電気アーク

電気アーク（またはアーク放電）は、長時間の放電を生じるガスの電気的破壊です。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。古い用語は「ボルタアーク灯」というフレーズで使用されている ボルタアークです。

アーク抑制技術を使用すると、アーク発生の持続時間や発生確率を減らすことができます。

19 世紀後半には、電気アーク照明が公共照明として広く使用されていました。低圧電気アークは多くの用途で使用されています。たとえば、蛍光灯、水銀灯、ナトリウム灯、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います。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利用できます。

ハンフリー・デービー卿は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、芸術誌に掲載された論文でこの現象について説明した。^[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、次にそれらを少し引き離すことで、この効果を公開した。このデモンストレーションでは、炭の先端の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購入し、1808年にデービーは大規模なアークを実証した。^[5] 彼はこのアークに名前を付けたとされている。^[6]彼がこれをアークと呼んだのは、電極間の距離が近くない場合に上向きの弓形になるからである。^[7]これは高温ガスの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^{4200枚のディスクからなる}銅亜鉛電池の実験をしていた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」として記述されました。^{[8] [9]}

19世紀後半、電気アーク灯は公共の照明として広く使用されていた。電気アークのちらつきやヒスノイズは大きな問題であった。1895年、ヘルタ・マークス・アイルトンは『エレクトリシャン』誌に一連の記事を寄稿し、これらの現象はアークを発生させる炭素棒と酸素が接触することで起こると説明した。1899年、彼女は電気技術者協会（IEE）で論文を発表した初の女性となった。彼女の論文の題名は「電気アークのヒスノイズ」であった。その後まもなく、アイルトンはIEE初の女性会員に選出された。次にIEEに女性が入会したのは1958年のことだった。 ^[10]彼女は王立協会で論文を発表したいと嘆願したが、性別を理由に認められず、1901年にジョン・ペリーが彼女に代わって「電気アークのメカニズム」を発表した。

電気アークは、最も高い電流密度を持つ放電の形態です。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ます。

2 つの電極間のアークは、電極を流れる電流が増加すると、イオン化とグロー放電によって開始されます。電極ギャップの破壊電圧は、圧力、電極間の距離、および電極を囲むガスの種類の組み合わせ関数です。アークが開始すると、その端子電圧はグロー放電よりもはるかに低く、電流は高くなります。大気圧に近いガス内のアークは、可視光の放出、高い電流密度、および高温が特徴です。アークは、電子と陽イオンの温度が似ていることでグロー放電と区別されます。グロー放電では、イオンは電子よりもはるかに低温です。

引き離されたアークは、2つの電極が最初に接触し、引き離されることで発生する。これにより、高電圧グロー放電なしでアークが発生する。これは、溶接工が溶接電極をワークピースに瞬間的に接触させ、安定したアークが形成されるまで引き離すことで、溶接接合部を溶接し始める方法である。別の例としては、スイッチ、リレー、または回路遮断器の電気接点の分離が挙げられる。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る。^[11]

連続電気アークに沿った電気抵抗によって熱が発生し、より多くのガス分子がイオン化されます (イオン化の程度は温度によって決まります)。そして、固体、液体、ガス、プラズマの順に、ガスは徐々に熱プラズマに変わります。熱プラズマは熱平衡状態にあり、原子、分子、イオン、電子全体の温度は比較的均一です。電子に与えられたエネルギーは、その大きな可動性と数により、弾性衝突によってより重い粒子に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る。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可能性があり、1平方センチメートルあたり100万アンペアのオーダーの電流密度が見られる。グロー放電とは異なり、アークには識別可能な構造がほとんどなく、陽極柱が非常に明るく、両端の電極のほぼ近くまで伸びている。数ボルトの陰極降下と陽極降下は、各電極から数分の1ミリメートル以内で発生する。陽極柱の電圧勾配は低く、非常に短いアークでは存在しない可能性がある。^[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不要になり、電圧対電流特性はより抵抗に近くなります。^[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から生じる特性です。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カーボン製) 間のガス充填空間で発生し、非常に高い温度になり、ほとんどの材料を溶解または蒸発させることができます。電気アークは連続放電ですが、同様の電気火花放電は瞬間的です。電気アークは、直流(DC) 回路でも交流(AC) 回路でも発生する可能性があります。後者の場合、アークは電流の半サイクルごとに再点火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 平方センチメートルあたり 1メガアンペア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関係があります。アークが確立されると（グロー放電^[12]からの進行によって、または電極を瞬間的に接触させてから離すことによって）、電流が増加してアーク端子間の電圧が低下します。この負性抵抗効果により、安定したアークを維持するために、何らかの正のインピーダンス（電気バラストなど）を回路に配置する必要があります。この特性が、装置内の制御されていない電気アークが非常に破壊的になる理由です。アークが一度発生すると、固定電圧電源からますます多くの電流が流れ、装置が破壊されるからです。

