Arc electric

Arcul electric este o descărcare electrică autonomă și continuă care se produce între doi electrozi sau doi conductori aflați la diferență de potențial electric, într-un mediu gazos ionizat. Fenomenul este caracterizat prin trecerea unui curent electric de intensitate relativ mare printr-un canal de plasmă format în urma ionizării gazului dintre electrozi. Arcul electric este însoțit de emisie luminoasă intensă, temperaturi foarte ridicate, zgomot și degajare de căldură. Acest tip de descărcare electrică apare atunci când câmpul electric dintre doi conductori depășește rigiditatea dielectrică a mediului izolator, de regulă aerul, determinând ruperea proprietăților sale izolatoare și transformarea sa într-un mediu conductor. Odată inițiat, arcul electric poate fi menținut chiar și la tensiuni mai mici decât cele necesare producerii sale inițiale, datorită ionizării persistente a gazului. Arcul electric reprezintă unul dintre cele mai studiate fenomene din electrotehnică și fizica plasmei, având atât aplicații industriale importante, cât și implicații majore în domeniul securității instalațiilor electrice. Istoric Primele observații sistematice asupra arcului electric au fost realizate la începutul secolului al XIX-lea. În anul 1800, savantul britanic Humphry Davy a demonstrat experimental producerea unei descărcări electrice continue între două bare de carbon conectate la o baterie electrică de mare putere. Acesta a denumit fenomenul „arc” datorită formei curbate pe care o adopta coloana luminoasă dintre electrozi. Descoperirea a avut un impact considerabil asupra dezvoltării timpurii a iluminatului electric, conducând ulterior la apariția lămpilor cu arc electric, folosite pe scară largă în secolul al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea pentru iluminatul stradal, industrial și naval. Ulterior, studiul arcului electric a contribuit la dezvoltarea sudurii electrice, a cuptoarelor industriale și a cercetărilor asupra plasmei. Principiul de funcționare În condiții normale, aerul și majoritatea gazelor se comportă ca materiale izolatoare, nepermițând circulația curentului electric. Atunci când diferența de potențial dintre doi electrozi devine suficient de mare, electronii liberi existenți în gaz sunt accelerați și ciocnesc moleculele acestuia, smulgând alți electroni și producând ionizare. Prin acest proces se formează un canal conductor alcătuit din: • electroni liberi; • ioni pozitivi; • atomi excitați; • particule neutre încălzite. Acest canal ionizat poartă numele de plasmă electrică. Curentul electric care traversează plasma generează temperaturi foarte ridicate, ce pot depăși frecvent 3000–7000 °C, iar în anumite condiții industriale chiar mai mult. În timpul funcționării, arcul electric produce: • lumină puternică; • radiații ultraviolete; • unde sonore; • topirea sau vaporizarea materialului electrozilor; • expansiunea termică a gazului. Persistența arcului depinde de intensitatea curentului, de tensiunea aplicată, de distanța dintre electrozi și de compoziția mediului gazos. Tipuri de arc electric În funcție de condițiile de producere și de aplicația practică, arcurile electrice pot fi clasificate în mai multe categorii. Arc electric liber Este produs în aer sau într-un alt gaz fără constrângeri speciale, între doi conductori apropiați. Acesta apare adesea accidental în instalațiile de înaltă tensiune. Arc electric stabilizat Este menținut în mod controlat între electrozi special construiți, fiind utilizat în procese industriale precum sudura sau topirea metalelor. Arc electric în vid Se produce în camere vidate și este folosit în anumite tipuri de întrerupătoare electrice și echipamente electronice. Arc electric submers Este un arc electric produs sub un strat de flux protector, utilizat în anumite tehnologii de sudare. Producerea accidentală Arcul electric poate apărea accidental în instalații electrice atunci când: • izolația conductorilor este deteriorată; • doi conductori aflați la potențiale diferite se apropie excesiv; • există impurități, praf sau umezeală; • se produce o supratensiune; • un obiect conductor intră în apropierea liniilor electrice. În cazul liniilor de înaltă tensiune, aerul dintre conductori poate fi străpuns electric chiar fără contact direct. Din această cauză, apropierea de cablurile electrice suspendate este extrem de periculoasă.

