Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.
Рис. 1. Грозовой разряд
На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.
Что такое электрическая дуга?
Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.
Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.
Рис. 2. Электрическая дуга
Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся отличным изолятором в обычном состоянии, вдруг становится проводником?».
Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.
Рис. 3. Физика электрической дуги
Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.
Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.
При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.
При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.
На участке, который называют дуговым промежутком, образуется ствол, называемый столбом дуги и состоящий из горячей проводимой плазмы. По этому стволу протекает ток, поддерживающий разогревание плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.
Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.
Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.
Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга — это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.
Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.
Разновидности
Существует несколько классификаций рассматриваемого элемента, которые имеют различные схемы подвода тока и среды, где он появляется.
Сварка дугой делится на следующие виды:
- С прямым действием. В данном случае оборудование устанавливается в параллель изделию из металла, которое необходимо сварить. Дуга, в свою очередь, становится под прямым углом по направлению к электродам и металлической поверхности.
- С косвенным действием. Появляется при использовании двух электродов, которые находятся от свариваемого изделия под углом в 50 градусов. Дуга появляется между электродом и свариваемым материалом.
Возникновение сварочной дуги.
Помимо этого, можно поделить по принципу атмосферы, где появляется сварочная дуга:
- Открытая сфера. Дуга может гореть на открытом пространстве с образованием газовой фазы, где содержится пар металла, электрода и поверхностей после обработки сварочным инструментом.
- Закрытая сфера. Дуга горит под флюсом. В газовой фазе возле дуги попадает пар материала, электродов и самого флюсового слоя.
- С подачей газовой смеси. В дуге могут находиться сжатый газ, такой как гелий, углекислый газ, водород, аргон и иные примеси газовых веществ. Они необходимы, чтобы свариваемая поверхность изделия не подвергалась окислению. Благодаря их подаче среда восстанавливается либо становиться нейтральной к внешним факторам. В дугу попадает газ, который подается для работы, пар от свариваемого изделия и электродов.
Помимо перечисленных классификаций можно также выделить виды по длительности действия:
- классический используется для постоянной эксплуатации;
- импульсный – для одноразового использования.
Также можно выделить разновидности в зависимости от материала, применяемого электрода – уголь, вольфрам, плавящийся либо неплавящийся электрод соответственно.
Одним из самых востребованных деталей является стальной, т.е. плавящийся электрод. Однако на сегодняшний день большинство профессионалов отдают предпочтение неплавящемуся, из чего можно сделать вывод, что типы рассматриваемых элементов достаточно различны между собой.
Строение
Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:
- катодной;
- анодной;
- плазменного столба.
В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.
На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.
Рис. 4. Строение сварочной дуги
Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.
Возможные проблемы
Во время лечения могут возникнуть разные проблемы, связанные с поломкой и деформацией брекетов:
- В период адаптации к системе отдельные элементы и грани дуги иногда натирают слизистую языка, десен, внутреннюю поверхность щек и губ. Чтобы предупредить это осложнение и устранить его, ортодонты рекомендуют воспользоваться специальным воском, которым покрывают конструкцию, формируя защитный барьер между брекетовым изделием и мягкими тканями. Если потертости и раздражение уже появились, нужно полоскать полость рта растворами антисептиков или отварами противовоспалительных трав.
- Проволока начинает удлиняться в процессе перемещения зубов и может начать впиваться в слизистую десен и щек. Если это произошло, не нужно терпеть дискомфорт, важно посетить ортодонта для коррекции выступающих элементов конструкции.
- Часть дуги может выпасть или выйти из пазов брекетов в результате активной чистки зубов или употребления грубой пищи. Иногда ситуацию можно исправить с помощью пинцета, с помощью которого кусочек проволоки просто вставляется в паз системы, но это действие не всегда удается выполнить самостоятельно. Ортодонт поможет справиться с возникшей проблемой, главное обратиться к нему незамедлительно, так как неправильно зафиксированная конструкция сводит на нет эффект лечения.
