Un arco elettrico è un dispositivo in cui una corrente elettrica (un flusso di elettroni) è causata da flusso tra due punti separati da un gas. I due punti sono chiamati elettrodi. Quello da cui proviene la corrente è il catodo. L’elettrodo verso cui scorrono gli elettroni è l’anodo., Il termine arco elettrico si riferisce sia al dispositivo stesso che alla scarica elettrica che avviene all’interno del dispositivo. Gli archi possono fare uso di pressioni alte, atmosferiche o basse e possono contenere una varietà di gas. Hanno ampi usi come lampade luminose; come forni; per il riscaldamento, taglio e saldatura; e come strumenti per alcuni tipi di analisi chimica.
Conduttività elettrica nei gas
I gas sono normalmente poveri conduttori di elettricità. Gli atomi o le molecole di cui sono costituiti di solito non contengono elettroni liberi necessari per il flusso di una corrente., Questa condizione può cambiare, tuttavia. Se viene fornita energia sufficiente al gas, i suoi atomi o molecole si romperanno (ionizzeranno) in particelle cariche. Se una scintilla viene fatta passare attraverso un contenitore di gas ossigeno, ad esempio, le molecole di ossigeno si ionizzano per formare alcuni ioni di ossigeno caricati positivamente e alcuni ioni di ossigeno caricati negativamente. Queste particelle cariche rendono quindi possibile che il gas diventi conduttivo.
Costruzione dell’arco
In un arco elettrico, l’energia necessaria per produrre ionizzazione proviene da una fonte esterna, come un generatore elettrico., Un intenso flusso di elettroni fluisce nel catodo e poi attraverso lo spazio pieno di gas fino all’anodo. Quando questi elettroni passano attraverso il gas, causano la ionizzazione. Gli ioni formati nel processo rendono ancora più facile il flusso di corrente tra gli elettrodi. Per ogni gas è necessaria una quantità minima di energia
)
per produrre ionizzazione ad una data temperatura e pressione., Quell’energia è nota come potenziale di rottura del gas.
Un esempio di arco elettrico è un fulmine. In natura, due nuvole possono agire come elettrodi, o corrente elettrica può fluire tra una nuvola e la superficie terrestre. In entrambi i casi, la corrente scorre attraverso l’aria, ionizzando molecole di ossigeno, azoto e altri gas nell’atmosfera.
La luce e il suono associati al fulmine sono la prova di un importante cambiamento che si verifica nel gas tra gli elettrodi. Il flusso di corrente elettrica riscalda il gas ad alte temperature., La luce associata al fulmine è la prova di questo cambiamento. Il battito del tuono è un altro segno del cambiamento: l’aria riscaldata attorno al fulmine si espande rapidamente, producendo un’onda sonora.
L’arco elettrico più semplice è costituito da due elettrodi fatti di un materiale conduttore e situati a breve distanza l’uno dall’altro. L’aria è il gas utilizzato in questo arco. Questo tipo di arco elettrico fu studiato per la prima volta dal fisico e chimico inglese Humphry Davy (1778-1829) nel 1808.,
Vari tipi di archi elettrici differiscono l’uno dall’altro sotto due aspetti: la pressione a cui operano e i materiali di cui sono fatti. Gli archi elettrici possono essere racchiusi in contenitori di vetro o plastica da cui è stata pompata aria (archi a vuoto) o a cui è stata aggiunta aria o altro gas (archi ad alta pressione).
La luce prodotta da un arco dipende sia dal materiale da cui sono realizzati gli elettrodi sia dal gas che li separa. Alcuni elettrodi non hanno altra funzione che condurre una corrente elettrica dentro e fuori dall’arco., Altri elettrodi sono scelti perché tendono a vaporizzare quando viene utilizzato l’arco, cambiando lo scarico che viene prodotto. Vari gas sono scelti per l’uso negli archi elettrici perché anch’essi influenzano le scariche prodotte. Ad esempio, ogni elemento chimico produce il proprio colore caratteristico quando ionizzato.
Usi di archi elettrici
Esistono molti tipi di archi, ognuno con le proprie applicazioni. Ad esempio, i saldatori ad arco vengono utilizzati per la saldatura (dove un metallo viene fuso e aggiunto in un giunto). In alcuni casi, l’unica funzione dell’arco è quella di fornire calore., In altri casi, il metallo da un elettrodo può effettivamente essere utilizzato per formare la saldatura. Le torce al plasma sono utilizzate per il taglio, la spruzzatura e il riscaldamento a gas. Plasma è un termine usato per gas caldi e ionizzati. Il taglio di un metallo con una torcia al plasma può essere fatto per mezzo di un arco formato tra il metallo stesso e un elettrodo dalla torcia.
Gli archi elettrici sono spesso usati come lampade a causa della quantità di luce che producono. Quella luce proviene da elettrodi caldi e incandescenti (archi di carbonio) e, a volte, da gas riscaldati (archi di fiamma)., L’arco di carbonio, in cui due barre di carbonio fungono da elettrodi, è stato il primo pratico dispositivo di illuminazione commerciale. Rimane una delle fonti di luce più brillanti ed è ancora utilizzata nei proiettori cinematografici teatrali, nei grandi proiettori e nei fari. Gli archi di fiamma sono utilizzati nella fotografia a colori e nei processi fotochimici perché approssimano strettamente il sole naturale. Il carbonio è saturo di sostanze chimiche che si scaricano facilmente. Queste sostanze chimiche diventano luminose quando evaporano e vengono riscaldate dall’arco.,
Il colore degli archi di fiamma dipende dal materiale di cui sono fatti gli elettrodi. Ad esempio, gli archi di calcio emettono un bagliore rosso, mentre gli archi di bario emettono un bagliore verde. In alcuni archi di fiamma, la radiazione prodotta è al di fuori dell’intervallo visibile. Gli archi di mercurio ad alta pressione producono radiazioni ultraviolette. Possono anche produrre luce visibile in un tubo a bassa pressione se le pareti interne del tubo sono rivestite con un materiale fluorescente noto come fosforo. Il fosforo emette luce visibile quando viene colpito dalla radiazione ultravioletta dal mercurio.