קשת חשמלית

קשת חשמלית (באנגלית: Electric arc) היא פריצה חשמלית בה עובר זרם חשמלי בין שתי אלקטרודות דרך התווך המבודד שביניהם, המתרחשת כתוצאה משדה חשמלי גבוה ביניהן. במהלך היווצרות הקשת הופך התווך לפלזמה דרכה עוברים האלקטרונים. קשת חשמלית היא פריצה רציפה לעומת ניצוץ שהוא רגעי.

צורת הקשת הקמורה כלפי מעלה, נגרמת כתוצאה מחימום האוויר שדרכו עובר הזרם החשמלי, שצפיפותו פוחתת מהאוויר שמסביב, ככל שהוא מתחמם ולכן הוא עולה למעלה.

 תהליך יצירת קשת חשמלית 
 נוצר הפרש פוטנציאלים גבוה בין שתי אלקטרודות הסמוכות זו לזו, אך האוויר (או גז אחר) מבודד ביניהן. מצב זה נוצר בהזנה של אלקטרודות בזרם ישר. כמות המטען הנצבר תלויה בצורת האלקטרודות, בסוג התווך והמרחק ביניהן, והמערכת משמשת כקבל.
 בהתאם לצפיפות הגז מועברים אלקטרונים מהאנודה למולקולות החמצן והחנקן שבאוויר בתהליך הנקרא יינון של התווך. מצב יינון של גז נקרא פלזמה.
 יונים מוליכים אלקטרונים ולכן התווך הגזי בין האלקטרודות הופך למוליך.
 יצירת הקשת: האלקטרונים החופשיים נמשכים לאלקטרודה החיובית (אנודה), והיונים החיוביים נמשכים לאלקטרודה השלילית (קתודה). בתהליך זה, האלקטרונים מתנגשים באטומים נוספים ומשחררים עוד אלקטרונים, וכך נוצרת תגובת שרשרת המתקדמת מהאנודה לקתודה. תהליך זה מתקיים גם בברקים, כאשר הקתודה היא הענן והאנודה היא האדמה (ברק חיובי) או להפך (ברק שלילי).
 ברגע שכל התווך מוליך משתחרר בבת אחת הפוטנציאל החשמלי שהצטבר בין האלקטרודות.
 ברגע שחרור הפוטנציאל לתווך הגזי, משתחרר אור וטמפרטורה גבוהה (מעל 10000 מעלות), ולכן הגז זוהר.

 שימוש בקשת חשמלית 
ממוזער|קשת חשמלית בנורת מתכת הליד.
 תאורה של קשת חשמלית 
תאורה של קשת חשמלית שימשה בתחילת דרכה בזרקורים ובתאורת רחוב באמצעות מנורת קשת פחם. תאורה מודרנית של קשת חשמלית המבוססת על כספית, נתרן לחץ גבוה ומתכת הליד, משמשת בעיקר לתאורת רחוב, לאולמות גדולים, כמו אולמות ייצור במפעלים, אולמות ספורט, חנויות ומרכולים, וכן מגרשי ספורט. כיום מחליפה תאורת ה-LED את מרבית השימוש במנורות הכספית, הנתרן לחץ גבוה והמתכת הליד. נורות קסנון נפוצות כיום בזרקורים ומקרני קולנוע. תאורה זו הייתה נפוצה במאה ה־20 ותחילת המאה ה־21.

 אופן הפעולה של מנורת קשת פחם 
 הדלקה ראשונית: בתחילה, שתי אלקטרודות הפחם מובאות במגע פיזי זו עם זו כאשר מתח חשמלי מופעל ביניהן.
 יצירת הקשת: לאחר יצירת המגע הראשוני, האלקטרודות מורחקות מעט זו מזו (מרחק של מילימטרים ספורים). כשהן מתנתקות, נוצרת קשת חשמלית ביניהן.
 פלזמה ואור: הקשת החשמלית יוצרת פלזמה בטמפרטורה גבוהה מאוד (כ-6,000 מעלות צלזיוס). האלקטרודות, בדרך כלל עשויות מפחם, מתחממות לטמפרטורה גבוהה מאוד. השילוב של הפלזמה והלהט יוצר אור לבן ובהיר במיוחד.
 צריכת האלקטרודות: במהלך הפעולה, אלקטרודות הפחם נשרפות בהדרגה ומתקצרות. לכן, מנגנון מכני (ידני או אוטומטי) שומר על מרחק קבוע בין האלקטרודות כדי לשמור על הקשת.
 התאמות נוספות: מנורות קשת מודרניות יותר כמו כספית, נתרן לחץ גבוה ומתכת הליד, משתמשות באלקטרודות טונגסטן הנמצאות בתוך שפופרת העשויה קוורץ או אלומינה, למשל כספית, שהופכת לגז וזוהרת באור חזק. או בתוספת הלידים של מתכות שונות שמשנים את צבע האור או מגבירים את היעילות.