- Брекеты могут сломаться из-за высоких жевательных нагрузок, челюстно-лицевой травмы пациента или некачественного материала. В такой ситуации часто меняют дуги внепланово. Если проволока сломалась, нужно убедиться, что ее частички не попали в пищевод человека, так как острые края проволоки могут повредить поверхность слизистой ЖКТ.
Полезное применение
Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.
У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.
Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях. Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)
Рис. 5. Дуговая сварка
Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.
Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.
Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.
Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП
Применение хорды и высоты
Существует методика расчета длины дуги по хорде и высоте перпендикуляра. Она получила название формулы Гюйгенса. Хорда представляет собой часть прямой, расположенной внутри окружности. Проходящая через центр хорда называется диаметром.
Формулу Гюйгенса применяют, если центральный угол меньше 60 градусов. Для проведения вычислений необходимо сначала соединить точки окружности прямой линией. Это будет хорда. Далее нужно провести перпендикуляр из ее середины, а из точки соприкосновения перпендикуляра с дугой начертить две прямые линии к концам хорды.
Получился равнобедренный треугольник, стороны которого обозначим l , а саму хорду назовем L . Для углов более 60 градусов формулу Гюйгенса не стоит использовать, поскольку при расчетах может возникнуть ошибка. Чем больше угол, тем значительней будет погрешность.
Замерив хорды L и l, можно получить значение дуги, обозначенной на рисунке синим цветом. Если L равна 30 мм, а l — 20 мм, то Р=2*20+3,33=43,33 мм.
Теперь, когда существует понимание методики расчета, можно воспользоваться онлайн-калькулятором. Этот инструмент хорош для проверки полученного экспериментальным путем результата, особенно при обработке большого количества данных, когда необходимо быстро получить ответ.
Онлайн-калькулятор позволяет сохранять полученные значения в буферной памяти компьютера. Оформить данные в виде произвольной таблицы или графика в системе координат не составит труда. Длина дуги окружности по онлайн-калькулятору считается с использованием любой из двух формул: либо по градусной мере, либо по хорде и высоте. Образно говоря, эти формулы являются синонимами, они взаимозаменяемы.
Причины возникновения
Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:
- наличие разнополярных электродов с большими токами;
- создание искрового разряда;
- поддержание напряжения на электродах;
- обеспечение условий для сохранения температуры ствола.
Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.
При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.
Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.
Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.
Градусная мера
Длина дуги между точками окружности является функцией центрального угла, образованного радиусами круга (см. рисунок) в прямо пропорциональной зависимости. На этом основана градусная мера.
За 1° дуги принимают часть окружности.
Поскольку L равна , то развернутому углу 180° будет соответствовать длина дуги .
Если значение угла равно 1°, формула выглядит так: .
Следовательно, формула длины дуги окружности с центральным углом n° будет выражаться следующим образом: .
Определим значение l для угла 120° с радиусом, равным 5 мм: l=3,14*30*5/180=2,62 мм.
Способы гашения
Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.
С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.
Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.
Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.
Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.
Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.
Практика с задачами
Нужно сказать несколько слов об изучении геометрии в средних классах общеобразовательной школы. Существует категория учащихся, для которых формулы сложны для восприятия. Таким ученикам требуется наглядный материал.
На уроке геометрии при изучении материала по вычислениям параметров окружности можно провести практическое занятие. Для этого следует предварительно подготовиться: сделать небольшой чертеж-проекцию гимнастического кольца. Цель занятия — научиться использовать формулы в процессе работы. Ход урока:
- Попросить дежурного ученика принести из спортивного зала гимнастическое кольцо (хула-хуп) небольшого диаметра.
- Отметить фломастером или цветным мелком 3 точки на наружной стороне кольца. После этого оно окажется поделенным на несколько секторов.
