כשמדברים על המאפיינים של קשת וולטאית, כדאי להזכיר שהיא בעלת מתח נמוך יותר מפריקת זוהר והיא מסתמכת על קרינה תרמית של אלקטרונים מהאלקטרודות התומכות בקשת. במדינות דוברות אנגלית, מונח זה נחשב ארכאי ומיושן.
ניתן להשתמש בטכניקות דיכוי קשת כדי להפחית את משך הקשת או את הסבירות לקשתות.
בסוף שנות ה-1800, הקשת הוולטאית הייתה בשימוש נרחב לתאורה ציבורית. כמה קשתות חשמליות בלחץ נמוך משמשות ביישומים רבים. לדוגמה, מנורות פלורסנט, כספית, נתרן ומתכת הליד משמשות לתאורה. נעשה שימוש במנורות קשת קסנון למקרני סרטים.
פתיחת הקשת הוולטאית
תופעה זו תוארה לראשונה על ידי סר האמפרי דייווי במאמר משנת 1801 שפורסם ב-William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. עם זאת, התופעה שתיאר דייווי לא הייתה קשת חשמלית, אלא רק ניצוץ. חוקרים מאוחרים יותרכתב: זה כמובן תיאור לא של קשת, אלא של ניצוץ. עיקרו של הראשון הוא שהוא חייב להיות רציף, ואסור לו לגעת בקטבים לאחר שקם. ברור שהניצוץ שיצר סר האמפרי דייווי לא היה רציף, ולמרות שהוא נשאר טעון במשך זמן מה לאחר מגע עם אטומי פחמן, קרוב לוודאי שלא היה קשר של הקשת, מה שהכרחי לסיווגה כוולטאית.
באותה שנה, דייווי הדגים בפומבי את ההשפעה בפני החברה המלכותית על ידי העברת זרם חשמלי דרך שני מוטות פחמן נוגעים ואז משיכתם במרחק קצר זה מזה. ההדגמה הראתה קשת "חלשה", שכמעט לא ניתנת להבדלה מניצוץ יציב, בין נקודות של פחם. הקהילה המדעית סיפקה לו סוללה חזקה יותר של 1000 לוחות, ובשנת 1808 הוא הדגים התרחשות של קשת וולטאית בקנה מידה גדול. הוא זוכה גם בשמו באנגלית (קשת חשמלית). הוא קרא לזה קשת מכיוון שהיא לובשת צורה של קשת כלפי מעלה כשהמרחק בין האלקטרודות מתקרב. זה נובע מתכונות המוליכות של גז חם.
איך הופיעה הקשת הוולטאית? הקשת הרציפה הראשונה תועדה באופן עצמאי ב-1802 ותוארה ב-1803 כ"נוזל מיוחד בעל תכונות חשמליות" על ידי המדען הרוסי וסילי פטרוב, שערך ניסויים בסוללת נחושת-אבץ בעלת 4,200 דיסקים.
מחקר נוסף
בסוף המאה התשע-עשרה, הקשת הוולטאית הייתה נרחבתמשמש לתאורה ציבורית. הנטייה של קשתות חשמליות להבהב ולשרוק הייתה בעיה מרכזית. בשנת 1895, הרטה מרקס איירטון כתבה סדרה של מאמרים על חשמל, והסבירה שהקשת הוולטאית היא תוצאה של חמצן שבא במגע עם מוטות הפחמן ששימשו ליצירת הקשת.
בשנת 1899, היא הייתה האישה הראשונה אי פעם שמסרה עבודה משלה בפני המכון למהנדסי חשמל (IEE). הדו"ח שלה היה תחת הכותרת "המנגנון של קשת החשמל". זמן קצר לאחר מכן, איירטון נבחרה כחברה הראשונה במכון למהנדסי חשמל. האישה הבאה התקבלה למכון כבר ב-1958. איירטון עתרה לקרוא מאמר בפני החברה המלכותית, אך לא הורשה לעשות זאת בגלל מגדרה, ואת מנגנון הקשת החשמלית קרא ג'ון פרי במקומה בשנת 1901.
