Вольтова дуга

Вольтова дуга. В начале XIX века знаменитый английский химик Дэви произвел следующий опыт. Он соединил электроды гальванической батареи, состоявшей из 2 000 элементов, с двумя угольными палочками в 1 дюйм длиною и в 1/6 дюйма диаметром. Когда он привел эти палочки во взаимное соприкосновение и затем медленно раздвинул их, то между угольками появилось как бы пламя, в виде необыкновенно блестящей широкой дуги, обращенной выпуклостью кверху (см. рисунок 1, представляющий снимок с оригинального рисунка Дэви). То же открытие было самостоятельно сделано в 1802 году русским физиком Петровым. В честь знаменитого изобретателя гальванической батареи, Вольта, явление получило название вольтовой дуги. В настоящее время вольтова дуга получается обыкновенно между стержнями из искусственно приготовляемой массы, представляющей обожженную смесь порошка ретортного угля с каменноугольным дегтем. Самая дуга светится гораздо слабее, чем раскаленные концы углей; кроме того, если дуга питается постоянным током, то уголь, соединенный с положительным полюсом батареи или динамо-машины, светится ярче отрицательного угля. Другое различие между углями состоит в том, что на конце положительного угля во время горения дуги образуется углубление («кратер»), тогда как оконечность отрицательного угля заостряется (рисунок 2).

Температура положительного угля оценена Виолем в 3 500°, отрицательного - в 2 700°, температура самой дуги, вообще, превышает эти цифры. Светящаяся поверхность положительного кратера бывает тем обширнее, чем сильнее ток, питающий дугу; но при этом замечательно то обстоятельство, что яркость этой поверхности почти не зависит от силы тока. Это заставляет думать, что и температура положительного кратера не зависит от силы тока, а определяется условиями какого-то физического процесса. По мнению многих физиков, эта температура есть просто температура кипения углерода. Положительный уголь расходуется значительно скорее отрицательного, между прочим, вследствие того, что происходит перенос вещества с первого на второй.

Теория вольтовой дуги основывается, прежде всего, на том факте, что для образования и, вообще, для существования вольтовой дуги необходимо раскаленное состояние угля, служащего отрицательным полюсом, или катодом, - от каких бы причин это раскаленное состояние ни происходило (от действия самого тока, от постороннего нагревания источником тепла, электрической искрой и т.д.). Новейшие исследования относительно течения электричества через газы показали, что всякое раскаленное тело испускает отрицательные электроны, притом, тем в большем количестве, чем выше температура тела. Таким образом, отрицательный уголь вольтовой дуги является источником вылетающих из него с огромной скоростью электронов. Попадая на находящиеся поблизости газовые молекулы, эти электроны ионизируют их, то есть разбивают на части, заряженные противоположными электричествами: в газовой атмосфере, окружающей угли, появляются положительные и отрицательные ионы. И так как они находятся в электрическом поле, то они получают импульс к движению по противоположным направлениям: положительные ионы движутся к катоду, отрицательные - к аноду. Сталкиваясь на своем пути с другими молекулами или атомами, они, в свою очередь, ионизируют их и т.д. В результате этого процесса получается настоящая бомбардировка отрицательного угля положительными ионами, положительного угля - отрицательными ионами и электронами. Бомбардировка эта повышает температуру углей; это в особенности необходимо на катоде для возможности испускания отсюда новых электронов. При таких условиях длительное существование вольтовой дуги делается обеспеченным.

Действие вольтовой дуги. Опыты, произведенные госпожой Айртон, привели к основному соотношению между электрическим напряжением, силой тока и длиной дуги (в случае угольных электродов). Если e означает измеренную вольтметром разность потенциалов между углями, l - длину дуги (то есть расстояние концов углей), i - силу тока в дуге, то оказывается, что

е = A + Bl + (C+Dl)/i

здесь А, В, С, D - четыре постоянных числа, зависящих от материала углей и от природы газа, окружающего дугу. Из этой формулы вытекают два главных следствия: 1) короткая дуга при значительной силе тока i требует для своего поддержания сравнительно небольших напряжений e. Напротив, для осуществления длинной дуги при малой силе тока необходимо весьма большое электрическое напряжение. 2) Как бы ни были сближены угли и как бы велика ни была сила тока, - для осуществления дуги необходима некоторая минимальная разность потенциалов (представленная в формуле членом А).

Применения вольтовой дуги чрезвычайно важны и разнообразны. Наиболее распространенное и важное применение заключается в электрическом освещении (улиц, площадей, вокзалов, фабрик); мощность, затрачиваемая с этой целью, в настоящее время исчисляется сотнями тысяч лошадиных сил. Как источник света для маяков и прожекторов, вольтовая дуга является незаменимой. Чрезвычайно замечательным приобретением последнего времени является ртутная дуга (получается в пустоте в стеклянной трубке между ртутными электродами). Свет ее почти лишен красных лучей, но зато чрезвычайно обилен лучами ультрафиолетовыми; заменив стеклянную оболочку дуги оболочкой кварцевой, прозрачной для ультрафиолетовых лучей, можно пользоваться такой «ртутной лампой», как прекрасным источником лучей этого рода. Второе место после освещения в ряду применений вольтовой дуги принадлежит электрохимии и электрометаллургии. Сюда относятся так называемые электрические печи (см. высокие температуры). Некоторые из существующих в настоящее время электрических печей потребляют до 14 000 лошадиных сил. Все современное производство алюминия и служащего для получения ацетиленного газа карбида-кальция зависит от применения электрических печей; потребляемая для этой цели мощность превышает полмиллиона лошадиных сил. Электрические печи служат также для добывания различных мало известных металлов, как хром, вольфрам, ванадий, молибден, имеющих значительное применение в стальной промышленности: будучи сплавлены со сталью, они дают возможность сообщить ей те или другие желательные свойства; это обстоятельство значительно облегчило построение легких двигателей, имеющих столь важное значение, например, для развития воздухоплавания. Упомянем еще о приготовлении веществ, отличающихся особенно большой твердостью, как бороуглерод, карборунд и др. Но особенно большие ожидания возлагаются в настоящее время на возможность пользоваться жаром вольтовой дуги, как средством для сжигания атмосферного азота; полученные окислы, подвергаясь дальнейшей обработке, дают азотную кислоту или ее соли, служащие ценным удобрительным продуктом. Достаточное развитие этой техники могло бы в будущем обусловить радикальное изменение экономических условий существования человечества. В настоящее время эта отрасль промышленности потребляет несколько более 20 000 лошадиных сил. Третье важное применение получает вольтова дуга в качестве весьма совершенного передатчика звуковых колебаний или преобразователя их. На этом основана ее роль в устройстве беспроволочного телефона (см. телефон).

А. Бачинский.