Arco eletrico - Electric arc

Para eletricidade seguindo um caminho não intencional, consulte curto-circuito .
Um arco elétrico entre dois pregos
Uma demonstração da escada de Jacob

Um arco elétrico , ou descarga de arco , é uma avaria elétrica de um gás que produz uma descarga elétrica prolongada . A corrente através de um meio normalmente não condutor , como o ar, produz um plasma ; o plasma pode produzir luz visível . Uma descarga de arco é caracterizada por uma tensão mais baixa do que uma descarga cintilante e depende da emissão termiônica de elétrons dos eletrodos que sustentam o arco. Um termo arcaico é arco voltaico , conforme usado na frase "lâmpada de arco voltaico".

Técnicas de supressão de arco podem ser usadas para reduzir a duração ou a probabilidade de formação de arco.

No final dos anos 1800, a iluminação de arco elétrico era amplamente utilizada para iluminação pública . Alguns arcos elétricos de baixa pressão são usados ​​em muitas aplicações. Por exemplo, tubos fluorescentes , lâmpadas de mercúrio, sódio e haletos metálicos são usados ​​para iluminação; lâmpadas de arco de xenônio têm sido usadas para projetores de filme . Arcos elétricos podem ser utilizados para processos de fabricação, como soldagem a arco elétrico e fornos elétricos a arco para reciclagem de aço.

História

O relâmpago natural agora é considerado uma faísca elétrica , não um arco.

Sir Humphry Davy descobriu o arco elétrico de pulso curto em 1800. Em 1801, ele descreveu o fenômeno em um artigo publicado no Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts de William Nicholson . De acordo com a ciência moderna, a descrição de Davy foi mais uma faísca do que um arco. No mesmo ano, Davy demonstrou publicamente o efeito, perante a Royal Society , ao transmitir uma corrente elétrica por meio de duas hastes de carbono que se tocaram e, em seguida, separaram-nas por uma curta distância. A demonstração produziu um arco "débil", não facilmente distinguível de uma faísca sustentada , entre pontas de carvão . A Sociedade assinou uma bateria mais poderosa de 1.000 placas e, em 1808, ele demonstrou o arco em grande escala. Ele é creditado por nomear o arco. Ele o chamou de arco porque assume a forma de um arco para cima quando a distância entre os eletrodos não é pequena. Isso se deve à força de empuxo no gás quente.

O primeiro arco contínuo foi descoberto independentemente em 1802 e descrito em 1803 como um "fluido especial com propriedades elétricas", por Vasily V. Petrov , um cientista russo que fazia experiências com uma bateria de cobre-zinco consistindo de 4200 discos.

No final do século XIX, a iluminação de arco elétrico era amplamente utilizada para iluminação pública . A tendência dos arcos elétricos de piscar e chiar era um grande problema. Em 1895, Hertha Marks Ayrton escreveu uma série de artigos para o Eletricista , explicando que esses fenômenos eram o resultado do contato do oxigênio com as barras de carbono usadas para criar o arco. Em 1899, ela foi a primeira mulher a ler seu próprio artigo antes do Instituto de Engenheiros Elétricos (IEE). Seu artigo foi intitulado "O assobio do arco elétrico". Pouco depois, Ayrton foi eleita a primeira mulher do IEE; a próxima mulher a ser admitida no IEE foi em 1958. Ela pediu para apresentar um artigo perante a Royal Society, mas ela não foi permitida por causa de seu gênero, e "The Mechanism of the Electric Arc" foi lido por John Perry nela lugar em 1901.

Visão geral

Arcos elétricos entre a linha de energia e os pantógrafos de um trem elétrico após o congelamento da catenária
A eletricidade forma um arco entre o trilho de força e a "sapata" da pickup elétrica em um trem do metrô de Londres

Um arco elétrico é a forma de descarga elétrica com a maior densidade de corrente. A corrente máxima em um arco é limitada apenas pelo circuito externo, não pelo próprio arco.

