قوس الکتریکی چیست؟

● تاریخچه
در سال ۱۸۰۲ پتروف (V.P.Petrof) كشف كرد كه اگر دو تكه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل كنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس كمی از هم جدا كنیم شعله روشنی بین دو تكه زغال دیده می شود. و انتهای آنها كه از شدت گرما سفید شده است نور خیره كننده ای گسیل می دارد. قوس الكتریكی هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیكدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد كرد كه این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.
● آزمایش ساده
اگر بخواهیم در یك روش ساده ای ایجاد قوس الكتریكی را نشان دهیم باید دو تكه كربن را روی گیره قابل تنظیم سوار نمود (بهتر است كه به جای زغال چوب معمولی میله خاصی كه از كربن قوس ساخته می شود و با فشار دادن مخلوط گرافیت ، كربن سیاه و مواد چسبنده به وجود می آیند، استفاده شود).
چشمه جریان می تواند برق شهر هم باشد برای اجتناب ازاینكه در لحظه تماس تكه های كربن مدار كوتاه ایجاد شود باید رئوستایی به طور متوالی به قوس وصل شود.
معمولا برق شهر با جریان متناوب تغذیه می شود. ولی در صورتی كه جریان مستقیم از آن عبور كند قوس پایدارتر است به طوری كه یكی از الكترودها همیشه مثبت «آند)و دیگری همواره منفی «كاتد)است.
● ماهیت قوس الكتریكی
در قوس الكتریكی الكترودها در اثر حرارت سفید رنگ می شود. ستونی از گاز ملتهب رسانای خوب الكتریكی بین الكترودها وجود دارد. در قوس معمولی این ستون نوری بسیار كمتر از نور تكه های كربن سفید شده از آزمایش‌های مربوط به گرما گسیل می كنند. چون الكترود مثبت دمایش از الكترود منفی بیشتر است زود تر از بین می رود. در نتیجه تصعید شدید كربن صورت گرفته و در آن الكترود (الكترود مثبت) فرورفتگی به وجود می آید كه به دهانه مثبت معروف است و داغ ترین نقطه الكترودهاست.
دمای دهانه در هوا و در فشار جو به ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد. در لامپ های قوسی سازوكارهای منظم و خود كار خاصی برای نزدیك كردن تكه های كربن با سرعت یكنواخت وقتی با سوختن از بین می روند، مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینكه سایش و خوردگی الكترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است،برای همین همیشه الكترود كربن مثبت كلفت تر از الكترود منفی اختیار می شود.
● دماهای بالا در قوس الكتریكی
قوس الكتریكی می تواند بین الكترودهای فلزی ساخته شده از آهن ، مس و غیره نیز بگیرد. در این حالت الكترودها به میزان زیادی ذوب و تبخیر می شوند و این عمل به مقدار زیادی آزمایش‌های مربوط به گرما احتیاج دارد. به این دلیل دمای مركز الكترود فلزی معمولا كمتر از دمای الكترود كربنی است (۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد).
قوسی كه بین الكترودهای كربن در گاز فشرده ای قرار می گیرد (حدود ۲۰atm) بالا رفتن دمای مركز مثبت تا ۵۹۰۰ درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممكن ساخته است. معلوم شده است كه كربن در این حالت ذوب می شود. دمای باز هم بالاتری را می توان در ستونی از گاز و بخاری كه از آن تخلیه الكتریكی می گذرد، به دست آورد.
بمباران شدید این گاز و بخار با الكترون ها و یون هایی كه با میدان الكتریكی قوس شتاب گرفته اند دمای ستون گاز را ۶۰۰۰ تا ۷۰۰۰ درجه سانتیگراد می رساند. به این دلیل تقریبا تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الكتریكی ذوب و تبخیر می شوند. و بسیاری از واكنش های شیمیایی كه در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الكتریكی امكان پذیر می شوند. مثلا میله های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می شود.
● چگونگی ایجاد تخلیه قوس الكتریكی
برای ایجاد تخلیه قوس الكتریكی به ولتاژ زیادی احتیاج نیست با ولتاژ ۴۰ تا ۴۵ ولت بین الكترود ها می توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است. مثلا حتی در قوس كوچك جریان به ۵ آمپر می رسد، در حالیكه در قوس های بزرگ كه در مقیاس صنعتی به كار می روند جریان به صدها آمپر بالغ می شود. این به این معنا ست كه مقاومت قوس پایین است و از این رو ستون گاز تابان رسانای الكتریكی خوبی است.
● یونیزاسیون گاز با انرژی قوس الكتریكی
یونش شدید گاز با قوس الكتریكی به آن دلیل امكان پذیر است كه كاتد قوس الكتریكی تعداد زیادی الكترون گسیل می داد. این الكترون ها با برخورد با گاز داخل شكاف تخلیه گازی آن را یونیزه می كنند. گسیل الكترونی شدید از كاتد از آنجا ممكن می شود كه خود كاتد تا دمای بسیار بالایی گرم می شود (بسته به ماده از ۲۲۰۰ تا ۳۵۰۰). وقتی كه الكترودهای قوس در ابتدا تماس داده شوند تقریباً تمام گرمای ژول كه از الكترود ها می گذرد در ناحیه تماس كه مقاومت بسیار دارد آزاد می شود.
به این دلیل انتهای الكترودها به شدت گرم می شوند كه برای گیراندن قوس به هنگام جداكردن آنها كافی است آن وقت كاتد قوس توسط جریانی كه از قوس می گذرد، در حالت التهاب می ماند. در این فرایند بمباران كاتد توسط یون هایی كه به آن برخورد می كند نقش اصلی را ایفا می كند.
● مشخصه جریان ولتاژ قوس الكتریكی
یعنی بستگی جریان الكتریكی در قوس الكتریكی به ولتاژ بین الكترودها ، ویژگی خاصی دارد. در فلزات و الكترولیت ها جریان متناوب با ولتاژ افزایش می یابد «قانون اهم). در صورتیكه برای رسانش القایی گازها جریان ابتدا با ولتاژ زیاد می شود، سپس اشباع شده و مستقل از ولتاژ است.
بنابر این افزایش جریان در تخلیه قوسی به اندازه مقاومت در شكاف بین الكترودها و ولتاژ بین آنها منجر می شود. برای اینكه تابانی قوس پایدار بماند رئوستا یا مقاومت الكتریكی قوی دیگری را باید به طور متوالی به آن بست.

منبع : شبکه فیزیکی هوپا