Βολταϊκό τόξο

Ηλεκτρικό τόξο ή βολταϊκό τόξο είναι μια εκφόρτιση μεταξύ στερεών ηλεκτρικών αγωγών ή ηλεκτροδίων μέσω αερίου, που παρουσιάζει μικρή πτώση τάσης αλλά ιδιαίτερα υψηλή πυκνότητα ρεύματος. Το αέριο στον χώρο μεταξύ των ηλεκτροδίων μετατρέπεται σε έναν ηλεκτρικό αγωγό καθώς έχει ιοντιστεί από το ηλεκτρικό ρεύμα.

Πρόκειται για ένα εκτυφλωτικό ηλεκτρικό φαινόμενο που σχηματίζεται μεταξύ των άκρων δύο εγγύτατα ευρισκομένων τεμαχίων άνθρακος που διαρρέονται με ηλεκτρικό ρεύμα.  Η ονομασία του φαινομένου αυτού δόθηκε το 1808 από τον Άγγλο Βαρώνο χημικό και εφευρέτη Σερ Χάμφρεϊ Ντέιβυ (Humphry Davy). Σε ευρύτερη εφαρμογή χρησιμοποιείται στους λεγόμενους λαμπτήρες βολταϊκού τόξου, ειδικότερα στους προβολείς σάρωσης και συνεννόησης των πλοίων, παλαιότερα στους κινηματογράφους κ.λπ.

Συγκεκριμένα τα μόρια του αέρα χάνουν τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής τους στιβάδας, τα οποία μετά κινούνται λόγω της διαφοράς δυναμικού ανάμεσα στα ηλεκτρόδια. Αποτέλεσμα αυτής της κίνησης μεγάλων φορτίων μέσω του αέρα είναι η θερμοκρασία να αυξάνεται απότομα και να φτάνει αρκετές χιλιάδες βαθμούς. Η ύλη επομένως δεν μπορεί πλέον να θεωρηθεί ως αέριο, έχει μετατραπεί σε πλάσμα, δηλαδή στην τέταρτη κατάσταση της ύλης κατά την οποία τα άτομα έχουν χάσει όλα τα ηλεκτρόνιά τους. 
Η κατάσταση πλάσματος, στην οποία θα αναφερθούμε παρακάτω, παρουσιάζει ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον αλλά έχει και πολυάριθμες τεχνολογικές εφαρμογές. Οι πιο γνωστοί τομείς πλάσματος είναι αυτοί που έχουν να κάνουν με το διάστημα και την ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη, εμείς όμως θα ασχοληθούμε με τις πιο διαδεδομένες πρακτικές εφαρμογές του, εστιάζοντας στο ηλεκτρικό τόξο.

Για την δημιουργία του βολταϊκού τόξου φέρονται σε επαφή και στη συνέχεια απομακρύνονται δύο ηλεκτρόδια ράβδοι από γραφίτη που συνδέονται με ηλεκτρική πηγή συνεχούς ρεύματος. Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται μεταξύ των άκρων των δύο ράβδων ένας συντηρούμενος ηλεκτρικός σπινθήρας με μεγάλη λαμπρότητα.
 
Το φως αυτών των λαμπτήρων εκπέμπεται βασικά από τη ράβδο του θετικού πόλου που όμως φθείρεται περισσότερο σχηματίζοντας ένα φωτεινό κρατήρα, και ακριβώς επειδή φθείρεται είναι μεγαλύτερου πάχους από την άλλη ράβδο του αρνητικού πόλου. Για τη σωστή απόσταση καθώς και για την αρχική επαφή των δύο παραπάνω ράβδων φροντίζει ειδικός μηχανισμός αυτοματισμού που ξεκινάει το τόξο, αν τυχόν διακοπεί η λειτουργία του.

Το ηλεκτρικό τόξο χρησιμοποιείται επίσης σε συστήματα απόσμησης στη βιομηχανία. Γενικώς η χρήση ηλεκτρικών τόξων αποφεύγεται γιατί συνήθως παράγονται μεγάλες ποσότητες όζοντος.

