מהו קשת חשמלית? | קשת במתג מפצל מעגל

לפני שנכנס לפרטים של טכנולוגיות כיבוי קשת או כיבוי קשת המופעלות ב-משבר מעגל, עלינו לדעת קודם כל מהי קשת.

מהי קשת?

בפתיחה של מגעים העבירים זרם במשבר מעגל, התווך בין מגעי הפתיחה מתאיד בצורה חזקה, מה שנותן לזרם המפריע מסלול 저-נגדה ומאפשר לו להמשיך לזרום דרך המסלול הזה גם כאשר המגעים מופרדים פיזית. במהלך זרימת הזרם ממגע למגע, המסלול מתלהט עד כדי נגיעה. זה מכונה קשת.

קשת במשבר מעגל

כל פעם שמגעי משבר המעגל נפתחים עם זרם, מתפתחת קשת במשבר מעגל בין המגעים המופרדים.

כל עוד הקשת נשמרת בין המגעים, הזרם דרך המשבר לא יתקוטט סופית כי הקשת עצמה היא מסלול מוליך של חשמל. בכדי להפסיק את הזרם לחלוטין, חשוב לכבות את הקשת במהירות האפשרית. קריטריון עיצוב ראשי של משבר מעגל הוא לספק טכנולוגיה מתאימה של כיבוי קשת במשבר מעגל כדי להבטיח הפסקה מהירה ואבטחתית של הזרם. לכן, לפני שנכנס לפרטים שונים של טכניקות כיבוי קשת המשמשות במשברי מעגל, כדאי לנסות להבין מהי קשת והתאוריה הבסיסית של קשת במשבר מעגל, בואו נדון בזה.

תאיון תרמי של גז

ישנם מספר אלקטרונים חופשיים ואيونים הנמצאים בגז בטמפרטורת החדר עקב קרני אולטרה סגול, קרני קוסמוס וראדיואקטיביות של כדור הארץ. האלקטרונים והאונים החופשיים הם כה מעטים במספר שהם אינם מספיקים כדי לתמוך בנשיאה של חשמל. מולקולות הגז נעות באופן רנדומלי בטמפרטורת החדר. נמצא כי מולקולת אוויר בטמפרטורה של 300oK (טמפרטורת חדר) נעים באופן רנדומלי במהירות ממוצעת של בערך 500 מטר/שנייה ומתרחשים במולקולות אחרות בתדירות של 1010 פעמים/שנייה.

המולקולות הנעות באופן רנדומלי מתנגשות זו בזו בתדירות גבוהה מאוד אך האנרגיה הקינטית של המולקולות אינה מספיקה כדי להוציא אלקטרון מאטומים של המולקולות. אם הטמפרטורה עולה, האוויר יתחמם והתמך המולקולות תגדל. מהירות גבוהה יותר אומרת פגיעה חזקה יותר במהלך התנגשות בין מולקולות. במצב זה חלק מהמולקולות מתפרקות ל-אטומים. אם הטמפרטורה של האוויר עולה עוד יותר, רבים מהאטומים נשלפים מאלקטרונים ערכיים ומגינים על הגז להתאיין. אז הגז המתאיין יכול לשאת חשמל בשל מספר אלקטרוני חפשי מספיק. מצב זה של כל גז או אוויר מכונה פלזמה. תופעה זו מכונה תאיון תרמי של גז.

תאיון עקב התנגשות אלקטרונים

כפי שהזכרנו, תמיד יש אלקטרונים ואונים חופשיים באוויר או בגז אך הם אינם מספיקים לשאת חשמל. בכל פעם שהאלקטרונים החופשיים האלה נתקלים בשדה חשמלי חזק, הם מכוונים לנקודות עם פוטנציאל גבוה יותר בשדה ומגיעים למהירות גבוהה דיה. במילים אחרות, האלקטרונים מואצים לאורך כיוון השדה החשמלי עקב גרדיאנט פוטנציאל גבוה. במהלך נסיעתם, האלקטרונים מתנגשים עם אטומים ומולקולות אחרים של האוויר או הגז ומוציאים אלקטרונים ערכיים מהמסלולים שלהם.

