Arc discharge

Japanese: アーク放電 - あーくほうでん

This is the most advanced type of gas discharge, and is a type of discharge that is sustained by the emission of thermoelectrons from a high-temperature cathode. In atmospheric arc discharges, the discharge path is arc-shaped (arc), so it is also called arc light discharge or simply arc. Most discharges with high gas pressure and large currents of several amperes or more are arc discharges. Even when the gas pressure is low and the current is relatively low at several hundred milliamperes, it can be an arc discharge if the cathode is prone to high temperatures or if the cathode is coated with a thermoelectron emitting material (which makes it easy to emit thermoelectrons). Fluorescent lamps are an example of the latter. Arc discharges have a smaller voltage drop at the cathode than glow discharges. That is, the cathode voltage drop of glow discharges is 50 volts or more, sometimes reaching several hundred volts, while that of arc discharges is small at 20 volts or less. In addition, the temperature of the cathode is generally 1000°C or more to supply sufficient thermoelectrons, and can reach 3500°C. In arc discharges in high-pressure gases, the temperature of the gas in the discharge path becomes very high, sometimes reaching tens of thousands of degrees Celsius.

[Tadatoshi Azuma]

Arc discharge applications

Carbon arc lamps, which utilize arc discharge in the atmosphere, were used in the past as lighting, searchlights, and movie projection lights, and are now mainly used as light sources for weather resistance tests. Mercury lamps, which utilize arc discharge in high vapor pressure mercury, low-pressure and high-pressure sodium lamps, which utilize arc discharge in sodium vapor, and metal halide lamps, which utilize arc discharge in various metal halides, are used as lighting sources for roads, plazas, sports grounds, gymnasiums, factories, etc. Xenon lamps, which utilize arc discharge in high-pressure xenon gas, are used as searchlights and movie projection lights. Fluorescent lamps, which convert ultraviolet light generated by discharge in low-pressure mercury vapor into visible light using phosphors, are the main lighting source and have become a necessity in daily life. High-pressure mercury lamps, which have a mercury vapor pressure of 10 to 30 atmospheres and an arc length of several millimeters, are used as exposure light sources in the manufacture of semiconductors and electronic circuits. Ultra-high-pressure mercury lamps, which have a mercury vapor pressure of 150 atmospheres or more and an arc length of about 1 to 1.5 millimeters, are used as light sources for video projectors. Arc discharge is also used as a heat source and is utilized for melting, welding, cutting, processing, and other purposes.

[Tadatoshi Azuma]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

気体放電のもっとも進展したもので、高温度の陰極から熱電子が放出されることで維持される種類の放電をいう。大気中のアーク放電では放電路が弧状（アーク）になるため、弧光放電または単にアークともいわれる。気体の圧力が高く電流が数アンペア以上と大きい放電はほとんどアーク放電となる。気体の圧力が低く電流が数百ミリアンペアと比較的低い場合でも、陰極が高温になりやすい場合とか、陰極に熱電子放射物質が塗布されている場合（熱電子を放出しやすい）はアーク放電となる。蛍光灯は後者の例である。アーク放電はグロー放電に比べて、陰極での電圧降下が少ない特徴をもつ。すなわち、グロー放電の陰極電圧降下は50ボルト以上、ときには数百ボルトに達するのに対し、アーク放電では20ボルト以下と小さい。また、陰極の温度は、十分な熱電子を供給するために一般に1000℃以上となり、3500℃に達することもある。高圧力気体中でのアーク放電では放電路のガスの温度が非常に高くなり、数万℃に達する場合もある。

［東　忠利］

アーク放電の応用

大気中のアーク放電を応用した炭素アーク灯は、古く照明灯、探照灯、映画映写灯として使われ、現在は主として耐候試験用光源として使われている。水銀の高蒸気圧中のアーク放電を利用した水銀ランプ、ナトリウム蒸気中のアーク放電を利用した低圧および高圧ナトリウムランプ、種々の金属ハロゲン化物中のアーク放電を利用したメタルハライドランプなどは道路、広場、グランド、体育館、工場などの照明光源として使われている。高圧キセノンガス中のアーク放電を利用したキセノンランプは探照灯、映画映写灯として使われる。低圧水銀蒸気中の放電による紫外線を蛍光体により可視光に変換する蛍光ランプ（蛍光灯）は、照明用光源の中心で生活必需品となっている。水銀の蒸気圧が10～30気圧程度で、アーク長が数ミリメートルの高圧水銀ランプは、半導体や電子回路の製造の際の露光用光源として使われている。水銀の蒸気圧を150気圧以上にし、アーク長を1～1.5ミリメートル程度にした超高圧水銀ランプは、映像プロジェクターの光源として使われている。また、アーク放電は加熱源としても使われ、金属の溶融、溶接、切断、加工などにも利用されている。

［東　忠利］