عند الحديث عن خصائص القوس الفولتية ، من الجدير بالذكر أنه يحتوي على جهد أقل من تفريغ الوهج ويعتمد على الإشعاع الحراري للإلكترونات من الأقطاب الكهربائية التي تدعم القوس. في البلدان الناطقة باللغة الإنجليزية ، يعتبر هذا المصطلح قديمًا وعفا عليه الزمن.
يمكن استخدام تقنيات قمع القوس لتقليل مدة القوس أو احتمالية الانحناء.
في أواخر القرن التاسع عشر ، استخدم القوس الفولتية على نطاق واسع للإضاءة العامة. تستخدم بعض الأقواس الكهربائية ذات الضغط المنخفض في العديد من التطبيقات. على سبيل المثال ، مصابيح الفلورسنت والزئبق والصوديوم ومصابيح هاليد المعدن تستخدم للإضاءة. تم استخدام مصابيح الزينون القوسية في أجهزة عرض الأفلام.
فتح القوس الفولتية
يعتقد أن السير همفري ديفي وصف هذه الظاهرة لأول مرة في مقال نشر عام 1801 في مجلة ويليام نيكلسون للفلسفة الطبيعية والكيمياء والفنون. ومع ذلك ، فإن الظاهرة التي وصفها ديفي لم تكن قوسًا كهربائيًا ، بل كانت مجرد شرارة. المستكشفون في وقت لاحقكتب: من الواضح أن هذا وصف ليس لقوس ، بل شرارة. وجوهر الأول أنه يجب أن يكون متواصلاً ، ويجب ألا يتلامس أقطابه بعد ظهوره. من الواضح أن الشرارة التي أحدثها السير همفري ديفي لم تكن مستمرة ، وعلى الرغم من أنها ظلت مشحونة لبعض الوقت بعد ملامستها لذرات الكربون ، لم يكن هناك على الأرجح أي اتصال للقوس ، وهو أمر ضروري لتصنيفه كشرارة فولطية.
في العام نفسه ، أظهر ديفي علنًا التأثير أمام الجمعية الملكية من خلال تمرير تيار كهربائي عبر قضيبين من الكربون الملامسين ثم سحبهما بعيدًا عن بعضهما لمسافة قصيرة. وأظهرت المظاهرة قوسًا "ضعيفًا" ، لا يمكن تمييزه بالكاد عن شرارة ثابتة ، بين نقاط الفحم. زوده المجتمع العلمي ببطارية أكثر قوة من 1000 لوحة ، وفي عام 1808 أظهر حدوث قوس فولتية على نطاق واسع. كما يُنسب إليه اسمه باللغة الإنجليزية (القوس الكهربائي). أطلق عليه اسم قوس لأنه يأخذ شكل قوس صاعد عندما تصبح المسافة بين الأقطاب الكهربائية قريبة. هذا بسبب الخصائص الموصلة للغاز الساخن.
كيف ظهر القوس الفولتية؟ تم تسجيل أول قوس مستمر بشكل مستقل في عام 1802 ووصف في عام 1803 بأنه "سائل خاص بخصائص كهربائية" من قبل العالم الروسي فاسيلي بتروف ، الذي كان يجرب بطارية نحاس زنك بسعة 4200 قرص.
مزيد من الدراسة
في نهاية القرن التاسع عشر ، كان القوس الفولتية واسع الانتشارتستخدم للإضاءة العامة. كان ميل الأقواس الكهربائية إلى الوميض والهسهسة مشكلة كبيرة. في عام 1895 ، كتب هيرتا ماركس أيرتون سلسلة من الأوراق عن الكهرباء ، موضحًا أن القوس الفولتية كان نتيجة لتلامس الأكسجين مع قضبان الكربون المستخدمة في إنشاء القوس.
في عام 1899 ، كانت أول امرأة تقدم أوراقها الخاصة قبل معهد المهندسين الكهربائيين (IEE). وكان تقريرها بعنوان "آلية القوس الكهربائي". بعد ذلك بوقت قصير ، تم انتخاب آيرتون كأول عضوة في معهد المهندسين الكهربائيين. تم قبول المرأة التالية في المعهد بالفعل في عام 1958. التمست آيرتون قراءة ورقة أمام الجمعية الملكية ، لكن لم يُسمح لها بذلك بسبب جنسها ، وقرأ جون بيري آلية القوس الكهربائي بدلاً منها في عام 1901.