Εκκίνηση και σταθεροποίηση 
Το ηλεκτρικό τόξο επιτυγχάνεται εφόσον δύο ηλεκτρόδια που βρίσκονται σε επαφή, έτσι ώστε να αποτελούν, μαζί με μια πηγή ρεύματος, ένα κλειστό κύκλωμα, που διαρρέεται από ρεύμα έντασης μερικών αμπέρ, απομακρυνθούν κατά μερικά χιλιοστά. Τότε δημιουργείται ανάμεσα στα άκρα τους ένας σπινθήρας, ο οποίος σταθεροποιείται αν στα άκρα των ηλεκτροδίων διατηρηθεί μια κατάλληλη διαφορά δυναμικού (45-50 βολτ). Το αέριο που βρίσκεται ανάμεσα στα ηλεκτρόδια εξασφαλίζει τη συνέχιση της κυκλοφορίας του ηλεκτρικού ρεύματος στο διάστημα αυτό, λειτουργεί δηλαδή ως γέφυρα. Αν υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες τότε το ηλεκτρικό τόξο σταθεροποιείται και γίνεται συνεχές.

Ηλεκτρικό τόξο και πλάσμα 
Το ηλεκτρικό τόξο, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που εμφανίζονται κατά την δημιουργία του, σχετίζεται με την τέταρτη κατάσταση της ύλης, το πλάσμα, με την οποία βέβαια δεν έχουμε καμία καθημερινή εμπειρία. Ένα αέριο γίνεται πλάσμα όταν η προσθήκη θερμότητας ή άλλης ενέργειας αναγκάζει έναν σημαντικό αριθμό ατόμων να απελευθερώσουν μερικά ή όλα τα ηλεκτρόνιά τους. Τα υπόλοιπα μέρη εκείνων των ατόμων αφήνονται με ένα θετικό φορτίο, και τα αποσυνδεμένα αρνητικά ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να μετακινηθούν. Το μίγμα των θετικά φορτισμένων πυρήνων και αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων είναι ένα πλάσμα. Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι αυτή που είναι υπεύθυνη για το φαινόμενο του ηλεκτρικού τόξου.

Εφαρμογές

Συγκόλληση τόξου 
Μία από τις πιο συνήθεις εφαρμογές του ηλεκτρικού τόξου είναι η χρήση του για την συγκόλληση μετάλλων. Η συγκόλληση τόξου ή ηλεκτροσυγκόλληση στηρίζεται στη δημιουργία ηλεκτρικού τόξου ανάμεσα στο κομμάτι, που θέλουμε να κολληθεί, και σε ένα ηλεκτρόδιο, που είναι ταυτόχρονα και συγκολλητικό μέσο. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται ειδικές μηχανές που της ονομάζουμε μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης, οι οποίες δημιουργούν ηλεκτρικό τόξο κάνοντας χρήση συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος.

Η συσκευή αυτή αποτελείται από δύο καλώδια. Στην άκρη του ενός από αυτά βρίσκεται ένα ηλεκτρόδιο το οποίο είναι το μέσο δημιουργίας του ηλεκτρικού τόξου ενώ η άλλη συνδέεται με το μέταλλο που θέλουμε να συγκολλήσουμε. Το ηλεκτρικό τόξο που δημιουργείται μεταξύ αυτών των δύο έχει ως αποτέλεσμα την υψηλή θέρμανση (περίπου 4.000 °C) του σημείου επαφής των δύο μετάλλων και άρα την τήξη και συγκόλλησή τους. Για να ξεκινήσει η διαδικασία συγκόλλησης, χτυπάμε ή τρίβουμε το ηλεκτρόδιο πάνω στο προς συγκόλληση τεμάχιο και στη συνέχεια το σηκώνουμε, διατηρώντας από κει και πέρα μία σταθερή απόσταση.

Πυρσοί πλάσματος 
Οι πυρσοί πλάσματος είναι συσκευές, οι οποίες μεταδίδουν ηλεκτρικό ρεύμα ή αέριο μέσο, μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων που οφείλονται στη διαφορά δυναμικού δύο ηλεκτροδίων ανόδου – καθόδου. Έτσι δημιουργείται τόξο πλάσματος (plasma arc) και μετατρέπεται το αέριο σε πλάσμα. Ανάλογα με τη διάταξη των ηλεκτροδίων οι πυρσοί πλάσματος διαχωρίζονται στους πυρσούς μεταβίβασης και στους πυρσούς μη μεταβίβασης.

