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アーク放電（またはアーク放電）は、ガスの電気的破壊によって発生する長時間の放電です。空気などの通常は非導電性の媒体を流れる電流によってプラズマが生成され、可視光が発生する場合があります。アーク放電は、熱電子放出または電界放出によって開始されます。[ 1 ]開始後、アークは、アークを支える電極からの電子の熱電子放出に依存します。アーク放電は、グロー放電よりも低い電圧が特徴です。「ボルタアークランプ」というフレーズで使用されているように、古い用語はボルタアークです。
アーク抑制技術を用いることで、アークの発生時間や発生確率を低減することができる。
19世紀後半、電気アーク灯は公共照明として広く利用されていました。低圧電気アークは多くの用途で使用されています。例えば、蛍光灯、水銀灯、ナトリウムランプ、メタルハライドランプは照明に使用され、キセノンアークランプは映画映写機に使用されてきました。電気アークは、電気アーク溶接、プラズマ切断、鉄鋼リサイクル用の電気アーク炉などの製造プロセスにも利用できます。
サー・ハンフリー・デービーは1800年に短パルス電気アークを発見した。[ 2 ] 1801年、彼はウィリアム・ニコルソンの『自然哲学、化学、芸術ジャーナル』に掲載された論文でこの現象について記述した。[ 3 ]現代科学によれば、デービーの記述はアークではなく火花であった。[ 4 ]同年、デービーは王立協会の前で、接触した2本の炭素棒に電流を流し、その後少し離すことで、この効果を公開実演した。実演では、木炭の先端間に持続的な火花と容易に区別できない「弱い」アークが発生した。協会は1,000枚のプレートからなるより強力な電池を募り、1808年に彼は大規模なアークを実演した。[ 5 ] 彼はアークに名前を付けたとされている。[ 6 ]電極間の距離が小さくない場合、上向きの弓形になることから、彼はそれをアークと呼んだ。[ 7 ]これは高温ガスにかかる浮力によるものです。
最初の連続アークは1802年に独立して発見され、1803年にロシアの科学者ヴァシリー・V・ペトロフによって「電気的特性を持つ特殊な流体」として記述された[ 8 ] [ 9 ] 。ペトロフは4200枚の円盤からなる銅亜鉛電池で実験を行っていた。
19世紀後半、電気アーク灯は公共照明として広く使用されていました。電気アークがちらつき、シューという音を立てる傾向は大きな問題でした。1895年、ヘルタ・マークス・エイトンは『エレクトリシャン』誌に一連の記事を書き、これらの現象はアークを発生させるために使用される炭素棒に酸素が接触した結果であると説明しました。1899年、彼女は電気技術者協会（IEE）で初めて自分の論文を朗読した女性となりました。彼女の論文のタイトルは「電気アークのシューという音」でした。その後まもなく、エイトンはIEE初の女性会員に選出されました。次にIEEに入会した女性は1958年でした。[ 10 ]彼女は王立協会で論文を発表するよう請願しましたが、性別を理由に認められず、1901年にジョン・ペリーが彼女の代わりに「電気アークのメカニズム」を朗読しました。
電気アークは、電流密度が最も高い放電形態である。アークを流れる最大電流は、アーク自体ではなく、外部回路によってのみ制限される。
電極間のアーク放電は、電極を流れる電流が増加すると、電離とグロー放電によって発生する。電極間ギャップの絶縁破壊電圧は、圧力、電極間の距離、および電極を囲むガスの種類によって決まる。アーク放電が始まると、その端子電圧はグロー放電よりもはるかに低く、電流は高くなる。大気圧に近いガス中のアーク放電は、可視光の放出、高い電流密度、および高温を特徴とする。アーク放電は、電子と正イオンの温度がほぼ同じであるという点でグロー放電と区別される。グロー放電では、イオンは電子よりもはるかに低温である。
引き伸ばされたアークは、最初に接触している 2 つの電極を離すことによって開始できます。これにより、高電圧グロー放電なしでアークを開始できます。これは、溶接工が接合部を溶接し始める方法であり、溶接電極をワークピースに瞬間的に接触させてから引き離し、安定したアークが形成されるまで続けます。別の例としては、スイッチ、リレー、または回路ブレーカーの電気接点の分離があります。高エネルギー回路では、接点の損傷を防ぐためにアーク抑制が必要になる場合があります。[ 11 ]