Um arco entre dois eletrodos pode ser iniciado por ionização e descarga cintilante, quando a corrente através dos eletrodos é aumentada. A tensão de ruptura da lacuna do eletrodo é uma função combinada da pressão, distância entre os eletrodos e tipo de gás ao redor dos eletrodos. Quando um arco é iniciado, sua tensão terminal é muito menor do que uma descarga cintilante e a corrente é mais alta. Um arco em gases próximos à pressão atmosférica é caracterizado pela emissão de luz visível, alta densidade de corrente e alta temperatura. Um arco se distingue de uma descarga cintilante, em parte, pelas temperaturas semelhantes dos elétrons e dos íons positivos; em uma descarga luminosa, os íons são muito mais frios do que os elétrons.

Um arco desenhado pode ser iniciado por dois eletrodos inicialmente em contato e separados; isso pode iniciar um arco sem a descarga cintilante de alta tensão. Esta é a maneira que um soldador começa a soldar uma junta, momentaneamente tocando o eletrodo de soldagem contra a peça de trabalho, em seguida, retirando-o até que um arco estável seja formado. Outro exemplo é a separação de contatos elétricos em chaves, relés ou disjuntores; em circuitos de alta energia, a supressão do arco pode ser necessária para evitar danos aos contatos.

A resistência elétrica ao longo do arco elétrico contínuo cria calor, que ioniza mais moléculas de gás (onde o grau de ionização é determinado pela temperatura), e de acordo com esta sequência: sólido-líquido-gás-plasma; o gás é gradualmente transformado em plasma térmico. Um plasma térmico está em equilíbrio térmico; a temperatura é relativamente homogênea em todos os átomos, moléculas, íons e elétrons. A energia dada aos elétrons é rapidamente dispersa para as partículas mais pesadas por colisões elásticas , devido à sua grande mobilidade e grande número.

A corrente no arco é sustentada pela emissão termiônica e pela emissão de campo de elétrons no cátodo. A corrente pode ser concentrada em um ponto quente muito pequeno no cátodo; podem ser encontradas densidades de corrente da ordem de um milhão de amperes por centímetro quadrado. Ao contrário de uma descarga cintilante , um arco tem pouca estrutura discernível, uma vez que a coluna positiva é bastante brilhante e se estende quase até os eletrodos em ambas as extremidades. A queda do cátodo e a queda do ânodo de alguns volts ocorrem dentro de uma fração de milímetro de cada eletrodo. A coluna positiva tem um gradiente de voltagem mais baixo e pode estar ausente em arcos muito curtos.

Um arco de corrente alternada de baixa frequência (menos de 100 Hz) assemelha-se a um arco de corrente contínua; em cada ciclo, o arco é iniciado por quebra, e os eletrodos trocam de papéis, como ânodo ou cátodo, quando a corrente inverte. À medida que a frequência da corrente aumenta, não há tempo suficiente para que toda a ionização se disperse a cada meio ciclo, e a quebra não é mais necessária para sustentar o arco; a característica tensão vs. corrente torna-se mais próxima do ôhmico.

Arco elétrico entre fios de arame.

As várias formas de arcos elétricos são propriedades emergentes de padrões não lineares de corrente e campo elétrico . O arco ocorre no espaço preenchido com gás entre dois eletrodos condutores (geralmente feitos de tungstênio ou carbono) e resulta em uma temperatura muito alta , capaz de derreter ou vaporizar a maioria dos materiais. Um arco elétrico é uma descarga contínua, enquanto a descarga de uma faísca elétrica semelhante é momentânea. Um arco elétrico pode ocorrer em circuitos de corrente contínua (DC) ou em circuitos de corrente alternada (AC). No último caso, o arco pode voltar a acertar a cada meio ciclo da corrente. Um arco elétrico difere de uma descarga cintilante porque a densidade da corrente é bastante alta e a queda de tensão dentro do arco é baixa; no cátodo , a densidade de corrente pode chegar a um megampere por centímetro quadrado.

