قوس الکتریکی

قوس الکتریکی حالتی از تخلیه الکتریکی در هوا یا دیگر محیط‌هایی است که معمولاً نارسانا هستند. زمانی که جریان الکتریکی توسط هوای بین دو رسانا که مستقیماً با هم در تماس نیستند منتقل شود، قوس الکتریکی ایجاد می‌شود. 

قوس الکتریکی در واقع یک نوع جرقهٔ خیلی بزرگ و پایدار است. وقتی بین دو قطعه فلز جریان زیادی برقرار شود، هوا یا گاز بین آن‌ها آن‌قدر داغ می‌شود که به صورت رسانا عمل می‌کند. در این حالت، نوری خیلی درخشان همراه با گرمای بسیار زیاد به وجود می‌آید. این همان چیزی است که جوشکارها هنگام جوش دادن فلزات می‌بینند؛ نوری سفید و خیره‌کننده که از ذوب شدن فلز زیر اثر قوس الکتریکی به‌وجود می‌آید.H. Wayne Beaty & Donald G. Fink, Standard Handbook for Electrical Engineers, McGraw-Hill, 2006.

علت این پدیده این است که وقتی جریان قوی از هوا عبور کند، مولکول‌های هوا شکسته و تبدیل به ذرات باردار (یون) می‌شوند. این یون‌ها مثل سیم عمل می‌کنند و اجازه می‌دهند جریان الکتریسیته از میان هوا رد شود.

مهم‌ترین کاربرد قوس الکتریکی در جوشکاری فلزات است (جوشکاری با قوس الکتریکی)، جایی که گرمای زیاد قوس باعث ذوب شدن و چسباندن فلزها به هم می‌شود. همچنین در کوره‌های صنعتی برای ذوب فولاد و حتی در قدیم در چراغ‌های قوسی برای تولید نور استفاده می‌شده است.H. Wayne Beaty & Donald G. Fink, Standard Handbook for Electrical Engineers, McGraw-Hill, 2006.
یکی از روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی نیز استفاده از قوس الکتریکی است. 

قوس الکتریکی به ولتاژ، هدایت الکتریکی محیط و فاصله بین دو رسانا بستگی دارد.

قوس الکتریکی یا تخلیهٔ قوس، شکست الکتریکی گازی است که تخلیه الکتریکی طولانی مدت ایجاد می‌کند. جریان از طریق یک محیط که در حالت عادی غیر رساناست، مانند هوا، یک پلاسما تولید می‌کند. پلاسما ممکن است نور مرئی تولید کند. تخلیه قوس با ولتاژ کمتری نسبت به تخلیه درخشان مشخص می‌شود و به انتشار ترمونی الکترونی از الکترودهای پشتیبانی کننده قوس متکی است. اصطلاح قدیمی همان‌طور که در عبارت «لامپ قوس ولتایی» به کار رفته‌است، قوس ولتایی است.

در اواخر دهه ۱۸۰۰، لامپ قوس الکتریکی برای روشنایی عمومی بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت. برخی از قوس‌های الکتریکی فشار ضعیف در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، لوله‌های فلورسنت، جیوه، سدیم و لامپ‌های متال هالید برای روشنایی استفاده می‌شود. لامپ‌های قوس زنون برای پروژکتورهای فیلم استفاده شده‌است.

 تاریخچه 
سال ۱۸۰۲ دانشمندی روسی به نام واسیلی ولادیمیروویچ پتروف پی برد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب‌های باتری بزرگی وصل کنیم و آن‌ها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می‌شود؛ و انتهای آن‌ها که از شدت گرما سفید شده‌است نور خیره‌کننده ای گسیل می‌دارد. هفت سال بعد همفری دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولادیمیروویچ قوس ولتا نامیده شود.

در اواخر قرن نوزدهم، روشنایی قوس الکتریکی برای روشنایی عمومی استفاده گسترده‌ای داشت. تمایل به سوسو زدن و خش خش قوس‌های الکتریکی یک مشکل اساسی بود. در سال ۱۸۹۵، هرتا مارکس آیرتون یک سری مقالات را برای برق نوشت و توضیح داد که این پدیده‌ها نتیجه تماس اکسیژن با میله‌های کربن مورد استفاده برای ایجاد قوس است. هرتا مارکس در سال ۱۸۹۹، اولین زنی بود که مقاله خود را در مؤسسه مهندسان برق (IEE) چاپ کرد. مقاله وی با عنوان «هیس هیس قوس الکتریکی» بود. اندکی پس از آن، آیرتون به عنوان اولین عضو زن (IEE) انتخاب شد. زن بعدی که در (IEE) پذیرفته شد در سال ۱۹۵۸ بود. او تقاضا کرد که مقاله ای را درانجمن سلطنتی ارائه دهد، اما به دلیل جنسیت اجازه نداشت و «مکانیزم قوس الکتریکی» توسط جان پری به جای او در سال ۱۹۰۱ ارائه شد.