אחרי שהוצאו מהאטומים האם, האלקטרונים ימשיכו לנוע לאורך כיוון אותו שדה חשמלי עקב גרדיאנט הפוטנציאל. האלקטרונים הללו יתנגשו באופן דומה עם אטומים אחרים ויוצרים יותר אלקטרונים חופשיים אשר גם כן יכוונו לאורך השדה חשמלי. עקב פעולה זו, מספר האלקטרונים החופשיים בגז יהפוך כה גבוה כך שהגז מתחיל לשאת חשמל. תופעה זו מכונה תאיון גז עקב התנגשות אלקטרונים.

דיאיון של גז

אם כל הגורמים של תאיון גז מוסרים מגז מתאיין, הוא חוזר במהירות למצבו הנייטרלי באמצעות הרכבת מטענים חיוביים ושליליים. תהליך ההרכבה של מטענים חיוביים ושליליים מכונה תהליך דיאיון. בדיאיון באמצעות הדיפוזיה, האונים השליליים או האלקטרונים והאונים החיוביים נעים לקירות תחת השפעת גרדיאנט הריכוז ובכך משלימים את תהליך ההרכבה.

תפקיד הקשת במשבר מעגל

כאשר שני מגעי זרם נפתחים רק עכשיו, קשת מחברת את הפער בין המגעים ודרך הקשת הזרם מקבל מסלול נמוך נגדה לזרום כך שאין הפרעה פתאומית לזרם. כיוון שאין שינוי פתאומי והררי בזרם במהלך פתיחת המגעים, אין מתח מעבר חריג במערכת. אם i הוא הזרם שזורם דרך המגעים ממש לפני שהם נפתחים, L הוא האינדוקטיביות של המערכת, המתח המעברי במהלך פתיחת המגעים יכול לבוא לידי ביטוי כ-V = L.(di/dt) כאשר di/dt הוא קצב השינוי של הזרם לפי הזמן במהלך פתיחת המגעים. במקרה של זרם חילופין, הקשת כובאת זמנית בכל אפס זרם. אחרי חציית כל אפס זרם, התווך בין המגעים המופרדים מתאייד שוב במהלך המחזור הבא של הזרם וה-קשת במשבר מעגל מתאפקת מחדש. בכדי להצליח בהפסקה מלאה, יש למנוע את התאיון מחדש בין המגעים המופרדים אחרי אפס זרם.

אם הקשת במשבר מעגל חסרה במהלך פתיחת מגעי הזורם, תהיה הפסקה פתאומית והררית של הזרם שתגרום למתח מעבר עצום מספיק כדי להלחיץ קשות את ההבודדות של המערכת. מצד שני, הקשת מספקת מעברדרגתי אך מהיר, מהמצב של נשיאת זרם למצב השבת זרם של המגעים.

תורת הפסקת קשת או כיבוי קשת או כיבוי קשת

מאפייני עמוד הקשת

בטמפרטורה גבוהה, החלקיקים המטענים בגז נעים במהירות ובאופן רנדומלי, אבל ללא שדה חשמלי, אין תנועה נתונה. כל פעם שמפעילים שדה חשמלי בגז, החלקיקים המטענים מקבלים מהירות נסיעה מעל התנועה הטרמית הרנדומלית שלהם. המהירות של הנסיעה פרופורציונלית לגרדיאנט מתח השדה ולניידות החלקיקים. ניידות החלקיקים תלויה במסת החלקיק, חלקיקים כבדים יותר, ניידות נמוכה יותר. הניידות גם תלויה בנתיבים חופשיים הממוצעים הזמינים בגז לתנועה רנדומלית של החלקיקים. מכיוון שכל פעם שחלקיק מתנגש, הוא מאבד את מהירותו המכוונת וצריך להאיץ שוב בכיוון השדה החשמלי. לכן, הניידות הכללית של החלקיקים נמוכה. אם הגז נמצא בלחץ גבוה, הוא נעשה צפוף יותר ולכן, מולקולות הגז מתקרבות אחת לשניה, ולכן התנגשויות מתרחשות чаще מה שמפחית את ניידות החלקיקים. הזרם הכולל על ידי חלקיקים מטענים פרופורציוני לניידות שלהם. לכן, ניידות חלקיקי הגז תלויה בטמפרטורה, לחץ הגז וכן בטבע הגז. שוב, ניידות חלקיקי הגז קובעת את מדרגת התאיון של הגז.

