Химия и Химики № 3 2013. Электрическая дуга в домашних условиях

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Не являясь физиком, я не буду подробно останавливаться на теории, желающие легко смогут найти информацию о дуговых разрядах в справочных, научных изданиях и демонстрационных практикумах по физике.

Электрическая дуга - одна из форм электрического разряда в газах. Она имеет широкое применение в разных областях науки и техники. Для получения электрической дуги нужен источник питания с возможно большей силой тока (от него прямо зависит длина дуги) и обычно небольшим напряжением [k1]. С этой целью часто используют понижающие трансформаторы (вспомните сварочные аппараты).

Однако достать понижающий трансформатор, как и готовый сварочный аппарат для юных химиков часто проблематично: большинство домашних экспериментов они проводят, пользуясь подручными средствами (т.е. без сложного оборудования). Поэтому мы постараемся обойтись простыми и доступными вещами.

Когда-то в школе я увлекся электрической дугой, прочитав о ее свойствах. Особенно привлекла возможность получать с помощью дуги высокие температуры. Решил провести с ней дома несколько экспериментов. Расспросы учителя физики помогли мало. Он сказал только, что нужны графитовые электроды, которые нужно разводить, для получения дуги. Моя первая установка была крайне примитивна и очень опасна, поэтому я опишу усовершенствованный вариант, сделанный несколько дней назад.

Могу предположить, что некоторые читатели уже горят нетерпением получить электрическую дугу. Давайте сразу договоримся:

Не пытайтесь просто подключить электроды к сети - это вызовет короткое замыкание!

Схема "прибора" для получения электрической дуги (если так можно назвать провода, подключенные к сопротивлению) проста: через достаточно мощное сопротивление, которое ограничивает силу тока, подключаем электроды к бытовой электрической сети.

В качестве сопротивления хорошо подходит электрический чайник, т.к. его мощность около 2 кВт, подойдет также электроплитка (не менее 1 кВт). Я использовал старый чайник. Правда, вода в нем быстро закипает, но времени для некоторых опытов хватает, кроме того, часть электроэнергии не пропадает зря. Мощность моего чайника 2.0-2.4 кВт, сила тока в данном случае составляет около 10 ампер.

При таких параметрах тока можно получить дугу в 1.0-2.0 см между заостренными графитовыми электродами от батарейки или немного большую в случае электродов из древесного угля.

Из материалов нам потребуется многожильный медный провод с сечением проводов 1.5 мм², нужно его около 4 метров, но так как опыты лучше делать во дворе или на балконе, учитывайте расстояние до ближайшей розетки. Я использовал дополнительную переноску, чтобы провести провода во двор частного дома. Также потребуется евро-вилка, 2 "крокодила", рассчитанные на большую силу тока, с изоляцией ("крокодилы" служат рукоятками), 2 маленьких "крокодила" с изоляцией, служащих для крепления к вилке чайника и 2 "крокодила" без изоляции, которые послужат зажимами графитовых стержней.

Очень желательно предусмотреть предохранитель на случай короткого замыкания. (Например, если вдруг соскользнут "крокодилы" с вилки прибора-сопротивления и цепь замкнет.)

Я по своей лени не включил в цепь предохранитель, чего Вам не рекомендую! Вилка и провод закреплены в штативе во избежание сдвигов провода во время опыта и возможного короткого замыкания, которое может произойти, если маленькие "крокодилы" соскочат с вилки и соприкоснутся. В крайнем случае, не имея штатива, как-то закрепите конец провода. Чайник подключен к цепи последовательно. Предохранитель присоединен тоже последовательно!

Нам также необходим сварочный светофильтр и резиновые перчатки.

Расходы на приобретение всех материалов не превысят 200 рублей.

Кроме того потребуется 2 кусочка жести для "наращивания" ручки крокодила-крепления графитового стержня, жесть крепится к крокодилам загнутыми краями выводов. При опытах стержни сильно накаляются и без жестяных "удлинителей" могут перегреться "крокодилы-ручки". Для экспериментов потребуются графитовые электроды, их можно достать из старых батареек, они годятся, хотя коротковаты, но если представится возможность, достаньте более длинные.

Изготовление установки ясно из фотографий. Тщательно скрепляйте провода, помните, что плохой контакт приведет к местному разогреву.

Если вы не работали с электричеством раньше, вы можете попросить помочь собрать установку отца или другого человека, который в этом разбирается. Уверен, что людей, не способных присоединить провод к вилке, среди химиков-любителей нет. Но если вы чего-то не знаете, помните, что обратиться за советом к знающему человеку не зазорно. Такая необходимость время от времени возникает не только у юных химиков, но и у химиков с большим стажем.

Испытание прибора и простейшие опыты с электрической дугой

Предупреждение

Опыты с дугой потенциально опасны для жизни из-за возможности поражения электрическим током. Не забывайте: используются оголенные электроды!

Существует также вероятность получить ожог, устроить возгорание и даже пожар.

