Quand on parle des caractéristiques d'un arc voltaïque, il convient de mentionner qu'il a une tension inférieure à celle d'une décharge luminescente et repose sur le rayonnement thermionique des électrons des électrodes qui supportent l'arc. Dans les pays anglophones, ce terme est considéré comme archaïque et obsolète.
Les techniques de suppression d'arc peuvent être utilisées pour réduire la durée de l'arc ou la probabilité d'arc.
À la fin des années 1800, l'arc voltaïque était largement utilisé pour l'éclairage public. Certains arcs électriques à basse pression sont utilisés dans de nombreuses applications. Par exemple, des lampes fluorescentes, des lampes au mercure, au sodium et aux halogénures métalliques sont utilisées pour l'éclairage. Des lampes à arc au xénon ont été utilisées pour les projecteurs de films.
Ouverture de l'arc voltaïque
Ce phénomène aurait été décrit pour la première fois par Sir Humphry Davy dans un article de 1801 publié dans le Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts de William Nicholson. Cependant, le phénomène décrit par Davy n'était pas un arc électrique, mais seulement une étincelle. Explorateurs ultérieursa écrit: Ceci n'est évidemment pas une description d'un arc, mais d'une étincelle. L'essence de la première est qu'elle doit être continue et que ses pôles ne doivent pas se toucher après qu'elle est apparue. L'étincelle créée par Sir Humphry Davy n'était clairement pas continue, et bien qu'elle soit restée chargée pendant un certain temps après le contact avec des atomes de carbone, il n'y avait très probablement aucune connexion de l'arc, ce qui est nécessaire pour sa classification comme voltaïque.
La même année, Davy a publiquement démontré l'effet devant la Royal Society en faisant passer un courant électrique à travers deux tiges de carbone en contact, puis en les écartant sur une courte distance. La démonstration a montré un arc "faible", difficilement distinguable d'une étincelle régulière, entre des pointes de charbon de bois. La communauté scientifique lui fournit une batterie plus puissante de 1000 plaques, et en 1808 il démontra l'apparition d'un arc voltaïque à grande échelle. Il est également crédité de son nom en anglais (arc électrique). Il l'a appelé un arc parce qu'il prend la forme d'un arc vers le haut lorsque la distance entre les électrodes devient proche. Cela est dû aux propriétés conductrices du gaz chaud.
Comment l'arc voltaïque est-il apparu ? Le premier arc continu a été enregistré indépendamment en 1802 et décrit en 1803 comme "un liquide spécial aux propriétés électriques" par le scientifique russe Vasily Petrov, qui expérimentait une batterie cuivre-zinc à 4 200 disques.
Étude complémentaire
À la fin du XIXe siècle, l'arc voltaïque était largementutilisé pour l'éclairage public. La tendance des arcs électriques à scintiller et à siffler était un problème majeur. En 1895, Hertha Marx Ayrton a écrit une série d'articles sur l'électricité, expliquant que l'arc voltaïque était le résultat du contact de l'oxygène avec les tiges de carbone utilisées pour créer l'arc.
En 1899, elle a été la première femme à donner son propre article devant l'Institute of Electrical Engineers (IEE). Son rapport s'intitulait "Le mécanisme de l'arc électrique". Peu de temps après, Ayrton a été élue première femme membre de l'Institute of Electrical Engineers. La femme suivante a été admise à l'institut déjà en 1958. Ayrton a demandé à lire un article devant la Royal Society, mais n'a pas été autorisée à le faire en raison de son sexe, et Le mécanisme de l'arc électrique a été lu par John Perry à sa place en 1901.
Description
Un arc électrique est un type de décharge électrique avec la densité de courant la plus élevée. Le courant maximal tiré à travers l'arc n'est limité que par l'environnement, et non par l'arc lui-même.
L'arc entre deux électrodes peut être initié par ionisation et décharge luminescente lorsque le courant à travers les électrodes est augmenté. La tension de claquage de l'espace entre les électrodes est une fonction combinée de la pression, de la distance entre les électrodes et du type de gaz entourant les électrodes. Lorsqu'un arc démarre, sa tension aux bornes est bien inférieure à celle d'une décharge luminescente et le courant est plus élevé. Un arc dans les gaz proches de la pression atmosphérique est caractérisé par la lumière visible,haute densité de courant et haute température. Elle diffère d'une décharge luminescente en ce que les températures effectives des électrons et des ions positifs sont approximativement les mêmes, et dans une décharge luminescente, les ions ont une énergie thermique beaucoup plus faible que les électrons.
Lors du soudage
Un arc prolongé peut être initié par deux électrodes initialement en contact et séparées au cours de l'expérience. Cette action peut déclencher un arc sans décharge luminescente haute tension. C'est ainsi que le soudeur commence à souder le joint en touchant instantanément l'électrode de soudage sur la pièce.
Un autre exemple est la séparation des contacts électriques sur les interrupteurs, les relais ou les disjoncteurs. Dans les circuits à haute énergie, une suppression d'arc peut être nécessaire pour éviter d'endommager les contacts.