Um arco elétrico tem uma relação não linear entre a corrente e a tensão. Uma vez que o arco é estabelecido (seja pela progressão de uma descarga luminescente ou tocando momentaneamente os eletrodos e depois separando-os), o aumento da corrente resulta em uma tensão mais baixa entre os terminais do arco. Este efeito de resistência negativa requer que alguma forma positiva de impedância (como um reator elétrico ) seja colocada no circuito para manter um arco estável. Essa propriedade é o motivo pelo qual os arcos elétricos não controlados em aparelhos se tornam tão destrutivos, pois, uma vez iniciado, um arco extrairá mais e mais corrente de uma fonte de tensão fixa até que o aparelho seja destruído.

Usos

Um arco elétrico pode derreter óxido de cálcio

Industrialmente, os arcos elétricos são usados ​​para soldagem , corte de plasma , para usinagem de descarga elétrica , como uma lâmpada de arco em projetores de cinema e pontos de seguimento na iluminação de palco . Os fornos elétricos a arco são usados ​​para produzir aço e outras substâncias. O carboneto de cálcio é feito desta forma, pois requer uma grande quantidade de energia para promover uma reação endotérmica (a temperaturas de 2500 ° C).

Luzes de arco de carbono foram as primeiras luzes elétricas. Eles foram usados ​​para luzes de rua no século 19 e para aplicações especializadas, como holofotes, até a Segunda Guerra Mundial. Hoje, arcos elétricos de baixa pressão são usados ​​em muitas aplicações. Por exemplo, tubos fluorescentes , lâmpadas de mercúrio, sódio e iodetos metálicos são usados ​​para iluminação; lâmpadas de arco de xenônio são usadas para projetores de filme.

A formação de um arco elétrico intenso, semelhante a um arco voltaico em pequena escala , é a base dos detonadores explosivos em ponte .

A principal aplicação restante é em painéis de distribuição de alta tensão para redes de transmissão de alta tensão. Dispositivos modernos usam hexafluoreto de enxofre em alta pressão em um fluxo de bico entre eletrodos separados dentro de um vaso de pressão. A corrente de falha AC é interrompida na corrente zero pelos íons SF6 altamente eletronegativos que absorvem elétrons livres do plasma em decomposição. Uma tecnologia semelhante baseada em ar foi amplamente substituída porque muitas unidades ruidosas em série foram necessárias para evitar a reativação da corrente sob condições semelhantes de super-rede.

Arcos elétricos foram estudados para propulsão elétrica de espaçonaves.

Eles são usados ​​em laboratório para espectroscopia para criar emissões espectrais por aquecimento intenso de uma amostra de matéria .

Guiando o arco

Os cientistas descobriram um método para controlar o caminho de um arco entre dois eletrodos, disparando feixes de laser no gás entre os eletrodos. O gás se torna um plasma e guia o arco. Ao construir o caminho de plasma entre os eletrodos com diferentes feixes de laser, o arco pode ser formado em caminhos curvos e em forma de S. O arco também pode atingir um obstáculo e se reformar do outro lado do obstáculo. A tecnologia de arco guiado a laser pode ser útil em aplicações para fornecer uma centelha de eletricidade a um ponto preciso.

Arco indesejado

Queimadura em um plugue causada por um arco elétrico durante um curto-circuito .

O arco elétrico indesejado ou não intencional pode ter efeitos prejudiciais na transmissão de energia elétrica , nos sistemas de distribuição e nos equipamentos eletrônicos . Dispositivos que podem causar arco elétrico incluem interruptores, disjuntores, contatos de relé, fusíveis e terminações de cabo de má qualidade. Quando um circuito indutivo é desligado, a corrente não pode saltar instantaneamente para zero: um arco transiente será formado através dos contatos de separação. Dispositivos de chaveamento suscetíveis a arco são normalmente projetados para conter e extinguir um arco, e os circuitos de amortecimento podem fornecer um caminho para correntes transitórias, evitando o arco. Se um circuito tiver corrente e tensão suficientes para sustentar um arco formado fora de um dispositivo de comutação, o arco pode causar danos ao equipamento, como derretimento de condutores, destruição de isolamento e incêndio. Um arco voltaico descreve um evento elétrico explosivo que representa um perigo para pessoas e equipamentos.