連続アークに沿った電気抵抗によって熱が発生し、それによってさらに多くのガス分子が電離されます（電離度は温度によって決まります）。そして、固体→液体→気体→プラズマという順序で、ガスは徐々に熱プラズマへと変化します。熱プラズマは熱平衡状態にあり、原子、分子、イオン、電子全体にわたって温度は比較的均一です。電子に与えられたエネルギーは、その高い運動性と数の多さから、弾性衝突によってより重い粒子へと急速に分散されます。
アーク内の電流は、陰極での電子の熱電子放出 と電界放出によって維持されます。電流は陰極上の非常に小さなホットスポットに集中することがあり、1平方センチメートルあたり100万アンペア程度の電流密度が見られることがあります。グロー放電とは異なり、アークには目立った構造はほとんどなく、正の柱は非常に明るく、両端の電極のすぐ近くまで伸びています。数ボルトの陰極降下と陽極降下は、各電極から数ミリメートル以内の範囲で発生します。正の柱は電圧勾配が小さく、非常に短いアークでは存在しない場合があります。[ 11 ]
低周波（100 Hz未満）の交流アークは直流アークに似ています。各サイクルで、アークは絶縁破壊によって開始され、電流が反転すると電極は陽極または陰極として役割を交換します。電流の周波数が増加すると、各半サイクルですべてのイオン化が分散するのに十分な時間がなくなり、アークを維持するために絶縁破壊はもはや必要なくなります。電圧対電流特性はオームに近くなります。[ 11 ]
電気アークのさまざまな形状は、電流と電界の非線形パターンの創発特性です。アークは、2 つの導電性電極(多くの場合タングステンまたは炭素でできている) の間のガスで満たされた空間で発生し、ほとんどの物質を溶融または蒸発させるほどの非常に高い温度をもたらします。電気アークは連続放電ですが、類似の電気火花放電は瞬間的です。電気アークは、直流(DC) 回路または交流(AC) 回路のどちらでも発生する可能性があります。後者の場合、アークは電流の各半サイクルで再点弧する可能性があります。電気アークは、電流密度が非常に高く、アーク内の電圧降下が低いという点でグロー放電とは異なります。陰極では、電流密度は 1メガアンペア/平方センチメートルにも達することがあります。 [ 11 ]
電気アークは、電流と電圧の間に非線形な関係を持ちます。アークが発生すると（グロー放電[ 12 ]からの進行、または電極を瞬間的に接触させてから分離することによって）、電流が増加するとアーク端子間の電圧が低下します。この負の抵抗効果により、安定したアークを維持するために、回路に何らかの正のインピーダンス（電気バラストなど）を配置する必要があります。この特性こそが、装置内で制御不能な電気アークが非常に破壊的になる理由です。なぜなら、一度アークが発生すると、装置が破壊されるまで、固定電圧電源からますます多くの電流が引き込まれるからです。
高速ガス流（通常 10 m/s 以上）中に配置された分岐電極間の最短ギャップで発生する、グライディングアーク放電と呼ばれる移動アークの一種が存在する。放電は、ガス流の方向に電極に沿って徐々に移動（「滑る」）し、最終的に破壊されて消滅する。アークの根元のこの継続的な移動により、電極の侵食が防止され、流れるガスへの電気エネルギーの直接的かつ効率的な伝達が可能になる。最初は形成されたプラズマは熱力学的平衡に近いが、アークが伸びるにつれて、電子とガス分子の間に大きな温度差がある非平衡の非熱プラズマへと急速に遷移する。[ 13 ] [ 14 ]
工業的には、電気アークは溶接、プラズマ切断、放電加工、映画映写機のアークランプ、舞台照明のスポットライトなどに利用されています。電気アーク炉は鋼鉄やその他の物質の製造に用いられます。炭化カルシウムは、吸熱反応（2500 ℃）を促進するために大量のエネルギーを必要とするため、この方法で製造されます。
炭素アーク灯は、最初の電灯でした。19世紀には街灯として、第二次世界大戦まではサーチライトなどの特殊な用途に用いられていました。今日では、アーク放電は様々な用途で利用されています。例えば、蛍光灯、水銀灯、ナトリウムランプ、メタルハライドランプは照明に、キセノンアーク灯は映画映写機や舞台照明に使用されています。
小規模なアークフラッシュに似た、強烈な電気アークの形成は、爆発式ブリッジワイヤー起爆装置の基礎となっている。
アークジェットは、宇宙船の電気推進方式の一種であり、電気アークを利用している。
これらは実験室で分光分析に用いられ、物質のサンプルを強く加熱することによってスペクトル発光を生成する。