Description
קשת חשמלית היא סוג של פריקה חשמלית עם צפיפות הזרם הגבוהה ביותר. הזרם המרבי הנמשך דרך הקשת מוגבל רק על ידי הסביבה, לא על ידי הקשת עצמה.
ניתן ליזום את הקשת בין שתי אלקטרודות על ידי יינון ופריקת זוהר כאשר הזרם דרך האלקטרודות מוגבר. מתח השבר של מרווח האלקטרודות הוא פונקציה משולבת של לחץ, מרחק בין האלקטרודות וסוג הגז המקיף את האלקטרודות. כאשר קשת מתחילה, המתח המסוף שלה נמוך בהרבה מזה של פריקת זוהר, והזרם גבוה יותר. קשת בגזים ליד לחץ אטמוספרי מאופיינת באור נראה,צפיפות זרם גבוהה וטמפרטורה גבוהה. זה שונה מפריקת זוהר בכך שהטמפרטורות האפקטיביות של אלקטרונים ושל יונים חיוביות הן בערך זהות, ובפריקת זוהר, ליונים יש אנרגיה תרמית נמוכה בהרבה מאלקטרונים.
בעת ריתוך
ניתן ליזום קשת מורחבת על ידי שתי אלקטרודות שבהתחלה נמצאות במגע ומופרדות במהלך הניסוי. פעולה זו יכולה ליזום קשת ללא פריקת זוהר במתח גבוה. זו הדרך שבה הרתך מתחיל לרתך את המפרק על ידי נגיעה מיידית באלקטרודת הריתוך לחומר העבודה.
דוגמה נוספת היא הפרדת מגעים חשמליים במתגים, ממסרים או מפסקי חשמל. במעגלים בעלי אנרגיה גבוהה עשוי להידרש דיכוי קשת כדי למנוע נזק למגע.
קשת וולטאית: מאפיינים
התנגדות חשמלית לאורך קשת מתמשכת יוצרת חום המיינן יותר מולקולות גז (כאשר דרגת היינון נקבעת לפי טמפרטורה), ובהתאם לרצף זה, הגז הופך בהדרגה לפלזמה תרמית הנמצאת בשיווי משקל תרמי מכיוון שהטמפרטורה מפוזרת באופן אחיד יחסית לכל האטומים, המולקולות, היונים והאלקטרונים. האנרגיה המועברת על ידי האלקטרונים מתפזרת במהירות עם חלקיקים כבדים יותר באמצעות התנגשויות אלסטיות בשל הניידות הגבוהה ומספרם הגדול.
הזרם בקשת נתמך בפליטת תרמיונית ושדה של אלקטרונים בקתודה. נוֹכְחִייכול להיות מרוכז בנקודה חמה קטנה מאוד על הקתודה - בסדר גודל של מיליון אמפר לסנטימטר רבוע. בניגוד לפריקת הזוהר, כמעט ולא ניתן להבחין במבנה הקשת, מכיוון שהעמוד החיובי בהיר למדי ומשתרע כמעט עד לאלקטרודות בשני הקצוות. נפילת הקתודה וירידת האנודה של כמה וולטים מתרחשות בתוך שבריר של מילימטר מכל אלקטרודה. לעמוד החיובי יש שיפוע מתח נמוך יותר והוא עשוי להיעדר בקשתות קצרות מאוד.
קשת בתדר נמוך
תדר נמוך (פחות מ-100 הרץ) קשת AC דומה לקשת DC. בכל מחזור, הקשת מתחילה על ידי התמוטטות, והאלקטרודות משנות תפקידים כאשר הזרם משנה כיוון. ככל שתדר הזרם עולה, אין מספיק זמן ליינון בהתבדלות בכל חצי מחזור, ואין צורך עוד בפירוק כדי לשמור על הקשת - מאפיין המתח והזרם הופך לאוהמי יותר.