工業的には、電気アークは溶接、プラズマ切断、放電加工、映写機のアーク灯、舞台照明のスポットライトなどに使用されています。電気アーク炉は鋼鉄やその他の物質の製造に使用されます。炭化カルシウムは吸熱反応（2500℃の温度） 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。

カーボンアーク灯は最初の電灯でした。19 世紀には街灯として使用され、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も使用されていました。今日、電気アークはさまざまな用途に使用されています。たとえば、蛍光灯、水銀灯、ナトリウム灯、メタルハライドランプは照明に使用され、キセノンアーク灯は映画映写機や劇場のスポットライト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力な電気アークの形成は、爆発ブリッジワイヤ雷管の基礎です。

電気アークは、宇宙船の 電気推進の一種であるアークジェットで使用されます。

これらは、物質のサンプルを強力に加熱してスペクトル放射を生成する分光法の研究室で使用されます。

アークは、超高電圧送電網の保護のため、高電圧スイッチギアで今でも使用されています 。ユニット (たとえば、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誘導装置がユニットに並列に接続されます。電圧が空気絶縁破壊しきい値に達すると、スパーク プラグでアークが発生し、ユニットの端子を短絡させてユニットを過電圧から保護します。ユニットを再挿入するには、アークを消す必要がありますが、これには複数の方法があります。たとえば、スパーク ギャップにアーク ホーンを取り付けることができます。アーク ホーンとは、ほぼ垂直ですが、上部に向かって狭いV字型に徐々に離れていく 2 本のワイヤです。アークが一度点火されると、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壊れます。アークが消え、元のトリガー条件がなくなった場合 (障害が解決されたか、バイパス スイッチが作動している)、アークは再点火しません。アークは圧縮空気または他のガスの噴射によっても切断できます。

望ましくないアークは、高電圧スイッチが開かれたときにも発生し、同様の方法で消火されます。最新のデバイスでは、加圧容器内の分離された電極間のノズル流で高圧の六フッ化硫黄を使用します。アーク電流は、AC サイクル内で電流がゼロになった瞬間に中断され、非常に電気陰性の SF6 イオンが、減衰するプラズマから自由電子をすばやく吸収します。スイッチ内のアークが再点火するのを防ぐために、ノイズの多いエアブラストユニットを多数直列に接続する必要があったため、SF6 技術は、同様の空気ベースの技術に取って代わりました。

ヤコブの梯子(正式には、高電圧移動アーク)は、上向きに上昇する連続した電気アーク列を生成する装置です。この装置は、聖書に記述されている天国に通じるヤコブの梯子にちなんで名付けられました。アークホーンと同様に、スパークギャップは、ベースからトップに分岐する 2 本のワイヤによって形成されます。

ギャップに高電圧をかけると、ワイヤの最も近接する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、温度などにもよりますが、約30kV/cmで絶縁破壊します^[13]。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、電源が供給できる限りの電流を消費し、重い負荷によってギャップ間の電圧が大幅に低下します。

加熱されたイオン化された空気は、電流経路を伴って上昇します。イオン化の軌跡が長くなるにつれて、ますます不安定になり、最終的に切断されます。その後、電極間の電圧が上昇し、デバイスの下部で火花が再び発生します。

このサイクルにより、白、黄、青、紫の異国情緒あふれる電気アークが発生し、ホラー映画やマッドサイエンティストの映画でよく見られる。この装置は1950年代から1960年代にかけて学校や科学博覧会でよく使われ、通常はモデルTのスパークコイル、またはネオンサイン用変圧器（5～15kV）やテレビのブラウン管回路（フライバック変圧器）（10～28kV）などの10,000～30,000ボルトの範囲の高電圧源と、 V字型に組み込まれた2本のコートハンガーまたはロッドから構築された。より大きなはしごの場合は、直列に接続された電子レンジ用変圧器、電圧倍増器^{[14] [15]}、および逆方向に動作する（ステップアップ）電柱用変圧器（ポールピッグ）が一般的に使用される。

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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ました。ガスはプラズマになり、アークを誘導します。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字型の経路に形成できます。アークは障害物にぶつかり、障害物の反対側で再形成することもできます。レーザー誘導アーク技術は、正確な場所に電気の火花を届ける用途に役立つ可能性があります。^{[16] [17]}