O arco indesejado em contatos elétricos de contatores , relés e interruptores pode ser reduzido por dispositivos como supressores de arco de contato e amortecedores RC ou por meio de técnicas, incluindo:

O arco elétrico também pode ocorrer quando um canal de baixa resistência (objeto estranho, poeira condutiva , umidade ...) se forma entre locais com voltagem diferente. O canal condutor, então, pode facilitar a formação de um arco elétrico. O ar ionizado possui alta condutividade elétrica próxima à dos metais, podendo conduzir correntes extremamente altas, causando curto-circuito e desligando dispositivos de proteção ( fusíveis e disjuntores ). Uma situação semelhante pode ocorrer quando uma lâmpada queima e os fragmentos do filamento puxam um arco elétrico entre os fios dentro da lâmpada, levando a uma sobrecorrente que desarma os disjuntores.

Um arco elétrico sobre a superfície do plástico causa sua degradação. Uma trilha condutora rica em carbono tende a se formar no caminho do arco, chamada de "rastreamento de carbono", influenciando negativamente suas propriedades de isolamento. A suscetibilidade ao arco, ou "resistência do traço ", é testada de acordo com ASTM D495, por eletrodos de ponta e arcos contínuos e intermitentes; é medido em segundos necessários para formar uma trilha condutora sob condições de alta tensão e baixa corrente. Alguns materiais são menos suscetíveis à degradação do que outros. Por exemplo, o politetrafluoroetileno tem resistência ao arco de cerca de 200 segundos (3,3 minutos). Dos plásticos termoendurecíveis , as resinas alquídicas e melamínicas são melhores do que as resinas fenólicas . Os polietilenos têm resistência ao arco de cerca de 150 segundos; poliestirenos e cloretos de polivinila têm resistência relativamente baixa de cerca de 70 segundos. Os plásticos podem ser formulados para emitir gases com propriedades de extinção de arco; estes são conhecidos como plásticos extintores de arco voltaico .

O arco sobre alguns tipos de placas de circuito impresso , possivelmente devido a rachaduras nos traços ou falha de uma solda, torna a camada isolante afetada condutora, pois o dielétrico é queimado devido às altas temperaturas envolvidas. Esta condutividade prolonga o arco devido à falha em cascata da superfície.

Supressão de arco

Artigo principal: Supressão de arco

A supressão de arco é um método para tentar reduzir ou eliminar um arco elétrico. Existem várias áreas possíveis de uso de métodos de supressão de arco, entre eles deposição de filme metálico e pulverização catódica , proteção contra arco elétrico, processos eletrostáticos onde arcos elétricos não são desejados (como pintura a pó , purificação de ar , polimento de filme PVDF ) e supressão de arco por corrente de contato . Em projetos eletrônicos industriais, militares e de consumo, o último método geralmente se aplica a dispositivos como interruptores de energia eletromecânicos, relés e contatores. Neste contexto, a supressão de arco usa proteção de contato .

Parte da energia de um arco elétrico forma novos compostos químicos a partir do ar ao redor do arco: estes incluem óxidos de nitrogênio e ozônio , o segundo dos quais pode ser detectado por seu cheiro forte e característico. Esses produtos químicos podem ser produzidos por contatos de alta potência em relés e comutadores de motor e são corrosivos para as superfícies metálicas próximas. O arco também corrói as superfícies dos contatos, desgastando-os e criando alta resistência de contato quando fechados.

Veja também

Referências

links externos