- Сделать проекцию кольца на школьной доске с нанесенными точками. На чертеже обозначить центр круга, провести диаметр. Затем нужно соединить отмеченные на окружности точки радиусами с центром круга и хордами между собой.
- Провести все замеры. Получить значения всех параметров и записать на доске. Её предварительно разделить на две части: в центре, доступном для обзора, будут значения центральных углов АОВ и ВОС, диаметр, длина прямых линий АВ, ВС и АС.
- Ответы (искомые значения) записать в правой части доски и прикрыть шторкой до момента окончания практического занятия.
Далее следует разделить класс на 4 небольших группы. Каждой из них нужно дать задание по проведению вычислений с использованием изученных формул.
- группа №1 вычисляет длину дуги между точками А и В, используя градусную меру центрального угла АОВ;
- вторая группа получает аналогичное задание для отрезка между точками В и С;
- третья группа вычисляет искомый параметр между точками А и С, используя длину хорды АС и вспомогательных линий АВ и ВС;
- группа №4 работает с точками А и С, применяя значения угла АОС.
На выполнение задания отводится 12 минут. После истечения времени от каждой из четырех групп выходит ученик, поясняет формулу и записывает на доске полученный результат. Эти ответы сравниваются с уже готовыми замерами, записанными ранее на правой стороне доски.
Следующие 7 минут урока отводятся на обсуждение полученного результата и анализа возникновения погрешности.
Воздействие на человека и электрооборудование
Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.
Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.
Для чего применяются и как работают дуги
Невозможно исправить прикус или неправильное положение зубов человека, просто приклеив на поверхность эмали брекеты. Без ортодонтической дуги конструкция работать не будет. Она изготавливается из гибкой, но очень прочной проволоки из металла, имеющей разное сечение.
На заметку!
Сплавы, которые берутся за основу дуг, обладают памятью формы, это значит, что они могут возвращаться в первоначальное состояние независимо от того, какая форма им дана впоследствии. Именно эта особенность и делает дуги эффективными в коррекции прикуса.
При создании брекетов ортодонтической дуге на специальном оборудовании придается форма правильного положения зубного ряда. В процессе фиксации системы дугу вводят в пазы пластинок и фиксируют лигатурами или замковыми механизмами при выборе самолигирующей конструкции. Во время лечения дуга начнет стремиться принять первоначально заданное ей положение правильного зубного ряда, двигая за собой зубы. Благодаря этому происходит ликвидация имеющихся аномалий прикуса.
Сколько стоит замена дуги на брекет-системе
Все брекетовые системы нуждаются в частной корректировке, натяжении и замене дуги. Стоимость замены вестибулярного элемента в клиниках Москвы и Санкт-Петербурга в среднем составляет от 2000 рублей, лингвального — от 3500 рублей. При поломке конструкции цена на ремонт, установку и активацию выравнивающей проволоки рассчитывается индивидуально.
На стоимость процедуры может влиять фирма-производитель системы:
- замена дуги на Ormco – 2500 рублей;
- замена на конструкциях 3M Unitec — 2800 рублей;
- замена на брекетах American Orthodontics — 2900 рублей.
Относительное положение двух окружностей
Концентрические и эксцентрические круги.
Два круга называются концентрическими, когда они имеют один общий центр, и эксцентрическими, когда из центры не совпадают.
На чертеже 96 представлены круги концентрические и на чертежах 97, 98, 99, 100 и 101 круги эксцентрические.
Внешние и внутренние круги
.
Круги называются внешними, когда все точки одного лежат вне площади другого круга, и внутренними, когда все точки одного лежат внутри площади другого круга.
На чертежах 97 и 99 изображены круги внешние, на чертежах 96, 98 и 100 круги внутренние.
Касательные окружности
.
Окружности называются касательными, когда они имеют одну общую точку.
Общая точка двух касательных окружностей называется их точкой соприкосновения.