Arcul electric accidental poate provoca: • arsuri severe; • electrocutare; • incendii; • distrugerea echipamentelor; • explozii cauzate de vaporizarea metalului. În ingineria electrică, aceste evenimente sunt cunoscute și sub denumirea de arc flash, fiind considerate printre cele mai periculoase accidente de muncă din domeniul energetic. Aplicații Sudura electrică Una dintre cele mai răspândite utilizări ale arcului electric este în sudura metalelor. În cadrul acestui proces, arcul format între electrod și piesa de lucru produce suficientă căldură pentru a topi local materialele, permițând îmbinarea lor după solidificare. Există mai multe procedee de sudură cu arc: • sudură manuală cu electrod învelit; • sudură MIG/MAG; • sudură TIG; • sudură cu arc sub flux. Metalurgie Cuptoarele cu arc electric sunt folosite pentru topirea oțelului, a fontei și a diferitelor aliaje. Aceste instalații permit obținerea unor temperaturi extrem de ridicate și controlate, fiind esențiale în reciclarea metalelor feroase. Iluminat Lămpile cu arc electric au reprezentat una dintre primele forme de iluminat electric de mare intensitate. Deși în prezent sunt rar utilizate pentru iluminatul general, principiul lor se păstrează în unele proiectoare și surse speciale de lumină. Aprindere și dispozitive electrice Un arc electric de dimensiuni reduse este folosit la: • aprinzătoare piezoelectrice; • bujii; • unele sisteme de aprindere industrială. Dispozitive de autoapărare Unele arme electrice de incapacitate temporară, precum dispozitivele de tip Taser, utilizează descărcări electrice de înaltă tensiune care pot produce un arc vizibil între electrozi. Industria chimică În industria chimică, temperaturile înalte generate de arcul electric permit desfășurarea unor reacții care nu pot avea loc în condiții obișnuite. Astfel de instalații au fost utilizate pentru: • producerea acetilenei; • obținerea carburii de calciu; • reducerea unor oxizi; • sinteza unor materiale refractare. Caracteristici fizice Arcul electric este considerat o formă de plasmă termică. Proprietățile sale principale sunt: • temperatură foarte mare; • conductivitate electrică ridicată; • densitate energetică ridicată; • emisie de lumină alb-albăstruie; • prezența radiațiilor ultraviolete și infraroșii. Culoarea arcului poate varia în funcție de gazul în care se produce și de materialul electrozilor. În aer, arcul apare de obicei albăstrui sau alb intens. Riscuri și măsuri de protecție Din cauza energiei foarte mari degajate într-un timp scurt, arcul electric constituie un pericol major pentru personalul care lucrează în instalații electrice. Principalele riscuri sunt: • arsuri termice și electrice; • afectarea vederii din cauza luminii intense; • leziuni provocate de radiațiile ultraviolete; • șoc mecanic datorat undei de presiune; • inhalarea vaporilor metalici toxici. Pentru prevenirea accidentelor sunt utilizate: • echipamente de protecție dielectrică; • ecrane și măști speciale; • distanțe minime de siguranță; • întrerupătoare și sisteme de stingere a arcului. Importanță științifică Arcul electric reprezintă una dintre cele mai accesibile forme de plasmă create artificial și constituie un domeniu important de cercetare în: • electrotehnică; • fizica plasmei; • metalurgie; • chimie industrială; • ingineria materialelor. Studierea comportamentului arcului electric a contribuit la dezvoltarea tehnologiilor moderne de întrerupere a curentului, de procesare termică și de control al descărcărilor electrice.