 فرایند 
جریان الکتریکی از جاری شدن الکترون‌ها در یک مسیر رسانا به وجود می‌آید. هرگاه در چنین مسیری یک شکاف هوا (گاز) ایجاد شود جریان الکترونی و در نتیجه جریان الکتریکی قطع خواهد شد. چنانچه شکاف هوا به اندازه کافی باریک و اختلاف پتانسیل و شدت جریان زیاد باشد، گاز میان شکاف یونیزه شده و قوس الکتریکی برقرار می‌شود.

در قوس الکتریکی الکترودها در اثر حرارت سفید رنگ می‌شوند. ستونی از گاز ملتهب رسانای الکتریکی بین الکترودها وجود دارد. چون الکترود مثبت دمایش از الکترود منفی بیشتر است زود تر از بین می‌رود. در نتیجه تصعید شدید کربن صورت گرفته و در آن الکترود (الکترود مثبت) فرورفتگی به وجود می‌آید که به دهانه مثبت معروف است و داغ‌ترین نقطه الکترودهاست. دمای دهانه در هوا و در فشار جو به ۴۰۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد. در لامپ‌های قوسی سازوکارهای منظم و خود کار خاصی برای نزدیک کردن تکه‌های کربن با سرعت یکنواخت وقتی با سوختن از بین می‌روند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای اینکه سایش و خوردگی الکترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است، برای همین همیشه الکترود کربن مثبت کلفت‌تر از الکترود منفی انتخاب می‌شود.

قوسی که بین الکترودهای کربن در گاز فشرده قرار می‌گیرد (حدود ۲۰atm) امکان افزایش دمای مرکز الکترود مثبت تا ۵۹۰۰ درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممکن ساخته‌است. مشخص شده‌است که کربن در این حالت ذوب می‌شود. در ستونی از گاز و بخاری که از آن تخلیه الکتریکی عبور می‌کند، دمای باز هم بالاتری را می‌توان به دست آورد. بمباران شدید این گاز و بخار با الکترون‌ها و یون‌هایی که با میدان الکتریکی قوس شتاب گرفته‌اند دمای ستون گاز را ۶۰۰۰ تا ۷۰۰۰ درجه سانتیگراد می‌رساند. به این دلیل تقریباً تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الکتریکی ذوب و تبخیر می‌شوند؛ و بسیاری از واکنش‌های شیمیایی که در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الکتریکی امکان‌پذیر می‌شوند؛ مثلاً میله‌های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می‌شود. برای ایجاد تخلیه قوس الکتریکی به ولتاژ زیادی نیاز داریم. با ولتاژ حداقل ۳۰۰ ولت بین الکترودها می‌توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است؛ مثلاً حتی در قوس کوچک جریان به ۵ آمپر می‌رسد، در حالیکه در قوس‌های بزرگ که در مقیاس صنعتی به کار می‌روند جریان به صدها آمپر بالغ می‌شود.

بررسی کلی
بندانگشتی|راست|قوس‌های الکتریکی بین خط نیرو و شاخک‌های برقرسان‌ یک قطار برقی پس از یخ‌زدگی سیم بالاسری
بندانگشتی|راست|قوس الکتریکی بین ریل برقدار و کفشک جمع‌کنندهٔ جریان در قطار متروی لندن

قوس الکتریکی شکلی از تخلیهٔ الکتریکی است که بالاترین چگالی جریان را دارد. بیشینهٔ جریان عبوری از قوس فقط توسط مدار خارجی محدود می‌شود، نه خود قوس.

قوس میان دو الکترود می‌تواند در اثر یونش و تخلیهٔ درخشانی آغاز شود، هنگامی که جریان میان الکترودها افزایش یابد. ولتاژ شکست فاصلهٔ الکترودی تابعی از فشار، فاصلهٔ میان الکترودها و نوع گاز محیط است. وقتی قوس آغاز می‌شود، ولتاژ آن بسیار کمتر از تخلیهٔ درخشانی است، ولی جریان بسیار بالاتر است. قوس در گازهای نزدیک فشار جو با گسیل نور مرئی، چگالی جریان زیاد و دمای بالا شناخته می‌شود. قوس از تخلیهٔ درخشانی به این دلیل متمایز است که در قوس، دمای الکترون‌ها و یون‌های مثبت نزدیک به هم است، در حالی که در تخلیهٔ درخشانی، یون‌ها بسیار سردتر از الکترون‌ها هستند.