 תאורה פלואורסצנטית 
על בסיס יצירת קשת חשמלית יוצרים אור ללא חום על ידי שימוש באדי כספית בלחץ נמוך, בשילוב חומרים פלואורסצנטיים המצפים את שטח הזכוכית בתוך השפופרת. אדי הכספית מגיבים על קליטת אלקטרונים בפליטת אור אולטרה סגול. הציפוי הפלואורסצנטי קובע את גוון האור. הנורה הפלואורסצנטית יעילה וחסכונית יותר ממנורת הלהט, ושימשה כמקור תאורה עיקרי עד החלפתה בתאורת ה-LED.

 יצירת פלזמה 
 תהליך היינון: כאשר זרם חשמלי עובר בין שתי אלקטרודות, השדה החשמלי החזק גורם לאלקטרונים להשתחרר מאטומי הגז שנמצא ביניהן. אטומים שאיבדו אלקטרונים הופכים ליונים חיוביים.
 תגובת שרשרת: האלקטרונים החופשיים מואצים על ידי השדה החשמלי, מתנגשים באטומים נוספים, ומשחררים יותר אלקטרונים. תהליך זה יוצר יותר ויותר חלקיקים טעונים.
 יצירת פלזמה: כאשר מספיק אטומים עוברים יינון, הגז הופך למוליך חשמל טוב, והטמפרטורה שלו עולה בצורה דרמטית (לעיתים ל-10,000°C ומעלה). במצב זה הגז הופך לפלזמה – מצב צבירה רביעי של החומר, שהוא גז המרכב מאלקטרונים, יונים ואטומים נייטרליים.
 תכונות ייחודיות: הפלזמה מגיבה לשדות חשמליים ומגנטיים, מוליכה חשמל, ופולטת אור (עקב מעברי אנרגיה של אלקטרונים).

משתמשים בטכניקת הפלזמה למטרות רבות בתעשייה וברפואה.

 שימוש בטכנולוגיית הפלזמה 
ממוזער|מתקן השעשוע סולם יעקב בו קשת חשמלית עולה למעלה בין שני מוטות כתוצאה מחימום האוויר המיונן במסלול הקשת.|טקסט=
ממוזער|הדגמה של סולם יעקב
 בתעשייה 
 ריתוך וחיתוך פלזמה: ריתוך הוא תהליך חיבור חלקי מתכת על ידי התכתם באמצעות קשת חשמלית. הטמפרטורה הגבוהה הנוצרת בקשת שבין אלקטרודה לגוף מתכתי מוליך, גורמת להתכת המתכת. הרכב האלקטרודה, שגם היא מותכת, מאפשר להתאים את הריתוך לצרכים. סביבת הריתוך משפעה על החיבור. כך למשל משתמשים בגז אציל, ארגון, כדי למנוע חמצון של המתכת. הטמפרטורה הגבוהה מאפשרת חיתוך מדויק וריתוך מתכות עבות. יצירת טמפרטורה גבוהה נעשית גם בשימוש בקרן לייזר רבת עצמה, ההופכת את המתכת לפלזמה, וכך מתיכה שכבות עבות של מתכות כמו פלדה. ניתן להשתמש בקשת חשמלית גם לחיתוך מתכות.
 ציפוי בפלזמה: יצירת ציפויים עמידים על משטחים. כאשר מפעילים פלזמה של מתכת מסוג אחד על גוש מתכת קר, נוצר ציפוי של שכבה דקה (ננו מטרית). בטכנולוגיה זו משתמשים לציפוי מתכות זולות כמו נחושת וברזל במתכות יקרות כמו זהב וטיטניום.
 התזת פלזמה: יישום חומרים על משטחים באמצעות פלזמה. בדומה לציפוי מתכות, אפשר להתיז פלזמה על משטח, כאשר המשטח נמצא בין קטבי האלקטרודות. מתקבל ציפוי הומוגני שאת עוביו אפשר לקבוע.
 תהליכי יצור מיקרואלקטרוניקה: חריטה והשקעת שכבות דקות בייצור מעגלים משולבים. כיום מעגלים משולבים הכוללים אלפי רכיבים במילימטר מעוקב מיוצרים בטכנולוגיות המבוססות על שימוש בפלזמה. טכנולוגיה זאת אפשרה למזער את המעגלים ולאפשר בניית מערכות מתוחכמות ויעילות בנפח מינימלי.
 כבשן קשת חשמלית: משמש להתכת מתכות באמצעות קשת חשמלית במקום באש.

