Elektrik arkı

Elektrik arkı, gazların kıvılcım anında ortaya çıkması ile oluşan elektrik olayı. Akım iletken olmayan hava tarafından iletildiği anda elektriksel ark oluşur. Ark boşalması voltajı az olan taraftan gözlenebilir. Elektriksel ark kavramının gözlenebilmesi için elektrotlar tarafından desteklenmelidir. Ayrıca, elektriksel ark kavramı elektrotlardaki elektronların termiyonik emisyonlarına bağlıdır. Voltaik ark terimi ise voltaik ark lambalarında kullanılır.

Bir doğa olayı olarak düşünebileceğimiz elektriksel ark olayı ilk kez Humphry Davy tarafından 1801 yılında ifade edilmiştir. Bu çalışmalar William Nicholson‘ un “Doğa Felsefesi “ dergisinin Kimya ve Sanat bölümünde yayınlanmıştır. Aynı yıllarda Davy halka açık bir gösteriminde birbirine dokunmak üzere olan iki tane karbon çubuğunu birbirinden yavaşça uzaklaştırarak elektriksel arkları göstermiştir. Bu gösteride iki çubuk arasında zayıf kalan devamlı olmayan arklar gösterilmiştir. Kraliyet ailesi 1000 tane halkadan oluşan güçlü bir batarya için destek verdi. Sir Humphry Davy ise 1808 yılında geniş tabanlı arkları gösterdi. Bu gösterilerden sonra Sir Humphry Davy ismi, ark ile anılır olmuştu. Elektrotların arası çok açık olmamasına rağmen ark yukarıya doğru çıkan bir görünüm almıştı. Elektriksel arkın bu şekilde görünmesinin bir sebebi ise sıcak gazlara uygulanan kaldırma kuvveti idi. Bu gözlemlerden bağımsız olarak Vasily Petrov arkların bu şekilde görünümünü özel sıvıların elektriksel görünümü olarak ifade etti. Ayrıca Vasily Petrov bakır ve çinko alaşımı 4200 tane disk şeklinde pillerden oluşan bataryasıyla bu gözlemini açıklamıştır.

Elektrik arkı yüksek akım yoğunluğundan dolayı oluşan elektrik yükü boşalmasıdır. Maksimum akım ark yolu ile atlama yapabilir. Elektriksel ark sadece dış devre tarafından sınırlandırılır, arkın kendisi tarafından sınırlandırılmaz. Ark oluştuğu zaman içerisinde arkın oluştuğu kısımda akım arttıkça ark miktarı azalır. Bu gözlem de bize dinamik olarak negatif direnç karakteristiğini gösterecektir. Devamlı olarak elektriksel arkları elde etmek istiyorsak bu karakteristiğe uygun hareket etmeliyiz. Buna ek olarak akımı sabit tutmalıyız.

İki elektrot arasındaki ark yük boşalması ve iyonlaşma ile başlar. Bu ark olayının belirgin bir şekilde görülebilmesi için devreden geçen akımın artırılması gerekir. Voltajın kesintiye uğraması elektrotların arasındaki boşluğa, basınca ve arkın etrafındaki gazın cinsine bağlıdır. Ark oluşmaya başladığında uç gerilimi kızaran kısımdaki gerilimden az olacaktır ve kızaran kısımdaki ark akımı ise daha fazla olacaktır.

Ark kısmındaki açığa çıkan gazların basıncı atmosfer basıncına yakındır. Bu gözlemi yapmak için ışık emisyonuna ihtiyacımız vardır. Işık emisyonunda arkın oluştuğu kısımda akım geçişinin yoğun olduğunu ve sıcaklığın yüksek olduğunu gözlemleyebiliriz. Kızaran kısımdaki yük boşalması sürecinde iyonlar elektrotlardan daha az termal enerjiye sahiptir. Ark oluştuğundaki yük boşalması olayında ise iyonlar ve elektronlar yaklaşık olarak eşit derecede termal enerjiye sahiptir ve yaklaşık olarak aynı termal enerjiye sahiptirler.

Çizimde gösterilen ark gibi iki tane çubuk başlangıçta temas halinde iken yüksek voltaj olmasa bile ark oluşturabilirler. Dokundukları yerden kaynak yapmış gibi küçük bir çıkıntı oluştururlar ve buradan elektronların geçişi sağlanır. Bu çubukları yavaşça birbirinden ayırdığımız zaman ise düzgün bir ark görülür. Arklara diğer bir örnek ise elektriği açma kapamada kullanılan anahtarlardır. Röle ve akım kesicilerde de bu çeşit arklar görülebilir. Yüksek enerjili devrelerde arklardan korunmak için bağlantı yerlerine çeşitli önlemler alınabilir.