Ηλεκτρικοί φούρνοι τήξης 
Το ηλεκτρικό τόξο χρησιμοποιείται και στην βιομηχανία μετάλλων. Μία από τις εφαρμογές του είναι η κατασκευή φούρνων πολύ υψηλής θερμοκρασίας, για την τήξη μετάλλων. Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στον φούρνο κυμαίνεται από 1800 οC έως 3000 οC. Η λειτουργία του φούρνου αυτού βασίζεται στην εκκίνηση και συντήρηση ενός ηλεκτρικού τόξου. Από την στιγμή που ένα μέταλλο μπει μέσα στο τόξο αυτό, η θερμοκρασία που έχει δημιουργηθεί εξαιτίας του, λιώνει το μέταλλο. Τα πλεονεκτήματα τις καινούργιας αυτής μεθόδου έναντι της κλασικής με τον φούρνο που χρησιμοποιεί την φωτιά για να λιώσει το μέταλλο, είναι ότι η πρώτη είναι πιο οικονομική αφού η συντήρηση ενός ηλεκτρικού τόξου από την στιγμή που θα σταθεροποιηθεί δεν απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας. Επιπλέον το μείγμα από λιωμένο μέταλλο που παίρνουμε είναι καθαρό από προσμίξεις άνθρακα, που χρησιμοποιείται για την συντήρηση της φωτιάς.

Διακόπτες
Ο βασικός διακόπτης οικιακού ρεύματος αποτελείται από ένα διακόπτη, ο οποίος συνδέεται ή με ένα διμεταλλικό έλασμα ή με έναν ηλεκτρομαγνήτη. Το καλώδιο της φάσης συνδέεται με το ένα άκρο του διακόπτη. Επίσης περιλαμβάνει δύο επαφές μια σταθερή και μια κινητή. Στην κινητή επαφή είναι προσαρμοσμένος ένας μηχανισμός πίεσης, ο οποίος κρατάει συνδεδεμένες τις δύο επαφές. Με τον διακόπτη στην θέση «on», το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από τον ηλεκτρομαγνήτη στην κινητή επαφή και από τη σταθερή επαφή εξέρχεται από τον διακόπτη. Το ηλεκτρικό ρεύμα κάνει τον ηλεκτρομαγνήτη να λειτουργεί. Όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του ρεύματος τόσο μεγαλύτερο είναι το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη. Στην περίπτωση όμως που θέλουμε να διακόψουμε ρεύματα μεγάλης τάσης (π.χ. σε μία συνοικία, σε μία πόλη κλπ), τότε πρέπει να χρησιμοποιηθούν ειδικοί διακόπτες. Οι ονομαζόμενοι «διακόπτες υψηλής τάσης» (αποζεύκτες, circuit breakers) είναι ειδικές διατάξεις που εξασφαλίζουν την διακοπή ενός κυκλώματος ισχύος, αφενός διαχωρίζοντας δυο επαφές και αφετέρου αποτρέποντας τη δημιουργία ηλεκτρικού τόξου μεταξύ των δύο αυτών επαφών.

Κατά τα πρώτα είκοσι έτη του προηγούμενου αιώνα οι μεγάλοι κεντρικοί δρόμοι της Αθήνας και του Πειραιά, όπως και σε πολλές πόλεις της Ευρώπης, φωτίζονταν με μεγάλους σφαιρικούς φανούς βολταϊκού τόξου οι οποίοι αργότερα καταργήθηκαν ως ασύμφοροι.
Το βολταϊκό τόξο ανήκει στις φωτεινές πηγές πυράκτωσης.

Βιβλιογραφία 
 Luxat, J.C., Lees, L.H. “Requirements for stable a.c. electric-arc discharges”, Electronics Letters, vol. 6, issue 9, 30/04/1970

 http://greek_greek.enacademic.com/236552/τόξο_ηλεκτρικό

 http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-71998-13553/unrestricted/Sec6.pdf

 http://electronics.howstuffworks.com/circuit-breaker2.htm

 http://www.electrical4u.com/electrical-circuit-breaker-operation-and-types-of-circuit-breaker/

 http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/plasma-converter.htm

 http://www.quora.com/

 http://www.howitworksdaily.com/science/question-of-the-day-what-is-an-electrical-arc/

Φωτεινές πηγές
Φυσική πλάσματος
Ηλεκτρισμός