Premessa

Qualche tempo fa si era aperta nel forum una discussione sull'arco elettrico che prometteva di essere interessante poiché stava coinvolgendo firme illustri del nostro piccolo spazio elettrotecnico. Ho pensato di riportarla in superficie con il link proposto e ne ho approfittato per rieditare un articolo di parecchi anni fa che illustra alcune considerazioni fisiche relative all'arco elettrico.

Caratteristiche fisiche

Quando si interrompe un circuito elettrico percorso da corrente, si manifesta tra gli elettrodi, cioè tra i terminali dell'interruzione, una tensione che in genere è sufficiente ad innescare una scarica elettrica: l'arco elettrico.
Il fenomeno è normale in ogni interruttore, il quale deve essere in grado di interrompere la scarica per aprire definitivamente il circuito. Quanta più intensa è la scarica tanto maggiore deve essere la capacità dell'interruttore di adempiere alla sua funzione. Questa sua capacità è denominata potere di interruzione.

L'insorgere dell'arco possiamo descriverlo fisicamente nel modo seguente.
Consideriamo una corrente continua che attraversa i due elettrodi dell'interruttore inizialmente premuti l'uno contro l'altro con forte pressione, in modo che la superficie di contatto, nonostante le inevitabili irregolarità microscopiche, sia la maggiore possibile. Quando inizia il distacco, diminuisce la pressione e di conseguenza diminuiscono le zone di effettivo contatto. In queste si addensa la corrente e l'elevata densità provoca immediati surriscaldamenti locali. Alla separazione definitiva degli elettrodi, può accadere che ci sia estrazione di elettroni dall'elettrodo negativo (catodo), per effetto della elevata temperatura che può vaporizzare in parte il metallo, e del campo elettrico elevato dovuto alla sovratensione tra gli elettrodi. Gli elettroni estratti possono ionizzare per urto le molecole del gas in cui sono immersi gli elettrodi (aria od altro). Elettroni, ioni positivi e ioni negativi si dirigono allora verso gli elettrodi di segno opposto. La ionizzazione cresce in una reazione a catena, ma la crescita non è illimitata e raggiunge una situazione di equilibrio. La configurazione finale costituisce l'arco elettrico. È caratterizzata da forti densità di corrente, dell'ordine di parecchie decine di A / mm², con differenze di potenziale tra gli elettrodi non elevate, dell'ordine di alcune decine di volt.
La temperatura del canale ionizzato varia da 6000 °C a 12000 °C. La conduzione della corrente elettrica è dovuta principalmente agli elettroni, molto mobili per la loro massa migliaia di volte minore di quella degli ioni.
L'arco per mantenersi necessita di energia: per la ionizzazione, per il mantenimento della velocità delle particelle e perla trasmissione all'ambiente esterno di radiazione e calore. Inoltre il campo elettrico e la temperatura in corrispondenza del catodo devono essere tali da consentire l'estrazione di elettroni.
C'è arco ed arco. C'è l'arco che si forma tra i terminali di un interruttore che apre il circuito di una lampadina e l'arco provocato da un guasto tra le fasi o verso massa in un quadro di potenza. La differenza sta proprio nell'energia messa in gioco. Affinché la porta di un quadro elettrico possa resistere all'energia di un arco interno, il quadro deve essere appositamente progettato. L'arco emette, oltre a quelle visibili, anche radiazioni ultraviolette, ionizzando l'aria che lo circonda, quindi diminuendone drasticamente le proprietà isolanti, rendendo di conseguenza possibili l'innesco di archi secondari. Essendo una corrente elettrica è soggetto ad azioni elettrodinamiche che lo rendono estremamente mobile. In generale esso tende ad allontanarsi dal punto di alimentazione del circuito, come mostra la figura 1 dove scocca un arco tra le due sbarre orizzontali. Il campo magnetico tra le sbarre prodotto dalle correnti che le percorrono, è entrante e la corrente d'arco che lo attraversa subisce una forza diretta verso destra. E' lo stesso principio che è alla base del funzionamento dei motori elettrici.

Un cortocircuito su sbarre trifasi di un quadro in bassa tensione ha permesso di misurare una velocità di spostamento di circa 430 km/h.