قوس کشیده‌شده زمانی آغاز می‌شود که دو الکترود ابتدا در تماس باشند و سپس از هم جدا شوند؛ این فرایند می‌تواند قوس را بدون نیاز به تخلیهٔ درخشانی با ولتاژ بالا آغاز کند. جوشکارها برای آغاز جوش قوسی از همین روش استفاده می‌کنند: الکترود جوش را لحظه‌ای به قطعه‌کار می‌زنند و سپس آن را جدا می‌کنند تا قوس پایدار شود. نمونهٔ دیگر هنگام جدایش کنتاکت‌های کلیدها، رله‌ها یا دژنکتورهاست؛ در مدارهای پرانرژی برای جلوگیری از آسیب، به خاموش‌سازی قوس نیاز است.

مقاومت الکتریکی در طول قوس پیوسته گرما تولید می‌کند و این گرما مولکول‌های بیشتری از گاز را یونیزه می‌کند. در این فرایند، گاز به‌تدریج به پلاسمای گرمایی تبدیل می‌شود که در آن، دما میان همهٔ ذرات تقریباً یکنواخت است. انرژی دریافتی توسط الکترون‌ها خیلی سریع از راه برخورد کشسان به ذرات سنگین‌تر منتقل می‌شود.

جریان در قوس به‌وسیلهٔ گسیل گرمایی و گسیل میدانی الکترون‌ها از کاتد پایدار می‌ماند. این جریان معمولاً در نقطه‌ای کوچک و داغ متمرکز می‌شود و چگالی آن می‌تواند به میلیون‌ها آمپر بر سانتی‌متر مربع برسد. برخلاف تخلیهٔ درخشانی، قوس ساختار مشخصی ندارد و ستون مثبت آن روشن و تا نزدیکی دو الکترود کشیده می‌شود. افت ولتاژ کاتدی و آنودی فقط چند ولت و در بخشی بسیار کوچک از میلی‌متر رخ می‌دهد. ستون مثبت گرادیان ولتاژ کمی دارد و در قوس‌های کوتاه ممکن است اصلاً وجود نداشته باشد.

قوس‌های متناوب با بسامد کم (کمتر از ۱۰۰ هرتز) بسیار شبیه قوس‌های مستقیم هستند. با هر چرخه، قوس با شکست آغاز می‌شود و نقش آند و کاتد جابه‌جا می‌گردد. با افزایش بسامد، زمان کافی برای پراکندگی یونش در هر نیم‌چرخه وجود ندارد و قوس بدون شکست مجدد پایدار می‌ماند و ویژگی ولتاژ-جریان آن بیشتر شبیه یک رسانای اهمی می‌شود.

بندانگشتی|قوس الکتریکی میان رشته‌های سیم
قوس الکتریکی در فضای پر از گاز میان دو الکترود رسانا (معمولاً از جنس تنگستن یا کربن) رخ می‌دهد و دمای بسیار بالایی ایجاد می‌کند که توانایی ذوب یا تبخیر بیشتر مواد را دارد. قوس تخلیه‌ای پیوسته است، در حالی که جرقه تخلیه‌ای لحظه‌ای است. قوس هم در مدار جریان مستقیم و هم در مدار جریان متناوب رخ می‌دهد. در جریان متناوب، قوس ممکن است در هر نیم‌چرخه دوباره برقرار شود. تفاوت قوس با تخلیهٔ درخشانی در چگالی بالای جریان و افت ولتاژ کم است.

قوس رابطه‌ای غیرخطی میان جریان و ولتاژ دارد. وقتی قوس برقرار شد، با افزایش جریان، ولتاژ پایانه‌های آن کاهش می‌یابد. این پدیدهٔ «مقاومت منفی» نیاز به وجود بالاست یا مقاومت محدودکننده در مدار دارد تا قوس پایدار بماند. به همین دلیل قوس‌های کنترل‌نشده می‌توانند ویرانگر باشند، چون پس از آغاز، جریان بیشتری می‌کشند تا زمانی که مدار یا دستگاه تخریب شود.