Arc voltaïque: caractéristiques
La résistance électrique le long d'un arc continu crée de la chaleur qui ionise plus de molécules de gaz (où le degré d'ionisation est déterminé par la température), et conformément à cette séquence, le gaz se transforme progressivement en un plasma thermique en équilibre thermique car la température est relativement uniformément répartie pour tous les atomes, molécules, ions et électrons. L'énergie transférée par les électrons se disperse rapidement avec des particules plus lourdes par des collisions élastiques en raison de leur grande mobilité et de leur grand nombre.
Le courant dans l'arc est supporté par l'émission thermionique et de champ d'électrons à la cathode. Courantpeut être concentrée dans un très petit point chaud sur la cathode - de l'ordre d'un million d'ampères par centimètre carré. Contrairement à la décharge luminescente, la structure de l'arc est à peine distinguable, car la colonne positive est assez brillante et s'étend presque jusqu'aux électrodes aux deux extrémités. La chute de cathode et la chute d'anode de quelques volts se produisent à une fraction de millimètre de chaque électrode. La colonne positive a un gradient de tension plus faible et peut être absente dans les arcs très courts.
Arc basse fréquence
L'arc CA à basse fréquence (moins de 100 Hz) ressemble à l'arc CC. A chaque cycle, l'arc est amorcé par un claquage, et les électrodes changent de rôle lorsque le courant change de sens. Au fur et à mesure que la fréquence du courant augmente, il n'y a pas assez de temps pour l'ionisation à divergence dans chaque demi-cycle, et la panne n'est plus nécessaire pour maintenir l'arc - la caractéristique de tension et de courant devient plus ohmique.
Une place parmi d'autres phénomènes physiques
Différentes formes d'arc sont des propriétés émergentes des modèles de courant et de champ électrique non linéaires. L'arc se produit dans un espace rempli de gaz entre deux électrodes conductrices (souvent en tungstène ou en carbone), ce qui entraîne des températures très élevées capables de faire fondre ou de vaporiser la plupart des matériaux. Un arc électrique est une décharge continue, tandis qu'une décharge d'étincelle électrique similaire est instantanée. Un arc voltaïque peut se produire soit dans des circuits à courant continu, soit dans des circuits à courant alternatif. Dans ce dernier cas, elle peutfrapper chaque demi-cycle du courant. Un arc électrique diffère d'une décharge luminescente en ce que la densité de courant est plutôt élevée et la chute de tension dans l'arc est faible. A la cathode, la densité de courant peut atteindre un mégaampère par centimètre carré.
Potentiel destructeur
L'arc électrique a une relation non linéaire entre le courant et la tension. Une fois l'arc créé (soit en progressant à partir d'une décharge luminescente, soit en touchant momentanément les électrodes puis en les séparant), l'augmentation du courant se traduit par une tension plus faible entre les bornes de l'arc. Cet effet de résistance négative nécessite qu'une certaine forme d'impédance positive (comme un ballast électrique) soit placée dans le circuit pour maintenir un arc stable. Cette propriété est ce qui rend les arcs électriques incontrôlés dans une machine si destructeurs, car une fois que l'arc se produit, il tirera de plus en plus de courant de la source de tension continue jusqu'à ce que l'appareil soit détruit.
Application pratique
À l'échelle industrielle, les arcs électriques sont utilisés pour le soudage, le coupage plasma, l'électroérosion, comme lampe à arc dans les projecteurs de cinéma et dans l'éclairage. Les fours à arc électrique sont utilisés pour produire de l'acier et d'autres substances. Le carbure de calcium est obtenu de cette manière, car pour obtenir une réaction endothermique (à des températures de 2500 ° C), une grande quantité deénergie.
Les lampes à arc au carbone ont été les premières lampes électriques. Ils ont été utilisés pour les lampadaires au 19ème siècle et pour des appareils spécialisés tels que les projecteurs jusqu'à la Seconde Guerre mondiale. Aujourd'hui, les arcs électriques à basse pression sont utilisés dans de nombreux domaines. Par exemple, les lampes fluorescentes, au mercure, au sodium et aux halogénures métalliques sont utilisées pour l'éclairage, tandis que les lampes à arc au xénon sont utilisées pour les projecteurs de films.
La formation d'un arc électrique intense, comme un arc électrique à petite échelle, est à la base des détonateurs explosifs. Lorsque les scientifiques ont appris ce qu'est un arc voltaïque et comment il peut être utilisé, des explosifs efficaces ont reconstitué la variété des armes mondiales.
La principale application restante est l'appareillage haute tension pour les réseaux de transmission. Les appareils modernes utilisent également de l'hexafluorure de soufre à haute pression.
Conclusion
Malgré la fréquence des brûlures à l'arc voltaïque, il est considéré comme un phénomène physique très utile, encore largement utilisé dans l'industrie, la fabrication et les objets de décoration. Elle a sa propre esthétique et est souvent présentée dans des films de science-fiction. La défaite de l'arc voltaïque n'est pas fatale.