La caratteristica statica

Tra i due elettrodi, mentre l'arco permane, c'è una tensione elettrica che non si distribuisce linearmente lungo il percorso. Vi si distinguono tre zone: due in vicinanza degli elettrodi (regione anodica e catodica) e la terza, intermedia, detta della colonna positiva. Nelle prime due la tensione è indipendente dal valore della corrente, legata alla natura degli elettrodi ed all'ambiente gassoso, vale in genere 10 V. Nella zona intermedia la tensione dipende dalla lunghezza dell'arco, e diminuisce all'aumentare dell'intensità di corrente, contrariamente a quanto avviene nei conduttori. Se indichiamo con K il campo elettrico esistente nella zona intermedia e con L la sua lunghezza, la tensione ai suoi capi si esprime con . Complessivamente si può porre (formula di Ayrton) per la tensione tra anodo (a) e catodo (c):

V_a ed V_c rispettivamente tensioni anodica e catodica ed Ut tensione di transizione complessiva tra le zone anodica e catodica e la zona intermedia.
L'arco può essere visto come un particolare bipolo la cui caratteristica statica tensione-corrente, per una determinata lunghezza dell'arco stesso, ha l'andamento mostrato in figura 2 (curve rosse: l'arco relativo alla caratteristica L1 ha una lunghezza maggiore di quello di lunghezza L). Si noti che esiste una corrente minima (corrente di estinzione che è di circa 0,5 A) al di sotto della quale l'arco non può sussistere.

Fig. 2

Nella figura 2 è mostrato anche il circuito con cui si può rilevare la caratteristica. Si tratta di un generatore di tensione continua che si può variare, con in serie una resistenza pure variabile. I due elettrodi che chiudono il circuito vengono distanziati di L che rappresenta la lunghezza dell'arco. Per il secondo principio di Kirchhoff deve essere E − RI = V_a il che significa che la caratteristica esterna del generatore V = E − RI deve intersecare, nel funzionamento a regime, la caratteristica d'arco V = V_a.
Se i valori impostati di E e di R lo permettono, l'intersezione può aversi in due punti.
Il primo (punto 1) è instabile in quanto una piccola variazione di corrente provoca o l'aumento della stessa, o la sua estinzione. Il punto 2 è invece stabile in quanto un aumento della corrente non può essere sostenuto dal generatore ed una sua diminuzione è immediatamente annullata dal generatore.
La figura mostra anche come variando la resistenza, in particolare aumentandola oltre il valore di R_max mantenendo costante la lunghezza dell'arco, vengano a mancare le intersezioni: l'arco in tal caso si spegne. Stessa cosa si può ottenere diminuendo E al di sotto di E_min, a parità di tutto il resto. A parità di E e di R l'aumento della lunghezza dell'arco determina pure la sua estinzione (la curva L1 non è intersecata, come si vede).

Conclusioni

Le osservazioni precedenti sono utilizzate come accorgimenti negli interruttori.
Per estinguere l'arco si può inserire una resistenza addizionale in fase di apertura e allungarne artificialmente il percorso.
I problemi da affrontare nell'estinzione sono però molto più complessi. La trattazione qualitativa sviluppata si riferisce a modifiche di lunghezza o a variazioni di corrente che non richiedono rapide variazioni di temperatura e di ionizzazione che determinano la sussistenza dell'arco. Nell'estinzione provocata da un interruttore tali condizioni sono invece rapidamente variabili per cui le caratteristiche che si dovrebbero considerare nei vari istanti si modificano continuamente. In particolare se la velocità con cui diminuisce la corrente è elevata, le curve si abbassano per cui la tensione per mantenere l'arco è minore. E' una conseguenza del fatto che il ripristino delle proprietà dielettriche del mezzo ha un'inerzia, segue cioè con ritardo le variazioni della corrente. L'interruzione di una corrente è pertanto un fenomeno vario e complesso che dipende anche dalla natura del circuito da interrompere: resistivo, induttivo, capacitivo, percorso da corrente continua od alternata. Ognuno di questi circuiti richiede un'analisi specifica e sarà affrontato in ulteriori articoli.

Bibliografia

• Complementi di impianti elettrici - Lorenzo Fellin - Ed. Diade
• L'arco mobile - V. Carrescia - art. TNE 03/97

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