الوصف
القوس الكهربائي هو نوع من التفريغ الكهربائي بأعلى كثافة تيار. الحد الأقصى للتيار المرسوم عبر القوس محدود فقط بالبيئة ، وليس بالقوس نفسه.
يمكن أن يبدأ القوس بين قطبين عن طريق التأين وتفريغ الوهج عند زيادة التيار عبر الأقطاب الكهربائية. جهد انهيار فجوة القطب الكهربائي هو دالة مجمعة للضغط والمسافة بين الأقطاب الكهربائية ونوع الغاز المحيط بالأقطاب الكهربائية. عندما يبدأ القوس ، يكون جهده النهائي أقل بكثير من جهد تفريغ التوهج ، ويكون التيار أعلى. يتميز القوس الموجود في الغازات بالقرب من الضغط الجوي بالضوء المرئي ،كثافة تيار عالية ودرجة حرارة عالية. وهو يختلف عن التفريغ المتوهج في أن درجات الحرارة الفعالة لكل من الإلكترونات والأيونات الموجبة متماثلة تقريبًا ، وفي التفريغ المتوهج ، تتمتع الأيونات بطاقة حرارية أقل بكثير من الإلكترونات.
عند اللحام
يمكن بدء قوس ممتد بواسطة قطبين كهربائيين في البداية على اتصال وفصلهما أثناء التجربة. يمكن أن يؤدي هذا الإجراء إلى بدء قوس بدون تفريغ توهج عالي الجهد. هذه هي الطريقة التي يبدأ بها اللحام في لحام المفصل عن طريق ملامسة قطب اللحام بقطعة العمل على الفور.
مثال آخر هو فصل التلامسات الكهربائية على المفاتيح أو المرحلات أو قواطع الدائرة. في الدوائر عالية الطاقة قد يكون من الضروري قمع القوس لمنع تلف التلامس.
القوس الفولتية: الخصائص
المقاومة الكهربائية على طول قوس مستمر تولد حرارة تؤين المزيد من جزيئات الغاز (حيث يتم تحديد درجة التأين حسب درجة الحرارة) ، ووفقًا لهذا التسلسل ، يتحول الغاز تدريجيًا إلى بلازما حرارية في حالة توازن حراري حيث يتم توزيع درجة الحرارة بشكل موحد نسبيًا لجميع الذرات والجزيئات والأيونات والإلكترونات. الطاقة التي تنقلها الإلكترونات تتشتت بسرعة مع الجسيمات الثقيلة من خلال الاصطدامات المرنة بسبب حركتها العالية وأعدادها الكبيرة.
التيار في القوس مدعوم بالانبعاث الحراري والميداني للإلكترونات عند الكاثود. تياريمكن أن تتركز في بقعة ساخنة صغيرة جدًا على الكاثود - في حدود مليون أمبير لكل سنتيمتر مربع. على عكس التفريغ المتوهج ، يصعب تمييز هيكل القوس ، حيث أن العمود الموجب لامع جدًا ويمتد تقريبًا إلى الأقطاب الكهربائية في كلا الطرفين. يحدث انخفاض الكاثود وقطرة القطب الموجب لبضعة فولتات في جزء من المليمتر من كل قطب كهربائي. يحتوي العمود الموجب على تدرج جهد منخفض وقد يكون غائبًا في أقواس قصيرة جدًا.
قوس التردد المنخفض
التردد المنخفض (أقل من 100 هرتز) قوس التيار المتردد يشبه التيار المستمر. في كل دورة ، يبدأ القوس بانهيار ، وتغير الأقطاب الكهربائية أدوارها عندما يغير التيار اتجاهه. مع زيادة التردد الحالي ، لا يوجد وقت كاف للتأين عند التباعد في كل نصف دورة ، ولم تعد هناك حاجة إلى الانهيار للحفاظ على القوس - يصبح الجهد والتيار أكثر أوم.