מקום בין תופעות פיזיות אחרות
צורות קשת שונות הן תכונות מתפתחות של דפוסי זרם ושדה חשמלי לא ליניארי. הקשת מתרחשת בחלל מלא בגז בין שתי אלקטרודות מוליכות (לעיתים קרובות טונגסטן או פחמן), וכתוצאה מכך טמפרטורות גבוהות מאוד המסוגלות להמיס או לאדות את רוב החומרים. קשת חשמלית היא פריקה מתמשכת, בעוד פריקת ניצוץ חשמלי דומה היא מיידית. קשת וולטאית יכולה להתרחש במעגלי DC או במעגלי AC. במקרה האחרון, היא עשויהלהכות כל חצי מחזור של הזרם. קשת חשמלית שונה מפריקת זוהר בכך שצפיפות הזרם גבוהה למדי ומפל המתח בתוך הקשת נמוך. בקתודה, צפיפות הזרם יכולה להגיע למגה אמפר אחד לסנטימטר מרובע.
פוטנציאל הרסני
לקשת החשמלית יש קשר לא ליניארי בין זרם ומתח. לאחר יצירת הקשת (או על ידי התקדמות מפריקה זוהרת או על ידי נגיעה רגעית באלקטרודות ואז הפרדתן), העלייה בזרם גורמת למתח נמוך יותר בין מסופי הקשת. אפקט התנגדות שלילי זה מחייב צורה כלשהי של עכבה חיובית (כמו נטל חשמלי) להיות ממוקם במעגל כדי לשמור על קשת יציבה. תכונה זו היא שגורמת לקשתות חשמליות בלתי מבוקרות במכונה להיות כל כך הרסניות, שכן ברגע שהקשת מתרחשת היא תמשוך עוד ועוד זרם ממקור מתח DC עד שהמכשיר ייהרס.
יישום מעשי
בקנה מידה תעשייתי, קשתות חשמליות משמשות לריתוך, חיתוך פלזמה, עיבוד שבבי של פריקה חשמלית, כמנורת קשת במקרני סרטים ובתאורה. תנורי קשת חשמליים משמשים לייצור פלדה וחומרים אחרים. סידן קרביד מתקבל בדרך זו, שכן כדי להשיג תגובה אנדותרמית (בטמפרטורות של 2500 מעלות צלזיוס) כמות גדולה שלאנרגיה.
אורות קשת פחמן היו האורות החשמליים הראשונים. הם שימשו לפנסי רחוב במאה ה-19 ולמכשירים מיוחדים כמו זרקורים עד מלחמת העולם השנייה. כיום משתמשים בקשתות חשמליות בלחץ נמוך בתחומים רבים. לדוגמה, מנורות פלורסנט, כספית, נתרן ומתכת הליד משמשות לתאורה, בעוד שמנורות קשת קסנון משמשות למקרני סרטים.
היווצרות של קשת חשמלית עזה, כמו הבזק קשת בקנה מידה קטן, היא הבסיס של מפוצצי נפץ. כאשר מדענים למדו מהי קשת וולטאית וכיצד ניתן להשתמש בה, חומרי נפץ יעילים חידשו את מגוון כלי הנשק בעולם.
היישום העיקרי שנותר הוא מתג מתח גבוה עבור רשתות תמסורת. מכשירים מודרניים משתמשים גם בהקספלואוריד גופרית בלחץ גבוה.
מסקנה
למרות התדירות של צריבות קשת וולטאית, היא נחשבת לתופעה פיזיקלית שימושית מאוד, שעדיין נעשה בה שימוש נרחב בתעשייה, בייצור ובפריטים דקורטיביים. יש לה אסתטיקה משלה והיא מופיעה לעתים קרובות בסרטי מדע בדיוני. התבוסה של הקשת הוולטאית אינה קטלנית.