Соприкосновение называется внешним, когда два круга, имея общую точку, лежат один вне другого, и внутренним, когда один круг лежит внутри другого. На черт. 99 имеем случай внешнего, а на чертеже 100 случай внутреннего соприкосновения.
Пересекающиеся окружности
. Окружности называются пересекающимися, когда они имеют две общие точки (черт. 101).
Линия центров есть отрезок, соединяющий центры двух кругов.
Теорема 71. Две окружности, имеющие общую точку на линии центров, другой общей точки иметь не могут.
Дано. Две окружности с центрами O и O’ имеют общую точку A (черт. 102).
Требуется доказать, что другой общей точки у них нет.
Доказательство. Положим, существует другая общая точка B, следовательно,
OB = OA и O’B = O’A.
Складывая эти равенства, мы имели бы
OB + O’B = OA + O’A или OB + O’B = OO’
равенство несообразное, ибо ломаная не может равняться прямой.
Итак, другой общей точки быть не может (ЧТД).
Теорема 72. Две окружности, имеющие одну общую точку вне линии центров, имеют и другую общую точку по другую сторону линии центров.
Дано. Две окружности, (черт. 103), соединяющей центры.
Требуется доказать, что существует и другая общая точка по другую сторону центров.
Доказательство. Из точки A опустим на линию центров перпендикуляр AG и на продолжении его отложим отрезок BG, равный AG.
Докажем, что точка B будет другая общая точка. Точка B лежит на окружности O, ибо AO = BO как равные наклонные, находящиеся на равных расстояниях AG и BG от перпендикуляра OO’. Точка B лежит на окружности O’, ибо AO’ = BO’ как равные наклонные, находящиеся на равных расстояниях AG и BG от перпендикуляра OO’, следовательно, точка B есть другая общая точка (ЧТД).
Теорема 73. Если две окружности пересекаются в двух точках, то линия центров перпендикулярна и делит пополам хорду, соединяющую точки пересечения.
Дано. Точки A и B есть точки пересечения (черт. 104) двух окружностей.
Требуется доказать, что AG = BG и AB ⊥ OO’.
Доказательство. Треугольники OAO’ и OBO’ равны, ибо OO’ сторона общая.
OA = OB как радиусы окружности O.
O’A = O’B как радиусы окружности O’.
Следовательно,
∠AOO’ = ∠BOO’
Треугольники AOG и BOG равны, ибо OG сторона общая, AO = BO как радиусы, ∠AOG = ∠BOG по доказанному. Следовательно, AG = BG (хорда AB делится линией центров пополам), ∠AGO = ∠BGO (хорда AB перпендикулярна к линии центров).
Таким образом, хорда AB делится пополам и перпендикулярна к линии < AO + AO’
с другой
AO + OO’ > AO’
следовательно,
OO’ > AO’ — AO
2. Если две окружности касаются, расстояние центров равно сумме радиусов, если соприкосновение внешнее, и разности радиусов, если соприкосновение внутреннее.
Из чертежа 105 видно, что
OO’ = AO + AO’
а из чертежа 106
OO’ = AO — AO’.
3. Если одна окружность лежит вне другой, расстояние центров больше суммы радиусов.
Из чертежа 107 видно, что
OO’ > AO + BO’
4. Если окружность лежит одна внутри другой, расстояние центров меньше разности радиусов.
Действительно, из чертежа 108 видно, что
OO’ < AO — BO’.
Важно вовремя менять дугу
На каждом этапе лечения нужно получить определенный результат. Как только он достигнут и зубы приняли новое положение, дуга больше не работает. И если вы часто откладываете приемы у врача, каждая неделя просрочки продлевает все лечение.
Слишком долгое ношение одной дуги не вредит зубам, но оно не имеет смысла.
Лечение у ортодонта требует самодисциплины. Приготовьтесь к тому, что придется подстраивать свое расписание под приемы у врача. И помните, что все это делается ради здоровья и красивой улыбки. А это самый лучший стимул!
