電弧

電弧放電の概要

電弧（でんこ）や電弧放電（でんこほうでん）、アーク放電（アークほうでん）とは、電極に生じる電位差によって気体中で持続的に発生する放電現象です。電極間の気体分子が電離し、プラズマが生成され、その中を電流が流れます。このように、普段は絶縁体である気体を通して電流が流れることが特徴です。

電弧放電の発見と特徴

この現象は、1802年にロシアの物理学者、ヴァシーリー・ウラジーミル・ペトロフによって初めて発見されました。電弧放電は、主に低電圧かつ高電流の条件下で発生します。二つの電極の間に存在する気体が高温にさらされ、場合によっては金属をも溶かすことがあるほどの熱を生成します。電弧放電は直流と交流のいずれの回路でも起こり、交流回路では半周期の間にも放電が再発生することがあります。

この放電は、瞬間的なスパーク放電とは異なり、持続的に電流が流れ続けることが特徴的です。特に電流の密度が非常に高く、陰極近くでは1平方センチメートルあたり約100万アンペアに達することもあります。電弧放電は、電圧や電流の関係が通常の比例関係にないため、ある程度の電圧である条件が整うと、流れる電流が急増し、結果的に低い電圧でも持続的な放電が可能となります。

電弧放電の種類

電弧放電は、熱陰極アークと冷陰極アークの二つに分類されます。熱陰極アークは、負極の加熱により熱電子放出によって発生します。一方、冷陰極アークは、負極表面の強い電場により直接電子が放出されます。これらの現象は、抵抗材料に応じても変化し、高沸点材料（炭素・タングステン等）では熱陰極アークが、多くの低沸点材料（鉄・銅・水銀等）においては冷陰極アークが見られます。

また、放電路における気体分子の電離のメカニズムは、気体圧力によっても影響を受けます。低圧ではグロー放電同様にα作用により電子が気体分子を電離しますが、高圧では主に熱電離が働きます。アーク放電が生じると、プラズマ内を流れる電流が周囲に磁場を生じ、プラズマが自己収縮し、電流が細く集中する現象、ピンチ効果を引き起こします。

電弧放電の利用

電弧放電は多くの実用分野で利用されており、溶接、プラズマ切断、放電加工、アークランプ、さまざまな照明機器に利用されています。特にアーク炉は金属産業で鉄鉱石を生産するために使用され、2500度の高温で炭化カルシウムを生成します。また、低圧電弧は光源としても用いられ、蛍光灯や水銀灯、さらにはカメラのストロボにも利用されています。最近では、電気推進型宇宙船用途の研究も進んでいます。

さらに、窒素固定の方法としても応用可能ですが、莫大な電力を必要とするため実用例は少ないです。ただし、自然現象である雷によって生成された硝酸塩が農作物の肥料として働くことから、雷の多い年は稲の豊作につながることが知られており、これは「稲妻」という言葉の由来とも考えられています。

電弧放電のリスク

不意に発生する電弧放電は、送電路や電子機器に悪影響を与えることがあるため注意が必要です。スイッチや回路遮断器、リレー接続、ヒューズ、さらに不完全なケーブルの断裂などが原因で意図しない電弧放電が発生することがあります。スイッチがオフになっても電流はまったくゼロにはならないため、接触が外れた部分には一時的な電弧ができることがあります。

そのため、スイッチ装置は一般的に電弧に耐えられるように設計されており、スナバ回路によって電弧の発生を防ぐ工夫もされています。しかし、スイッチ装置以外でも電弧を引き起こすだけの電流と電圧があれば、導線の絶縁体が溶けて火災に繋がる危険性もあります。アークフラッシュと呼ばれる爆発的な現象は、機器や人々に対して大変危険です。

これに対する対策として、油や不活性ガスまたは真空中に没入させる等の方法や、遮断器や接触器など多くの手法が存在します。電弧放電の持つ危険性を理解し、適切な対策を行うことが電気機器の安全運用にとって不可欠です。

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