نوعی قوس متحرک به نام «قوس لغزنده» وجود دارد که در آن الکترودها به شکل واگرا در جریان سریع گاز قرار می‌گیرند. قوس در کوتاه‌ترین فاصله آغاز شده و همراه جریان گاز به بالا حرکت می‌کند تا جایی که بشکند و خاموش شود. این روش موجب کاهش خوردگی الکترودها و انتقال مستقیم انرژی به گاز می‌شود.

کاربردها
در صنعت، قوس الکتریکی برای جوشکاری، برش پلاسما، ماشین‌کاری تخلیهٔ الکتریکی، لامپ قوسی در پروژکتور فیلم و نورافکن‌های نمایشی به‌کار می‌رود. کورهٔ قوسی الکتریکی برای تولید فولاد و مواد دیگر استفاده می‌شود. همچنین ترکیب‌هایی مانند کلسیم کاربید با این روش ساخته می‌شوند، چون نیازمند انرژی بسیار بالا و دمای حدود ۲۵۰۰ درجه سانتی‌گراد هستند.

لامپ‌های قوسی کربنی نخستین چراغ‌های برقی بودند و در قرن نوزدهم برای روشنایی خیابان‌ها و بعدها در نورافکن‌ها و چراغ جستجو به‌کار می‌رفتند. امروزه قوس الکتریکی در انواع چراغ‌های فلورسنت، سدیم، جیوه و متال هالید و نیز لامپ زنون‌ برای پروژکتورهای سینمایی و نور صحنه کاربرد دارد.

قوس‌های الکتریکی پایهٔ چاشنی انفجاری سیم‌پلی، پیشران قوسی در فضاپیماها و نیز ابزارهای طیف‌سنجی هستند.

 حفاظت تجهیزات الکتریکی 
قوس الکتریکی در کلیدهای فشارقوی برای حفاظت از شبکه انتقال به‌کار می‌رود. برای نمونه، شکاف جرقه در کنار خازن‌های سری نصب می‌شود تا هنگام ولتاژ زیاد، قوس شکل گیرد و از آسیب جلوگیری کند. خاموش‌سازی قوس با شاخک‌های قوس، دمش هوا یا گاز و در تجهیزات امروزی با هگزا فلورید گوگرد انجام می‌شود.

 سرگرمی دیداری 
بندانگشتی|نردبان یعقوب
بندانگشتی|نمایشی از نردبان یعقوب

«نردبان یعقوب» دستگاهی است که قطاری پیوسته از قوس‌های الکتریکی تولید می‌کند که به سمت بالا حرکت می‌کنند. این دستگاه به‌ویژه در نمایش‌های علمی و فیلم‌های دههٔ ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ محبوب بود.

هدایت قوس
دانشمندان روشی برای کنترل مسیر قوس میان دو الکترود کشف کرده‌اند. در این روش با شلیک پرتوهای لیزر به گاز میان الکترودها، گاز به پلاسما تبدیل شده و قوس را هدایت می‌کند. با ایجاد مسیرهای پلاسما به‌وسیلهٔ پرتوهای لیزر متفاوت، می‌توان قوس را در مسیرهای خمیده یا S‌شکل شکل داد. قوس حتی می‌تواند با مانعی برخورد کرده و در آن سوی مانع دوباره شکل بگیرد. فناوری قوس هدایت‌شده با لیزر می‌تواند در رساندن جرقهٔ الکتریکی به نقطه‌ای دقیق کاربرد داشته باشد.

قوس‌های ناخواسته
بندانگشتی|آسیب در یک دوشاخه بر اثر قوس الکتریکی در جریان اتصال کوتاه
قوس‌های الکتریکی ناخواسته می‌توانند پیامدهای زیان‌باری برای انتقال انرژی الکتریکی، توزیع نیرو و تجهیزات الکترونیکی داشته باشند. دستگاه‌هایی مانند کلیدها، دژنکتورها، کنتاکت‌های رله، فیوزها و سرکابل‌های معیوب ممکن است باعث ایجاد قوس شوند. هنگامی که یک مدار القایی خاموش می‌شود، جریان نمی‌تواند ناگهان به صفر برسد و قوسی گذرا میان کنتاکت‌ها پدید می‌آید. تجهیزات کلیدزنی معمولاً برای مهار و خاموش‌کردن این قوس طراحی می‌شوند و مدارهای اسنابر نیز می‌توانند مسیر جریان‌های گذرا را فراهم کنند و مانع ایجاد قوس شوند. اگر مدار دارای جریان و ولتاژ کافی برای پایدار نگه‌داشتن قوس خارج از تجهیزات کلیدزنی باشد، قوس می‌تواند باعث ذوب رساناها، تخریب عایق و حتی آتش‌سوزی شود. رخداد قوس فلش نمونه‌ای انفجاری از قوس است که خطری جدی برای انسان و تجهیزات دارد.