望ましくない、または意図しない電気アークは、電力伝送、配電システム、および電子機器に有害な影響を及ぼす可能性があります。アークを引き起こす可能性のあるデバイスには、スイッチ、回路ブレーカー、リレー接点、ヒューズ、ケーブル終端不良などがあります。誘導回路のスイッチを切っても、電流が瞬時にゼロになることはないため、分離接点全体に過渡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 デバイスは通常、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してアークを防止します。スイッチング デバイスの外側に形成されたアークを維持できるだけの電流と電圧が回路にある場合、アークによって導体の溶解、絶縁体の破壊、火災など、機器に損傷が生じる可能性があります。アーク フラッシュは、人や機器に危険をもたらす爆発的な電気現象です。

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、接触アークサプレッサ^[18]やRCスナバなどの装置や、以下のような技術 によって低減できる。

• 変圧器油、誘電ガスまたは真空への浸漬
• アークシュート
• 磁気爆発
• 空気圧破裂
• 犠牲的な（「アーク」）接点
• 熱または化学分解によってアークエネルギーを吸収する減衰材料

アーク放電は、電圧の異なる場所の間に低抵抗チャネル（異物、導電性のほこり、湿気など）が形成される場合にも発生します。導電性チャネルは、電気アークの形成を促進します。イオン化された空気は金属に近い高い電気伝導性を持ち、非常に高い電流を伝導するため、ショートが発生し、保護装置（ヒューズやブレーカー）が作動します。電球が切れてフィラメントの破片が電球内のリード線間で電気アークを引き起こし、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。

プラスチックの表面を電気アークが通ると、プラスチックは劣化する。アーク経路には「カーボン トラッキング」と呼ばれる導電性の炭素を多く含んだトラックが形成される傾向があり、絶縁特性に悪影響を及ぼす。アーク感受性、つまり「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る。高電圧低電流条件下で導電性のトラックを形成するのに必要な秒数で測定される。^[19]一部の材料は他の材料よりも劣化しにくい。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) である。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がフェノール樹脂よりも優れている。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アーク抵抗は約 70 秒と比較的低い。プラスチックは、アーク消火特性を持つガスを放出するように配合することができ、これらはアーク消火プラスチックとして知られている。^[20]

一部の種類のプリント基板では、トレースの亀裂やはんだ接合部の故障などによりアーク放電が発生し、高温により誘電体が燃焼して、影響を受けた絶縁層が導電性になります。この導電性により、表面の 連鎖的な故障によりアーク放電が長引きます。

アーク抑制は、電気アークを低減または除去する方法です。アーク抑制方法の使用分野はいくつかありますが、その中には、金属フィルムの堆積とスパッタリング、アークフラッシュ保護、電気アークが望ましくない静電プロセス（粉体塗装、空気浄化、PVDFフィルムポーリングなど）、接触電流アーク抑制があります。工業、軍事、民生用電子機器の設計では、後者の方法が一般に電気機械式電源スイッチ、リレー、接触器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使用します。

電気アークのエネルギーの一部は、アークの周囲の空気から新しい化合物を形成します。これには窒素酸化物とオゾンが含まれます。後者は独特の強い臭いで検知できます。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によって生成されることがあり、近くの金属表面を腐食させます。また、アークは接点の表面を侵食し、摩耗させ、閉じたときに高い接触抵抗を生み出します。^[21]

アーク発生装置にさらされると、健康被害が生じる可能性があります。空気中に発生したアークは酸素と窒素をイオン化し、これがオゾンや一酸化窒素などの反応性分子に再形成します。これらの生成物は粘膜を損傷する可能性があります。植物もオゾン中毒の影響を受けます。これらの危険性は、アークが連続的で、部屋などの密閉された空間にある場合に最も大きくなります。屋外で発生したアークは、加熱されたイオン化ガスが空気中に上昇して大気中に拡散するため、危険性は低くなります。断続的に短いスパークバーストを生成するスパークギャップも、生成されるイオンの量が非常に少ないため、危険性は最小限です。

アークは、可視光線から目に見えない紫外線や赤外線まで、幅広い波長のスペクトルを生成することもあります。アーク溶接などの手段で生成される非常に強力なアークは、観察者の角膜に損傷を与える大量の紫外線を発生することがあります。これらのアークは、アークの強度を下げ、観察者の目を紫外線から保護する特殊な遮光フィルターを通してのみ観察する必要があります。

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ウィキメディア・コモンズには、電気アークに関連するメディアがあります。

• 「高電圧アークと火花」230 kV 3相「ジェイコブス ラダー」と意図しない500 kV電力アークのビデオ
• 高電圧アークギャップ計算機は、電圧がわかればアークの長さを計算したり、その逆を行ったりできます。