مكان بين الظواهر الفيزيائية الأخرى
أشكال القوس المختلفة هي خصائص ناشئة لأنماط التيار غير الخطي وأنماط المجال الكهربائي. يحدث القوس في مساحة مليئة بالغاز بين قطبين موصلين (غالبًا تنجستين أو كربون) ، مما يؤدي إلى درجات حرارة عالية جدًا قادرة على إذابة أو تبخير معظم المواد. القوس الكهربائي هو تفريغ مستمر ، في حين أن تفريغ شرارة كهربائية مماثل يكون فوريًا. يمكن أن يحدث القوس الفولتي إما في دوائر التيار المستمر أو في دوائر التيار المتردد. في الحالة الأخيرة ، يجوز لهايضرب كل نصف دورة للتيار. يختلف القوس الكهربائي عن التفريغ المتوهج في أن كثافة التيار عالية إلى حد ما وانخفاض الجهد داخل القوس منخفض. عند الكاثود ، يمكن أن تصل كثافة التيار إلى ميغا أمبير لكل سنتيمتر مربع.
القدرة المدمرة
القوس الكهربائي له علاقة غير خطية بين التيار والجهد. بمجرد إنشاء القوس (إما بالتقدم من تفريغ التوهج أو عن طريق لمس الأقطاب الكهربائية لحظياً ثم فصلها) ، تؤدي الزيادة في التيار إلى انخفاض الجهد بين أطراف القوس. يتطلب تأثير المقاومة السلبي هذا وضع شكل من أشكال المعاوقة الإيجابية (مثل الصابورة الكهربائية) في الدائرة للحفاظ على قوس ثابت. هذه الخاصية هي التي تجعل الأقواس الكهربائية غير المتحكم فيها في الآلة مدمرة للغاية ، حيث بمجرد حدوث القوس ، فإنه سوف يسحب المزيد والمزيد من التيار من مصدر جهد التيار المستمر حتى يتم تدمير الجهاز.
تطبيق عملي
على نطاق صناعي ، تُستخدم الأقواس الكهربائية في اللحام ، وقطع البلازما ، وتصنيع التفريغ الكهربائي ، كمصباح قوس في أجهزة عرض الأفلام وفي الإضاءة. تستخدم أفران القوس الكهربائي لإنتاج الفولاذ والمواد الأخرى. يتم الحصول على كربيد الكالسيوم بهذه الطريقة ، لأنه لتحقيق تفاعل ماص للحرارة (عند درجات حرارة 2500 درجة مئوية) كمية كبيرة منالطاقة.
كانت مصابيح القوس الكربوني هي الأضواء الكهربائية الأولى. تم استخدامها لمصابيح الشوارع في القرن التاسع عشر وللأجهزة المتخصصة مثل الكشافات حتى الحرب العالمية الثانية. تستخدم اليوم الأقواس الكهربائية ذات الضغط المنخفض في العديد من المجالات. على سبيل المثال ، مصابيح الفلوريسنت والزئبق والصوديوم ومصابيح الهاليد المعدنية تستخدم للإضاءة ، بينما مصابيح الزينون القوسية تستخدم في أجهزة عرض الأفلام.
تشكيل قوس كهربائي مكثف ، مثل وميض القوس الصغير ، هو أساس المفجرات المتفجرة. عندما تعلم العلماء ما هو القوس الفولتية وكيف يمكن استخدامه ، قامت المتفجرات الفعالة بتجديد مجموعة متنوعة من الأسلحة العالمية.
التطبيق الرئيسي المتبقي هو المفاتيح الكهربائية ذات الجهد العالي لشبكات النقل. تستخدم الأجهزة الحديثة أيضًا سداسي فلوريد الكبريت عالي الضغط.
الخلاصة
على الرغم من تكرار حروق القوس الفولتية ، إلا أنها تعتبر ظاهرة فيزيائية مفيدة للغاية ، ولا تزال تستخدم على نطاق واسع في الصناعة والتصنيع والعناصر الزخرفية. لديها جمالياتها الخاصة وغالبًا ما تظهر في أفلام الخيال العلمي. هزيمة القوس الفولتية ليست قاتلة.