قوس‌های ناخواسته در کنتاکت‌های کنتاکتورها، رله‌ها و کلیدها را می‌توان با ابزارهایی مانند مدارهای مهارکنندهٔ قوس یا اسنابرهای RC کاهش داد. همچنین روش‌هایی مانند غوطه‌ورکردن در روغن ترانسفورماتور، گاز دی‌الکتریک یا خلأ، استفاده از محفظه قوس، میدان‌های مغناطیسی، دمش بادی، کنتاکت‌های فداشونده و مواد جاذب انرژی قوس برای این کار به کار می‌روند.

قوس می‌تواند زمانی رخ دهد که یک مسیر کم‌مقاومت (مانند جسم خارجی، گردوغبار رسانا یا رطوبت) میان نقاطی با ولتاژ متفاوت ایجاد شود. این مسیر، هدایت قوس را ممکن می‌سازد و با رسانایی بالای هوای یونیده، جریان‌های بسیار بزرگی برقرار می‌شود که به اتصال کوتاه و عملکرد وسایل حفاظتی مانند فیوز و کلید قطع‌کننده منجر خواهد شد. نمونهٔ مشابه زمانی رخ می‌دهد که لامپ می‌سوزد و تکه‌های رشتهٔ آن قوسی میان پایه‌های لامپ ایجاد می‌کنند و جریان اضافی باعث عمل‌کردن کلید می‌شود.

قوس روی سطح پلاستیک‌ها سبب تخریب آن‌ها می‌شود. در مسیر قوس شیارهای کربنی رسانا شکل می‌گیرد که خاصیت عایقی را کاهش می‌دهد. این پدیده «ردیابی کربنی» نام دارد و مقاومت آن طبق استاندارد ASTM D495 سنجیده می‌شود. برخی مواد مانند پلی‌تترافلوئورواتیلن مقاومت قوسی بسیار بالایی دارند، در حالی که موادی مانند پلی‌وینیل کلرید مقاومت کمی نشان می‌دهند.

قوس همچنین ممکن است در برد مدار چاپی به دلیل ترک در خطوط یا خرابی لحیم رخ دهد. این امر می‌تواند عایق را به رسانا تبدیل کند و باعث شکست آبشاری شود.

خاموش‌سازی قوس

خاموش‌سازی قوس روشی برای کاهش یا حذف قوس الکتریکی است. این روش‌ها در حوزه‌هایی مانند پوشش‌دهی فلزی و کندوپاش، حفاظت در برابر قوس فلش، فرایندهای الکترواستاتیکی (مانند رنگ‌پاشی پودری یا تصفیه هوا) و مهار قوس در کنتاکت‌ها به کار می‌رود. بخشی از انرژی قوس ترکیبات شیمیایی تازه‌ای مانند اکسیدهای نیتروژن و ازون ایجاد می‌کند که خوردنده‌اند و باعث فرسایش سطح کنتاکت‌ها می‌شوند.

خطرات برای سلامت
قرار گرفتن در معرض دستگاه‌های مولد قوس می‌تواند خطرناک باشد. قوس در هوا باعث تشکیل ازون و اکسید نیتریک می‌شود که برای غشاهای مخاطی زیان‌آورند. همچنین قوس می‌تواند طیف گسترده‌ای از پرتوها از جمله فرابنفش و فروسرخ منتشر کند. قوس‌های شدید مانند جوشکاری قوسی می‌توانند موجب سوختگی خورشیدی یا آسیب به قرنیه شوند. به همین دلیل باید از فیلترهای ویژهٔ تیره مانند کلاه جوشکاری و پوشش حفاظتی پوست استفاده کرد.

قوس فلش ناشی از تجهیزات پرجریان بسیار خطرناک است؛ می‌تواند پلاسما و فلز ذوب‌شده پرتاب کند، لباس را شعله‌ور کرده و حتی از فاصله موجب سوختگی کشنده شود. کار در نزدیکی این تجهیزات نیازمند پوشش‌های حفاظتی ویژه است.

 منابع 




رده:تخلیه الکتریکی در گازها
رده:گرمایش الکتریکی
رده:مقاله‌های دارای ویدئو