Tušíte, jaká síla způsobuje vytvarování plazmatu obloukového výboje do spirály?

Pokud znáte odpověď na tuto otázku, tak je zřejmé, že o fyzice už leccos víte. Tato tajemná síla se nazývá Lorentzova síla a působí na elektrický náboj pohybující se v magnetickém poli. Je to síla, která roztáčí i běžné elektromotory. Deformace plazmatu elektrického oblouku v naší ukázce se odborně nazývá spirálová magnetická nestabilita oblouku. Vysvětlíme si nyní, jak to funguje.


Spirálová magnetická nestabilita plazmatu elektrického oblouku


V obloukovém výboji zajišťuje vedení elektrického proudu plyn, který díky vysoké teplotě (v předváděném oblouku asi 8000 stupňů Celsia) obsahuje kromě neutrálních atomů a molekul také elektricky nabité částice (elektrony a ionty) a tvoří tzv. termické plazma. Sloupec obloukového výboje s válcovou symetrií může být destabilizován vlastním magnetickým polem. Obloukový sloupec uzavřený ve válcové trubici má válcový tvar, dokud je výbojový proud malý. Má-li však trubice dostatečně velký průměr a proud překročí kritickou velikost, změní se válcovitý tvar obloukového sloupce na spirálovitý. Tato změna je vyvolána Lorentzovou silou. Další zvyšování proudu způsobí nepravidelné poruchy, zvláště v oblasti elektrod. Nakonec se vytvoří turbulentní rotující výboj.


Plazmový obloukový výboj
Obloukový výboj
Spirálová magnetická nestabilita elektrického oblouku
Proces vytvoření nového výbojového kanálu.
Snímky z vysokorychlostní kamery jdou chronologicky zleva doprava.
Doba trvání děje je 5 milisekund.

Tyto efekty mohou být vyvolány také dostatečně silným vnějším magnetickým polem. Když se při pohybu spirály oblouku stane její zakřivení příliš velkým, začne si výboj hledat kratší cestu a dojde k průrazu mezi sousedními závity. Série snímků z vysokorychlostní kamery zachycuje celé vytvoření nového výbojového kanálu, které trvá pět tisícin vteřiny.


Řezání silné kovové desky řezacím plazmatronem

V předváděném experimentu je termické plazma, které vzniklo v elektrickém oblouku, tvořeno parami rtuti. Pro praxi jsou velmi důležitá zařízení – plazmatrony – ve kterých obloukový výboj vytváří plazma v kyslíku nebo ve vzduchu. Vytvořené plazma má teplotu až několik desítek tisíc stupňů a vystupuje ven rychlostí mnoha stovek metrů za vteřinu. Svazek takového plazmatu o tloušťce jednoho milimetru může projít železnou deskou o tloušťce několika centimetrů během vteřiny jako nůž máslem. Plazmatrony se ve stále větší míře používají k řezání nebo svařování kovů. Na obrázku je příklad řezacího plazmatronu.

Více informací o výzkumu termického plazmatu naleznete na stránce Laboratoře elektrofyziky Ústavu termomechaniky AV ČR, v. v. i.

Footer menu

© 2008–2014 Institute of Thermomechanics ASCR, v. v. i.