Во время экспериментов с дугой образуется дым и продукты сгорания с неприятным запахом. Рекомендуется проводить опыты на открытом воздухе. Графитовые электроды от батареек перед опытами хорошо прокалите в пламени горелки или паяльной лампы, иначе они будут "выгорать", образуя дым. Концы стержней заострите ножом. Электроды должны находиться на сухом негорючем основании. Не допускайте контактов оголенных проводников с влажной землей или предметами, проводящими электрический ток. В качестве основания подойдет кусок мела, в нем можно выдолбить углубление, служащее для сбора расплавленных металлов.

Также можно сделать печь Муассана, но об этом напишу позже, пока у меня нет возможности побывать за городом и набрать подходящих для нее кусков известняка [1]. Всегда работайте в резиновых перчатках, помните, удар тока бытовой сети может быть смертелен! При плавлении проволоки летят горячие искры, которые могут вызвать возгорание и повредить глаза. Работайте в защитных очках!

Смотреть на пламя дуги без сварочного светофильтра вредно для глаз!

При работе с дугой в бытовой сети наблюдаются перепады напряжения из-за большой мощности нагрузки (лампы накаливания слегка "мигают".) Это не опасно.

Итак, прибор собран, электроды закреплены. Вначале получим дугу и понаблюдаем за ее горением (через светофильтр.) Для получения дуги слегка коснитесь одним электродом к другому и разведите их вначале на 1-1.5 мм. Подождите 5-7 секунд, чтобы края прогрелись. Концы графитовых стержней раскаляются добела. Затем медленно разводите. Дуга с жужжанием горит ослепительно-белым светом. Развести удастся не более чем на 20 мм. При больших расстояниях между электродами, из-за перемещения кратера, дуга самопроизвольно разрывается.

Смотреть на дугу следует через светофильтр. Пламя дуги чрезвычайно яркое и богато ультрафиолетовыми лучами, непосредственно смотреть на нее нельзя! Разве что одну-две секунды. Электрическая дуга имеет чрезвычайно высокую температуру. Даже на некотором расстоянии кожа чувствует исходящее от дуги инфракрасное излучение. В такой небольшой дуге можно легко расплавить толстую железную проволоку, я брал проволоку толщиной 2 мм.

_________________________________
¹ Печь Муассана хорошо описана в словаре Брокгауза-Ефрона (правда, ее размеры можно уменьшить.)

Смотреть Видео (25 Мб, .avi )

Температура плавления железа довольно высока - 1535°С, однако несмотря на потери тепла через излучение, проволока плавится достаточно быстро. В устойчиво горящую дугу (длина около 10-15 мм) аккуратно внесем железную проволоку. Предварительно конец проволоки обмотайте изолентой или берите ее пассатижами с изолированными ручками. Проволока на конце раскалится, оплавится в шарик, который при достаточном размере оторвется от проволоки. При этом железо горит, разбрасывая искры, как в известном опыте - при сжигании в кислороде.

Легко можно сварить два куска проволоки: скрутим их концы и внесем в пламя дуги до оплавления, после охлаждения проволока окажется сваренной. В пламени дуги таким способом можно изготовить спаи термопар.

Можно повторить опыты русского естествоиспытателя Василия Петрова, первым получившего дугу от батареи гальванических элементов. Он использовал электроды из древесного угля. Зажмем "крокодилами-держателями" два куска древесного угля, например, головешки от прогоревшего костра. Дуга между такими электродами зажигается очень легко: коснемся одним электродом к другому и сразу разведем их. Удастся получить дугу в 20 мм и даже немного больше. Однако горение ее неустойчиво: дуга легко разрывается. Уголь при этом быстро сгорает. Большие размеры дуги связаны со сгоранием окиси углерода, образующейся при горении древесного угля; кроме того, концы электродов из древесного угля моментально раскаляются, в отличие от графита.

Если взять электрод из древесного угля, можно легко получить дугу между проволокой и углем. При этом металл проволоки плавится.

Комментарии

^К1 Вообще говоря, проблема заключается не столько в силе тока, сколько в свойствах самого дугового разряда. В обычных условиях (в воздухе при давлении и температуре близких к нормальным, обычных материалах электродов) вольтамперная характеристика дугового разряда имеет достаточно широкую область отрицательного дифференциального сопротивления: чем больше ток дугового разряда, тем меньше падение напряжения на промежутке между электродами. Это означает, что для поддержания установившегося разряда с заданными свойствами источник питания должен работать в режиме стабилизации тока, а не напряжения. По такому принципу строят источники тока для электродуговой сварки. Описанный в статье источник питания (подключенное к сети балластное сопротивление) такими свойствами не обладает.

^К2 Для стабилизации горения дуги между угольными электродами удобно использовать в качестве дросселя первичную обмотку мощного ЛАТР-а, у нее большой ток холостого хода. ЛАТР включают последовательно с дугой. Если надо увеличить ток, обмотки двух ЛАТР -ов можно соединить параллельно.
Shulishov E.V.