アークは、超高圧送電網の保護のために高電圧開閉装置で使用されます 。ユニット（例えば、送電線内の直列コンデンサ）を過電圧から保護するために、スパークギャップと呼ばれるアーク発生装置がユニットと並列に接続されます。電圧が空気絶縁破壊閾値に達すると、スパークプラグ間でアークが発生し、ユニットの端子が短絡されるため、ユニットは過電圧から保護されます。ユニットを再挿入するには、アークを消弧する必要があります。これは複数の方法で実現できます。例えば、スパークギャップにアークホーン（ほぼ垂直だが、上部に向かって徐々に離れていく狭いV字型の2本のワイヤ）を取り付けることができます。アークが発生すると、アークはワイヤに沿って上方に移動し、ワイヤ間の距離が大きくなりすぎると破壊されます。アークが消弧され、元のトリガー条件がなくなった場合（故障が解消されたか、バイパススイッチが作動した場合）、アークは再発生しません。アーク放電は、圧縮空気や他のガスを吹き込むことによっても遮断できる。
高電圧スイッチを開いた際にも、望ましくないアークが発生することがあり、同様の方法で消弧されます。最新の装置では、加圧容器内の分離された電極間のノズル流に高圧の六フッ化硫黄を使用します。アーク電流は、交流サイクル内で電流がゼロになった瞬間に遮断され、電気陰性度の高いSF₆イオンが崩壊するプラズマから自由電子を急速に吸収します。SF₆技術は、スイッチ内部のアークの再点火を防ぐために多くの騒音の大きい空気噴射装置を直列に接続する必要があったため、同様の空気ベースの技術に取って代わりました。
ヤコブのはしご（より正式には高電圧移動アーク）は、上向きに連続的に上昇する電気アークを発生させる装置です。この装置は、聖書に記されている天国へと続くヤコブのはしごにちなんで名付けられました。アークホーンと同様に、火花ギャップは基部から上部へと伸びる2本のワイヤーによって形成されます。
ギャップに高電圧を印加すると、ワイヤ同士が最も近い底部に火花が発生し、急速に電気アークに変化します。空気は湿度や温度などによって異なりますが 、約 30 kV/cmで絶縁破壊します[ 15 ]。陽極と陰極の電圧降下を除けば、アークはほぼ短絡のように動作し、電源が供給できるだけの電流を引き込み、大きな負荷によってギャップ間の電圧が劇的に低下します。
加熱された電離空気は上昇し、電流経路を伴います。電離の痕跡が長くなるにつれて不安定になり、最終的に断裂します。すると電極間の電圧が上昇し、装置の底部で再び火花が発生します。
このサイクルにより、白、黄色、青、紫の電気アークの異様な外観が生まれ、ホラー映画や狂気の科学者に関する映画でよく見られる。この装置は、1950年代と1960年代の学校や科学フェアの定番であり、通常はモデルTのスパークコイル、またはネオンサインの変圧器（5～15 kV）やテレビのブラウン管回路（フライバック変圧器）（10～28 kV）などの10,000～30,000ボルトの高電圧源と、 V字型に組み込んだ2本のコートハンガーまたは棒で構成されている。より大きな梯子には、直列に接続された電子レンジの変圧器、電圧逓倍器[ 16 ] [ 17 ]、逆回転（昇圧）する電柱変圧器（ポールピッグ）がよく使用される。
ウィキメディア・コモンズにあるヤコブのはしごに関するメディア
科学者たちは、電極間のガスにレーザービームを照射することで、2つの電極間のアークの経路を制御する方法を発見した。ガスはプラズマになり、アークを誘導する。異なるレーザービームで電極間のプラズマ経路を構築することで、アークを曲線やS字型の経路に形成することができる。アークは障害物に当たって、障害物の反対側で再形成されることもある。レーザー誘導アーク技術は、電気火花を正確な場所に送る用途に役立つ可能性がある。[ 18 ] [ 19 ]
意図しない電気アークは、送電、配電システム、電子機器に悪影響を及ぼす可能性があります。アークの原因となる可能性のある機器には、スイッチ、回路ブレーカー、リレー接点、ヒューズ、ケーブル終端の不良などがあります。誘導回路がオフになると、電流は瞬時にゼロにはなりません。そのため、分離接点間に一時的なアークが発生します。アークが発生しやすいスイッチング機器は通常、アークを封じ込めて消火するように設計されており、スナバ回路は過渡電流の経路を提供することでアークを防止します。回路にスイッチング機器の外側で発生したアークを維持するのに十分な電流と電圧がある場合、アークは導体の溶融、絶縁体の破壊、火災など、機器に損傷を与える可能性があります。アークフラッシュとは、人や機器に危険をもたらす爆発的な電気現象を指します。
接触器、リレー、スイッチの電気接点における不要なアーク放電は、接点アーク抑制器[ 20 ]やRCスナバなどの装置、または以下のような技術によって低減できます。
