Ark, bir tür yalıtım ortamından (hava gibi) geçen akımın oluşturduğu anlık kıvılcım olan bir tür gaz boşaltma olgusudur.
Ark, kendi kendini idame ettiren bir tür gaz iletimidir (iyonize gazda elektrik iletimi) ve taşıyıcılarının çoğu, tek bir elektron emisyonu tarafından üretilen elektronlardır.
Temasın metal yüzeyi, bir elektron emisyonu (termiyonik emisyon, alan emisyonu veya foto emisyon) nedeniyle elektronların kaçmasına neden olur ve boşluktaki gaz atomları veya molekülleri, iyonizasyon (çarpışma iyonizasyonu, fotoiyonizasyon ve termal iyonlaşma) nedeniyle elektron ve iyon üretecektir.
Ek olarak, emisyon yüzeyinin elektronlar veya iyonlar tarafından bombardımanı, ikincil elektron emisyonuna neden olacaktır. Boşluktaki iyon konsantrasyonu yeterince büyük olduğunda, boşluk elektriksel olarak bozulur ve bir ark oluşur.
Bir anahtarlama cihazının temel işlevi, devreyi gerekli kısa sürede açıp kapatabilmektir, yani sözde anahtar rolünü oynamaktır. Mekanik şalt, devre akımını kesmek için kontaklar kullanır.
Devre atmosferde açıldığında, Gerilim 12 – 20 V’u aştığı ve kesilecek akım 0.25 – 1 A’yı aştığı sürece, temas boşluğunda genellikle son derece yüksek sıcaklık, güçlü ışık yayma ve iletkenliğe sahip yaklaşık silindirik bir gaz grubu (ark aralığı da denir) üretilir.
Akım, ark söndürülene ve kontak boşluğu bir yalıtım ortamı haline gelene kadar kesilmez. Şalt sisteminde meydana gelen ark, kısaca anahtarlama arkı olarak adlandırılır. Bu anahtarlama ark olgusu, yani ark yakma ve söndürme işlemi, anahtarlama cihazlarının en önemli içeriğidir.
Ark, bir tür gaz deşarj olgusu ve aynı zamanda bir tür plazmadır. Plazma, katılar, sıvılar ve gazların yanı sıra maddenin dördüncü halidir. 50000K sınır olarak alındığında, plazma iki kategoriye ayrılabilir: yüksek sıcaklık plazma ve düşük sıcaklık plazma Ark ikincisine aittir. Aslında, evrendeki maddenin yaklaşık % 90’ı plazmadır.
Ark, güçlü bir deşarj olgusudur, onlarca kilo amperlik bir kısa devre akımı kesildiğinde, Joule ısısı şeklinde yayılan güç 10.000 kW’a ulaşabilir. Bununla ilgili olarak ark, on binlerce santigrat derece veya daha yüksek bir sıcaklığa ve güçlü radyasyona sahip olabilir.
Ark bölgesindeki herhangi bir katı, sıvı veya gaz, arkın etkisi altında güçlü fiziksel ve kimyasal değişiklikler üretecektir.
Bazı devre anahtarlarında ark yanma süresi normalden yalnızca on veya yirmi milisaniye daha uzundur ve anahtar ciddi yanık hasarına maruz kalır ya da patlayabilir.
Yük devresini kesmek için zayıf ark söndürme özelliğine sahip bir anahtar kullanıldığında, ark operatörde geniş alan yanıklarına neden olabilir.
Ark, yüksek voltaj olmadan söndürülmeden uzun bir arkın kararlı bir şekilde yanmasını sağlayabilen, kendi kendine devam eden bir deşarj olgusudur.
Örneğin, atmosferde, santimetre başına bir arkın sürdürme voltajı yalnızca yaklaşık 15 V’dur. Atmosferde 100 kV gerilimde sadece 5A akım kesildiğinde ark uzunluğu 7 m’ye ulaşabilir. Akım büyüdüğünde 30 metrelere kadar ulaşabilir.
Ark, son derece hafif ve şeklini değiştirmesi kolay olan bir plazmadır. Doğal konveksiyon ve dışarıdan oluşturulan manyetik alan dahil ark alanındaki gaz akışı ve hatta ark akımının kendisi, arkı zorlar ve şeklini değiştirir. Saniyede birkaç yüz metreye kadar.
Tasarımcılar bu özelliği arkın hızla söndürülmesi ve arkın olumsuz ve yıkıcı etkilerini önlemek için kullanabilirler.
Temel kesici türleri şunlardır:
- Sülfür hekzaflorür, vakum, yağ ve diğer ortamların kullanılması.
- Arktan hızlı bir şekilde enerji çıkarmak için hava üfleme, manyetik üfleme ve diğer yöntemleri kullanma.
Ark deşarjı kaynak, eritme, aydınlatma, püskürtme vb. İçin kullanılabilir. Bu durumlar esas olarak yüksek sıcaklık, yüksek enerji yoğunluğu ve arkın kolay kontrolü özelliklerini kullanır. Bu uygulamalarda ark deşarjının stabil hale getirilmesi gerekmektedir. Plazma televizyon , plazma ekran gibi mevcut elektronik ürünler de ark deşarjı prensibine bağlıdır.
Arklar sadece insanlara zararlı değildir. Bazı büyük sahne aydınlatma mühendisleri, insanların arklara olan merakını gidermek için renkli ark çiçekleri oluşturmak amacıyla ark boşalması prensibini kullanırlar.
Arkın süper gücü vardır ve kalbi anında durdurabilir, bu nedenle ark ile çalışan kişilerin dikkatli olması gerekir.
Ark oluşumu koşulları
- Devre kesildiğinde ark oluşur
Kontaklar ayrılmaya başladığında, aralarında etkili olan temas basıncı azalacak, temas alanı da küçülecek ve kontak direnci ve kontaklardan salınan ısı artacaktır. Isı, küçük bir hacimde yoğunlaştırılır ve metal erimesi için yüksek bir sıcaklığa gelir. Kontaklar arasında sıvı metal bir köprü oluşturulur ve son olarak metal köprü çekilerek kontaklar arasında geçiş veya sabit bir ark oluşturur. Deşarj stabil ise, sözde kırılma arktır. Deşarj stabilitesi, kesme akımı, kontak devresinin özellikleri ve kontak ayrılma hızı gibi birçok faktörle ilgilidir. Arkı tutuşturmak için belirli bir minimum akım değeri gereklidir.
- Kontaklar kapatıldığında ark oluşur
- Vakum ve gaz boşluğunun bozulması
- Kızdırma deşarjından ark deşarjına geçiş
- Kıvılcım boşalmasından ark boşalmasına geçiş
Arkın Söndürülmesi
Ark, oldukça iletken serbest gaz sıcaklığıdır, sadece büyük bir yıkıcı kontak değildir, aynı zamanda devreyi kesme süresini de uzatır.
Arkın, güç kaynağı ve dağıtım sisteminin güvenli çalışması üzerinde büyük etkisi vardır. Şalt sisteminin yapısal tasarımı, arkın çalışma sırasında hızla söndürülebilmesini sağlamalıdır.
AC arkı, her döngüde iki kez geçici olarak söndürülmelidir.
Vakum kesicisi, boşluk yalıtım özelliğini ve sistemin geçici geri kazanım voltajına dayanma yeteneğini hızlı bir şekilde eski haline getirebilir ve sonunda arkı söndürür.