Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i. realizuje projekt č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_003/0000493 „Centrum pro výzkum nelineárního dynamického chování pokročilých materiálů ve strojírenství“ (CeNDYNMAT)
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.
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.
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.