アーク放電は、電圧の異なる箇所間に低抵抗の経路（異物、導電性の粉塵、水分など）が形成される場合にも発生する可能性があります。この導電性経路によって電気アークの発生が促進されます。イオン化された空気は金属に近い高い電気伝導率を持ち、非常に大きな電流を流すことができるため、短絡を引き起こし、保護装置（ヒューズやブレーカー）を作動させます。電球が切れた際に、フィラメントの破片が電球内部のリード線間に電気アークを発生させ、過電流によってブレーカーが作動する場合にも、同様の状況が発生する可能性があります。
プラスチック表面上の電気アークは、プラスチックの劣化を引き起こします。アーク経路には導電性の炭素を多く含むトラックが形成されやすく、これは「カーボン トラッキング」と呼ばれ、絶縁特性に悪影響を及ぼします。アーク感受性、または「トラック抵抗」は、ASTM D495 に従って、点電極と連続および断続アークによってテストされます。これは、高電圧低電流条件下で導電性のトラックが形成されるのに必要な秒数で測定されます。[ 21 ]材料によっては、他の材料よりも劣化しにくいものがあります。たとえば、ポリテトラフルオロエチレンのアーク抵抗は約 200 秒 (3.3 分) です。熱硬化性プラスチックでは、アルキド樹脂とメラミン樹脂はフェノール樹脂よりも優れています。ポリエチレンのアーク抵抗は約 150 秒、ポリスチレンとポリ塩化ビニルの抵抗は約 70 秒と比較的低くなっています。プラスチックは、アーク消弧特性を持つガスを放出するように配合することができ、これらはアーク消弧プラスチックとして知られています。[ 22 ]
プリント基板の種類によっては、配線の亀裂やはんだ接合部の不良などが原因でアーク放電が発生することがあります。このアーク放電によって誘電体が高温で燃焼し、影響を受けた絶縁層が導電性になります。この導電性によって表面の連鎖的な故障が引き起こされ、アーク放電が長引きます。
アーク抑制とは、電気アークを低減または除去しようとする方法です。アーク抑制方法には、金属膜の成膜やスパッタリング、アークフラッシュ保護、電気アークが発生しない静電プロセス（粉体塗装、空気浄化、PVDFフィルムの分極など）、接触電流アーク抑制など、いくつかの適用分野があります。産業、軍事、民生用電子機器の設計においては、後者の方法は一般的に、電気機械式パワースイッチ、リレー、コンタクタなどのデバイスに適用されます。この文脈では、アーク抑制は接触保護を利用します。
電気アークのエネルギーの一部は、アーク周辺の空気から新しい化学化合物を生成します。これには窒素酸化物とオゾンが含まれ、後者は独特の刺激臭で検出できます。これらの化学物質は、リレーやモーター整流子の高出力接点で生成される可能性があり、近くの金属表面を腐食します。アーク放電はまた、接点の表面を侵食し、摩耗させ、閉じた状態で高い接触抵抗を生み出します。[ 23 ]
アーク放電装置への曝露は健康被害をもたらす可能性があります。空気中で発生したアーク放電は酸素と窒素をイオン化し、オゾンや一酸化窒素などの反応性分子に再生成されることがあります。これらの生成物は粘膜に損傷を与える可能性があります。植物もオゾン中毒の影響を受けやすいです。これらの危険性は、アーク放電が連続的に発生し、部屋などの密閉空間で発生する場合に最も高くなります。屋外で発生するアーク放電は、加熱されたイオン化ガスが上昇して大気中に拡散するため、危険性は低くなります。断続的に短い火花放電のみを発生させるスパークギャップも、発生するイオンの量が非常に少ないため、危険性は最小限です。
アーク放電は、可視光線から不可視の紫外線や赤外線まで、幅広い波長の放射線を発生させる可能性があります。アーク溶接などの方法で発生する非常に強いアーク放電は、観察者の角膜に損傷を与え、日焼けを引き起こす可能性のある大量の紫外線を放出することがあります。このようなアーク放電は、アークの強度を弱め、紫外線から観察者の目を保護する溶接ヘルメットなどの特殊な遮光フィルターを通してのみ観察すべきであり、露出した皮膚は衣服で覆う必要があります。
高電流電気機器から発生するアークフラッシュは非常に危険です。プラズマや溶融金属が激しく噴出し、強烈な放射線によって衣服が急速に引火し、遠距離からでも致命的な火傷を引き起こす可能性があり、高圧爆発が発生することもあります。このようなアークフラッシュを引き起こす可能性のある機器の近くで作業する場合は、故障時に放出されるエネルギー量に耐えられる定格の保護具が必要です。
{{cite book}}: ISBN / 日付の不一致 (ヘルプ)これは「 arc 」という用語の由来である可能性が高いです。