Вольтова дуга. — Если к полюсам сильной электрической батареи или другого источника электрического тока проволоками присоединить две угольные палочки и, приведя угли в соприкосновение, слегка раздвинуть их, то между концами углей образуется овальная масса яркого пламени, а самые концы углей накаливаются добела и испускают ослепительный голубоватый свет. Получается так называемая вольтова дуга. Сущность этого явления объясняется следующим образом. При раздвигании углей в момент разрыва цепи в ней от самоиндукции ее частей получается экстраток того же направления, как и ток от батареи. Этот суммарный ток обладает такой электровозбудительной силой, что пробивает малое расстояние между концами углей в начале их раздвигания и обращает небольшое количество угля в пары, которые, хотя и плохо, но проводят электричество и таким образом цепь с углями, раздвинутыми во время прохождения тока, не прерывается. Благодаря плохой проводимости, эти пары быстро накаляются и накаляют воздух на пути тока, а газы и пары или плохо, или вовсе не проводящие электричества при обыкновенных температурах, становятся посредственными проводниками при температурах высоких. Это свойство позволяет раздвигать угли на довольно значительное расстояние, после образования дуги, не разрывая цепи. Если вместо угольных электродов брать металлические, то при тех же условиях происходит то же самое явление В. дуги, только свет получается не столь яркий, как при употреблении углей, вследствие того, что металлы испаряются легче, чем уголь, и все явление происходит при более низких температурах; цвет дуги также зависит от вещества электродов: медные дают зеленую дугу, железные — красную и ртутные — белую. Прибавлением металлов в уголь можно несколько менять окраску дуги.
Угольные электроды вольтовой дуги принимают особую характерную форму. Анод — положительный электрод, т. е. тот, который соединен с положительным полюсом батареи и из которого ток направляется в дугу и затем в катод (отрицательный), вследствие испарения, а также сгорания, если дуга не разобщена с воздухом, а также вследствие переноса частиц угля на катод, образует на конце выемку вроде чашки, а катод принимает заостренную форму. Приготовление электродов из разных сортов угля или из угля и металлов позволило обнаружить этот перенос частиц с анода на катод, а также, хотя и в меньшем количестве, обратный перенос с катода на анод. При вертикальном расположении углей, с анодом наверху, сила тяжести способствует этому переносу частиц с анода на катод и потому это положение дуги наилучшее. Пары угля разбрасываются от электродов во все стороны, и если дуга заключена в стеклянный сосуд, то легко заметить, что стенки его покрываются налетом угольной пыли, в которую обращаются угольные пары при охлаждении. Вследствие разбрасывания в стороны паров угля и горения, если дуга не защищена от доступа воздуха, угли постепенно расходуются и анод почти вдвое больше катода. Яркое свечение вольтовой дуги обуславливается весьма высокой ее температурой, доходящей, по измерениям Розетти, до 4800° Ц. В ней плавятся даже такие тугоплавкие тела, как кремень и алмаз, и легко обращаются в пары золото и платина. Металлические электроды сами плавятся. Посторонние примеси к углю понижают и температуру, и яркость. Температура дуги выше температуры углей; однако, концы углей испускают гораздо больше света, чем сама дуга, так как лучеиспускательная способность у твердых тел больше, чем у газов. Наибольшей яркостью обладает выемка анода. Как у всякого раскаленного тела, спектр углей сплошной (непрерывный) и с богатым содержанием ультрафиолетовых, химических, большой преломляемости лучей. В спектре дуги получаются линии углерода и металлов, попадающих примесью в угольные электроды.
Разность потенциалов углей для поддержания В. дуги может быть выражена линейной формулой относительно длины дуги e=a+bl, где b — некоторая постоянная величина, от 3 до 5 вольт, l — длина дуги в миллиметрах, так что bl представляет величину падения потенциала вдоль дуги. По объяснению Эдлунда и многих других a есть величина гальванической поляризации дуги, т. е. величина новой электровозбудительной силы, противоположной по направлению первоначальной. Уппенборн нашел поляризацию анода и дуги равною 32,5, дуги и катода 5,5 и всего а=38 вольт. Для получения и поддержания В. дуги достаточной силы необходимо иметь в распоряжении электровозбудительную силу в 40—50 вольт при силе тока не менее 5—10 ампер. Допускают и другие причины явления, не подтверждающие объяснения Эдлунда, а именно: принимают особое сопротивление при переходе тока из углей в пары и обратно. В настоящее время для питания Вольтовой дуги током употребляются исключительно динамо-машины и аккумуляторы. Вольтова дуга может получаться и при непрерывном изменении знака разности потенциалов между углями, т. е. от действия динамо-машины, дающей переменный ток. В этом случае, понятно, тот и другой стержень попеременно делаются положительным и отрицательным. Необходимая разность потенциалов в этом случае меньше, чем при употреблении тока постоянного направления. На практике, для электрического освещения, употребляются для образования вольтовой дуги стержни из кокса, получающегося в ретортах после добывания светильного газа из каменного угля, или же в настоящее время по преимуществу употребляются искусственные стержни, приготовляемые прессованием порошка костяного угля, графита или сажи вместе с другими, связывающими массу веществами. Подобные искусственные угли получаются более однородные и дают лучший свет. Для обыкновенных целей освещения употребляются положительные (анод) стержни диаметром от 8 до 18 мм. Отрицательные (катод) стержни берутся тоньше. Положительный стержень располагается вверху, отрицательный внизу — для того, чтобы можно было удобнее пользоваться лучами света, исходящими из углубления в положительном угле. Длина дуги, т. е. расстояние между углями, поддерживаемое постоянным действием особых механизмов в лампах (см. Лампы электрические и Регуляторы), обыкновенно не превышает 5 мм. Сила тока, проходящего через В. дугу, изменяется в зависимости от диаметра стержней. Для положительных стержней от 8 до 12 мм диаметром она колеблется между 4 и 25 амперами. Обыкновенные уличные лампы, в которых толщина положительного стержня около 10 мм, требуют 8 ампер и 42 вольт разности потенциалов. Для маяков и военных целей употребляются стержни более толстые; в этом случае и длина дуги берется большая и, следовательно, требуется большая разность потенциалов.
В металлургии в недавнее время воспользовались высокой температурой В. дуги для плавки металлов с целью сварки отдельных частей, паяния, заливания трещин и раковин, отливки и приготовления сплавов (см. Паяние электрическое). Как сильный источник света, весьма богатый химическими лучами большой преломляемости, вольтова дуга служит весьма ценным средством во многих научных работах. Этот самый могущественный из всех искусственных источников света и тепла обладает еще и живительной силой. Опыты В. Сименса показали, что электрический свет способствует всхожести и образованию хлорофилла в листьях растений и таким образом до некоторой степени заменяет для них солнце.
Мнение, распространенное в научной литературе, приписывает честь открытия Вольтовой дуги сэру Гумфри Дэви и относит это событие к 1809 году. В русской литературе существует очень редкое и мало кому известное сочинение под заглавием: «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков». Автор его, первый преподаватель физики в военно-медицинской академии, впоследствии заслуженный ординарный профессор и академик Василий Владимирович Петров, подробно описывает свой опыт, произведенный в 1802 г. Соединив с полюсами своего вольтова столба куски древесного угля, он наблюдал В. дугу до 7 миллиметров длиной в виде яркого, ослепительного белого огня с расходящимися лучами.