Rezistanslarda ark boyunca ısı enerjisi ortaya çıkar ve bu sayede daha çok gaz molekülü iyonize olur (İyonlaşma seviyeleri sıcaklık tarafından belirlenir). Buna ek olarak katı - sıvı - gaz - plazma şeklinde bir sıralama görülür. Gaz molekülleri ark olayının oluştuğu esnada yavaşça Termal plazma haline dönüşür. Termal Plazma noktası termal denge noktasıdır.

Termal denge noktasında ise moleküller, iyonlar, atomlar hatta elektronlar birbirlerine göre yaklaşık olarak eşit sıcaklığa sahiptirler. Termal plazma gerçekleştiğinde elektriksel enerji elektronlara verilir, çünkü elektronlar çok fazla hareket alanına sahiptir. Buna ek olarak elastik çarpışma yaparak enerjilerini kaybetmeden kısa süre içerisinde dağılırlar. Akım termiyonik emisyon tarafından devam ettirilir ve katot tarafından alan emisyonu oluşturulur Akım küçük sıcak bir çubuğun katot ucunda çok yoğundur ve akım yoğunluğu santimetrekarede bir milyon amperdir. Yük boşalmasından farklı olarak ark olayı daha fazla görünür özelliğe sahiptir. Çünkü pozitif sütun biraz daha parlaktır ve ark her iki elektrota kadar uzanır. Katot ve anotta zamanla voltaj kayıpları görünür. Bu küçük voltaj kayıpları her elektrotta milimetrede küçük kayıplar olarak düşünülebilir. Pozitif taraf düşük potansiyel eğilimine sahiptir ve küçük ark kayıpları yaşanabilir.

Düşük frekanslarda (100 Hz den düşük olmak üzere) alternatif akım arkları ile doğru akım arkları benzerlik gösterir. Bir sonraki durumda ise ark ayrılmış kısımdan başlar ve elektrotlar akım yönü bakımından ters konuma gelirler. Akımın frekansını artırdıkça iyonlaşmaya zaman kalmayacaktır ve ark devamlı olarak görülmeyecektir. Çünkü voltaj ve akım ilişkisi, ohm kanunlarındaki gibi olacaktır.

Akım ve elektrik alan birçok elektrik ark çeşidini ortaya çıkarır. Etrafında gazdan bir alan oluşan iki iletken çubuk (bu çubuklar tungstenden veya karbondan yapılmış olabilir) elektriksel ark oluşturabilir. Bu çeşit arklar yüksek derecede ısı yayabilir ve birçok materyali eritebilir veya buharlaştırabilir. Elektriksel arklar devamlı olarak yük boşalması yapabilir fakat arklara benzer elektriksel kıvılcımlar yük boşalmasını geçici olarak yaparlar. Elektriksel arklar hem alternatif akımda hem de doğru akımda oluşabilirler. Alternatif akımda ise arklar yarım periyotlu olarak tekrar oluşabilirler. Buna ek olarak, elektriksel arklar kor halindeki metallerdeki yük boşalması olayından farklıdır. Elektriksel arklarda akım yoğunluğu çok fazladır ve voltaj düşme aralığı çok fazladır. Elektriksel arkların akım yoğunluğu santimetre başına bir mega amper kadar olabilir. Elektriksel arkların akım ve voltaj ilişkisi lineer değildir. Ark oluştuğunda (yük akışı veya elektrotların dokundurulup ayrılması olayı) akımın artırılması ve aynı zamanda voltajın düşürülmesi arasında bağlantı kurulabilir. Bu bağlantı arkların sönümlenmesini de açıklayabilir. Negatif direnç etkisi empedansın pozitif formuna ihtiyaç duyar. Devredeki elektriksel denge kurulunca düzgün görünümlü arklar elde edilir. Elektriksel arkların bu özellikleri, devre elemanlarını bozacak şekilde etkiler ve bu arklar kontrol edilemezler. Elektrik devresinde oluşan bu arklar kontrol edilemezler ve devre elemanları bozulana kadar akım çekmeye devam ederler.