 במחקר 
 היתוך גרעיני: היתוך גרעיני אמור להוות מקור לאנרגיה בלתי מוגבלת, המבוססת על שחרור אנרגיה כתוצאה מהיתוך שני אטומי מימן להליום. בגלל הטמפרטורות הגבוהות (מיליוני מעלות) אי אפשר לקיים תהליך כזה במכל סגור ולכן התהליך כולו נעשה בתוך פלזמה המוחזקת באמצעות שדות מגנטיים. האפשרות לבצע את התהליך הוכחה בניסויים אך עדיין רחוקה משימוש תעשייתי.
 מנועי דחף פלזמה להנעת חלליות בחלל העמוק: תנועה בחלל החיצון מחייבת מקור אנרגיית דחף יציב לאורך זמן וקל במשקל. שימוש בתהליכים כימיים כמו בטילים הקיימים כיום מחייב כמות גדולה של דלק ויעילות נמוכה. כאשר מייצרים ענן של פלזמה בחלל מתקבל כוח דחף מתמשך שמאפשר לחלליות לנוע במהירויות גבוהות מאוד לאורך זמן.
 מחקר החלל: הבנת תופעות כמו כוכבים ופלזמה בין כוכבית: מצב של פלזמה קיים בכוכבים לוהטים ובעננים טעוני יונים בחלל. חקירת הפלזמה באמצעות קליטת האנרגיה המשתחררת ממנה מאפשרת הבנת התהליכים המתרחשים בכוכבים ובחלל שביניהם, גם בגלקסיות רחוקות וגם חקירת זוהר הקוטב הנוצר מפלזמה יונית בסטרטוספירה.

 ברפואה 
 כירורגיית פלזמה: חיתוך רקמות וקרישת דם. כיום משתמשים בעיקר בלייזר מדויק המתיך את הרקמות ויצר ענן פלזמה בין חלקי הרקמות, או מתיך את קרישי הדם. אם כי אפשר גם באמצעות קשת חשמלית.
 סטריליזציה: הריגת חיידקים ונגיפים במכשור רפואי ובמשטחים. פלזמה מאפשרת חיטוי יבש מהיר, לעומת השיטות המקובלות של חיטוי בקיטור או בקרינה רדיואקטיבית.
 טיפול בפצעים: פלזמה בטמפרטורה נמוכה לריפוי פצעים וטיפול בזיהומים, למשל טיפול ביוני אוזון, שמיוצרים על ידי קשת חשמלית.

 במדעי הסביבה 
 טיהור אוויר: הרחקת מזהמים ממערכות פליטה תעשייתיות.
 טיפול במים: פירוק מזהמים אורגניים במים מזוהמים, אחת השיטות היעילות לטיהור מים היא יצירת אוזון מפלזמה של חמצן שבאוויר.
 פירוק פסולת מסוכנת: הופכים את הפסולת לפלזמה בטמפרטורה גבוהה, המפרקת את החומר הביולוגי ליסודות ראשוניים וכך לא משתחררים לאטמוספירה גזי שריפה.

 שעשוע והדגמה 
 סולם יעקב: קשת חשמלית עולה למעלה בין שני מוטות מתכת המתרחקים אחד מהשני ככל שעולה הגובה, כתוצאה מצפיפותו הנמוכה של האוויר המיונן שבמסלול הקשת.
 קרני קשת: מתקן הדומה לסולם יעקב אשר מותקן על שנאי מתח גבוה, ונועד לכבות קשתות חשמליות שנוצרו כדי להגן על שנאים ורכיבים אחרים במערכת הובלת החשמל מפני נזקים העלולים להיגרם כתוצאה ממתח יתר. כאשר המתח מגיע לרמה מסוימת, נוצרת קשת חשמלית, שמקצרת את הרכיב ומגנה בכך עליו ממתח יתר. לאחר מכן, היא עולה במוטות של קרני הקשת ונכבית. אם הגורם של מתח היתר נעלם, הקשת לא תיווצר שוב.

 השפעה מזיקה של קשת חשמלית 
קשת חשמלית יוצרת הפרעות במעברים של רשתות חשמל ותקשורת. כאשר מפסק חשמלי נסגר או נפתח, נוצר ניצוץ בין שני חלקי המפסק. במהלך חלקיק שנייה של הניצוץ קשת זו גורמת לפריצה של זרם גבוהה בין חלקי המפסק ולהתחממותו. התופעה מתרחשת ברשתות חשמל ארציות של מתח גבוהה מאד, (מתח של מאות אלפי וולטים) וגם במפסק ביתי, ועד למערכות הפעלה ותקשורת גם במתח נמוך. התוצאה היא הפרעות בהספקת זרם, הפרעה בקליטה ושידור, פגיעה בתוכנות ואפליקציות במחשבים ונזק לרכיבים במכשירים ומחשבים. הפרעות כאלה נוצרות גם מברקים אף שמהווים ניצוץ חשמלי ולא קשת חשמלית. שימוש בטכנולוגית הקשת החשמלית בתעשייה עשוי גם לגרום לסיכון לאדם, בגלל עוצמת האור והקרינה האולטרה סגולה, האנרגיה ושחרור פלזמה לסביבה. קשת חשמלית מייננת את החמצן והחנקן שבאוויר והופכת אותם לאוזון ותחמוצות חנקן.

ראו גם
 ברק
 ריתוך בקשת

קישורים חיצוניים



הערות שוליים

קטגוריה:חשמל