אז מתוך הסבר זה אפשר לומר ש-תהליך התאיון של גז תלוי בטבע הגז (חלקיקים כבדים או קלים), לחץ הגז וטמפרטורת הגז. כמו שאמרנו קודם, עוצמת עמוד הקשת תלויה בנוכחות של תווך מתאיין בין מגעים חשמליים מופרדים, לכן, יש לתת תשומת לב מיוחדת בהפחתת התאיון או הגברת הדיאיון של התווך בין המגעים. זהו הסיבה לעיצוב העיקרי של משבר מעגל הוא לספק שיטות שונות של בקרה על לחץ, שיטות קירור עבור תווכים שונים של קשת בין מגעי המשבר.

אובדן חום מקשת

אובדן החום מקשת במשבר מעגל קורה דרך מוליכות, קונבקציה ורדיציה. ב-משבר מעגל עם הפסקה פשוטה של קשת בשמן, קשת בסורגים או בחריצים צרים כמעט כל אובדן החום קורה דרך מוליכות. ב-משבר מעגל עם מטח אוויר או במשבר שבו יש זרימת גז בין המגעים החשמליים, אובדן החום של פלזמת הקשת קורה דרך תהליך קונבקציה. בלחץ נורמלי, הרדיציה אינה גורם משמעותי, אך בלחץ גבוה יותר, הרדיציה יכולה להיות גורם חשוב מאוד לאובדן חום מפלזמת הקשת. במהלך פתיחת המגעים החשמליים, הקשת במשבר מעגל נוצרת והיא כובאת בכל אפס זרם ואז היא מתאפקת מחדש במהלך המחזור הבא. הכיבוי הסופי של הקשת או כיבוי הקשת במשבר מעגל מושג על ידי עלייה מהירה בחוזק הדיאלקטרי בתווך בין המגעים כך שהחידוש של הקשת לאחר אפס זרם אינו אפשרי. עלייה מהירה זו בחוזק הדיאלקטרי בין מגעי המשבר מושגת בין אם על ידי דיאיון של הגז בתווך הקשת או על ידי החלפת הגז המתאיין בגז קר וטרי.
ישנן שיטות רבות של תהליכי דיאיון המופעלים לכיבוי קשת במשבר מעגל, בואו נדון בהם בקצרה.

דיאיון של גז עקב עלייה בלחץ

אם לחץ המסלול של הקשת עולה, הצפיפות של הגז המתאיין גדלה, כלומר, החלקיקים בגז מתקרבים אחד לשני וכתוצאה מכך, הנתיב החופשי הממוצע של החלקיקים קטן. זה מגביר את קצב ההתנגשויות וכפי שהזכרנו קודם, בכל התנגשות החלקיקים המטענים מאבדים את מהירותם המכוונת לאורך השדה חשמלי והם מואצים מחדש בכיוון השדה. ניתן לומר שהניידות הכוללת של החלקיקים המטענים קטנה, כך שהמתח הנדרש כדי לשמור על הקשת גדל. אפקט נוסף של הצפיפות הגבוהה יותר של החלקיקים הוא קצב גבוה יותר של דיאיון של הגז עקב ההרכבה של חלקיקים בעלי מטענים מנוגדים.

דיאיון של גז עקב ירידה בטמפרטורה