuur), ja vastav alt sellele järjestusele muutub gaas järk-järgult termilises tasakaalus olevaks termiliseks plasmaks kuna temperatuur on suhteliselt ühtlaselt jaotunud kõikide aatomite, molekulide, ioonide ja elektronide jaoks. Elektronide ülekantav energia hajub nende suure liikuvuse ja suure arvu tõttu kiiresti koos raskemate osakestega elastsete kokkupõrgete kaudu.
Kaare voolu toetab elektronide termo- ja väljaemissioon katoodil. Praegunesaab koondada katoodi väga väikesesse kuuma kohta – suurusjärgus miljon amprit ruutsentimeetri kohta. Erinev alt hõõglahendusest on kaare struktuur vaev alt eristatav, kuna positiivne sammas on üsna hele ja ulatub mõlemast otsast peaaegu elektroodideni. Katoodilangus ja mõnevoldine anoodilangus toimuvad iga elektroodi millimeetri murdosa piires. Positiivsel veerul on madalam pingegradient ja see võib puududa väga lühikeste kaaredega.
Madala sagedusega kaar
Madal sagedus (alla 100 Hz) Vahelduvvoolukaar sarnaneb alalisvoolukaarega. Igal tsüklil käivitatakse kaar rikke tõttu ja elektroodid muudavad rolli, kui vool muudab suunda. Voolu sageduse kasvades ei jätku igal pooltsüklil divergentsi ioniseerimiseks piisav alt aega ja kaare säilitamiseks pole enam vaja katkestust – pinge ja voolu karakteristikud muutuvad oomilisemaks.
Koht teiste füüsikaliste nähtuste seas
Erinevad kaarekujud on mittelineaarsete voolu- ja elektriväljamustrite esilekerkivad omadused. Kaar tekib gaasiga täidetud ruumis kahe juhtiva elektroodi (sageli volfram või süsinik) vahel, mille tulemuseks on väga kõrge temperatuur, mis suudab enamiku materjale sulatada või aurustada. Elektrikaar on pidevlahendus, samas kui sarnane elektriline sädelahendus on hetkeline. Voltakaar võib tekkida kas alalis- või vahelduvvooluahelates. Viimasel juhul võib talööb iga voolu pooltsükli. Elektrikaar erineb hõõglahendusest selle poolest, et voolutihedus on üsna kõrge ja pingelang kaare sees väike. Katoodil võib voolutihedus ulatuda ühe megaamperini ruutsentimeetri kohta.
Huvitav potentsiaal
Elektrikaarel on voolu ja pinge vahel mittelineaarne seos. Kui kaar on tekitatud (kas hõõglahendusest edasi liikudes või elektroode hetkeks puudutades ja seejärel eraldades), põhjustab voolu suurenemine kaareklemmide vahel madalamat pinget. See negatiivse takistuse efekt nõuab stabiilse kaare säilitamiseks vooluringi mingi positiivse impedantsi (nagu elektriline liiteseadis) paigutamist. See omadus põhjustab masinas olevate kontrollimatute elektrikaarede hävitavat mõju, kuna kui kaar tekib, võtab see alalispingeallikast aina rohkem voolu, kuni seade hävib.
Praktiline rakendus
Tööstuslikus mastaabis kasutatakse elektrikaarte keevitamisel, plasmalõikamisel, elektrilahendusega töötlemisel, kaarelambina filmiprojektorites ja valgustuses. Elektrikaarahjusid kasutatakse terase ja muude ainete tootmiseks. K altsiumkarbiidi saadakse sel viisil, kuna endotermilise reaktsiooni saavutamiseks (temperatuuril 2500 ° C) kasutatakse suures kogusesenergiat.
Süsinikkaarevalgustid olid esimesed elektrivalgustid. Neid kasutati tänavavalgustite jaoks 19. sajandil ja spetsiaalsete seadmete jaoks, nagu prožektorid, kuni Teise maailmasõjani. Tänapäeval kasutatakse madala rõhuga elektrikaare paljudes valdkondades. Näiteks kasutatakse valgustamiseks fluorestsents-, elavhõbe-, naatrium- ja metallhalogeniidlampe, filmiprojektorites aga ksenoonkaarlampe.
Plahvatusohtlike detonaatorite aluseks on intensiivse elektrikaare teke, nagu väikesemahuline kaarevälk. Kui teadlased said teada, mis on voltkaare ja kuidas seda kasutada, on tõhusad lõhkeained täiendanud maailma relvade valikut.
Peamine ülejäänud rakendus on ülekandevõrkude kõrgepinge jaotusseadmed. Kaasaegsetes seadmetes kasutatakse ka kõrgsurve väävelheksafluoriidi.
Järeldus
Hoolimata voltkaarepõletuste sagedusest peetakse seda väga kasulikuks füüsikaliseks nähtuseks, mida kasutatakse endiselt laialdaselt tööstuses, tootmises ja dekoratiivesemetes. Tal on oma esteetika ja teda mängitakse sageli ulmefilmides. Voltakaare katkemine ei ole surmav.
