mini|desno|300px|Električni luk između dva čavla. Električni luk je električni proboj plina, koji rezultira u stvaranju plazme i električnoj provodljivosti plina ili zraka, koji su u normalnim uvjetima izolatori. Za električni luk su potrebni manji naponi nego kod recimo “tinjanja” kod tinjalica i katodnih cijevi. Povijesne činjenice mini|desno|300px|Električni luk na tračnicama vlaka. mini|desno|300px|Električni luk između dvije žice. Električni luk je prvi opisao 1802. Vasilij V. Petrov, ruski znanstvenik. Britanac Humphry Davy je pokazivao električni luk, od 1802., provođenjem električne struje kroz dvije ugljične elektrode, koje je primakao vrlo blizu."Arc", The Columbia Encyclopedia, publisher=Columbia University Press, New York, 1963.
Pregled Električni luk se javlja između dvije elektrode (obično volfram ili ugljik), između kojih se nalazi neki plin, pri čemu se stvaraju vrlo visoke temperature. Električni luk je stalno električno pražnjenje elektroda, dok kod trenutog pražnjenja se javlja iskrenje. Električni luk se može stvoriti i kod istosmjerne struje i kod izmjenične električne struje. Kod izmjenične struje ustvari dolazi do pražnjenja svakih pola ciklusa. On se razlikuje od električnog pražnjenja kod tinjalica i katodnih cijevi, zato što je gustoća struje veoma velika, i pad napona na luku je relativno mali. Gustoća struje na katodi može biti do 1 000 000 A po kvadratnom centimetru.A. H. Howatson, An Introduction to Gas Discharges, Pergamon Press, Oxford pgs. 80-95
Električni luk nema linearan odnos između jačine struje i napona. Jednom kada je električni luk uspostavljen (ili s izbijanjem elektrona ili s dodirom elektroda), pojačana jačina struje rezultira smanjenjem napona između elektroda. Budući da vlada negativan otpor, jačina struje postaje sve jača – to znači da u strujnom krugu treba postaviti dodatne otpore (električna impedancija), da bi se održao stabilan električni luk."Principles of Electronics" By V.K. Mehta, pages 101-107
Primjena mini|desno|300px|Električni luk kod elektrolučnog zavarivanja. mini|desno|300px|Temperature kod električnog luka. mini|desno|300px|Uspostavljanje zavarivačkog električnog luka kratkim spajanjem. mini|desno|300px|Zavarivački električni luk. mini|desno|300px|Magnetsko otklanjanje električnog luka zbog induciranog magnetskog polja. mini|desno|300px|Ciklus rada električnog luka. U praksi, električni luk se koristi kod zavarivanja, rezanja plazmom, elektrootpornih strojeva, elektrolučnih svjetiljki kod kino projektora. Elektrolučne peći se koriste kod proizvodnje čelika. Slično koristimo kod dobivanja kalcijevog karbida (CaC2), kod kojeg je potrebna velika količina energije (otprilike 2500 °C), jer je to endotermna reakcija – ona prima energiju izvana, za održanje procesa, a to je obično toplina.
Električni luk se koristi kod niskotlačnih svjetiljki, kao što su fluorescentne svjetiljke, ulične svjetiljke s natrijem ili živom, ili kod bljeskalica za kamere.
Električni luk kod zavarivanja Električni luk, općenito, može se smatrati jednim plinovitim provodnikom električne struje, u kojemu se električna energija pretvara u toplinsku energiju. U slučaju zavarivanja taljenjem, dobivena toplina mora biti dovoljna za omogućavanje lokalnog taljenja osnovnog i, po potrebi, dodatnog metala. Temperature u električnom luku kreću se od 4000 °C do 6000 °C, dok su za plinski plamen u rasponu od 2000 °C do 3500 °C. Temperature kod elektronskog ili laserskog snopa dostižu više stotina tisuća, pa i milijun Celzijevih stupnjeva, što za praksu nema posebno značenje. Danas je električni luk postao jedan izuzetno značajan izvor topline, nešto veće gustoće energije, korišten kod mnogih postupaka zavarivanja taljenjem. Kod toga, električni je luk izvor višestrukog zračenja (npr. ultraljubičasto zračenje), isto tako kao i izvor topline."Zavarivanje I", izv. prof. dr. sc. Duško Pavletić, dipl. ing., Tehnički fakultet Rijeka, 2011.
Kod električnog luka postoje dva različita procesa prenošenja topline. Prvi je toplina koja se prenosi od izvora topline na površinu osnovnog metala tj. na mjesto zavarivanja, a u slučaju električnog luka to je praktički unos energije električnog luka. Drugi je toplina koja se odvodi kroz osnovni metal, od mjesta djelovanja električnog luka prema hladnijim zonama osnovnog metala. Učinkovitost jednoga zavarivačkog izvora topline ovisi o gustoći energije izvora i što slabijoj provodljivosti topline osnovnog metala, a ne toliko o temperaturnim vrijednostima.
S obzirom na vrstu struje zavarivanja razlikujemo: električni luk istosmjerne struje zavarivanja (kada se vrši odabir polariteta i on je za vrijeme zavarivanja nepromijenjen), električni luk izmjenične struje zavarivanja (kada se polaritet mijenja sukladno frekvenciji korištene električne struje), te pulsirajući električni luk (kada se sustavno mijenja jakost struje zavarivanja). "Termini i definicije kod zavarivanja", Dr.sc. Ivan Samardžić, izv. prof., Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, 2012.
Ionizacija prostora električnog luka S obzirom na to da se u slučaju zavarivačkog električnog luka, izbijanje naboja zbiva u jednom ograničenom, slabo električno provodljivom zračnom prostoru, između vrha elektrode i površine zavarivanog metala, taj se prostor mora ionizirati i učiniti provodljivim za električnu struju. Plinovi mogu postati električno provodljivi samo kada uključuju električno nabijene čestice, odnosno kada postoji jedna dovoljno ionizirana smjesa plinova i para. Ionizacija zračnog prostora može se postići na nekoliko načina: sudaranjem čestica, djelovanjem topline ili djelovanjem svjetlosti (fotoionizacija).
Djelovanjem napona na slobodne elektrone dolazi do velikog broja sudara s ostalim atomima u tom prostoru, te do izbijanja elektrona iz vanjskih ljuski atoma i dodatnog pojačavanja ukupnog strujanja elektrona. Atomi, koji su prilikom sudara izgubili dio svojih elektrona, postaju pozitivno nabijene čestice ili ioni. Neutralni atomi, od kojih sudarima nastaju ioni, mogu se u prostor električnog luka unijeti izgaranjem obloge elektrode ili zaštitnog praška, te dovođenjem zaštitnog plina.
Da bi došlo do ionizacije, potrebno je utrošiti određenu količinu energije. Ta se energija naziva izlaznom energijom ili potencijalom ionizacije, a ovisi o građi samih atoma i različita je za svaki pojedini kemijski element. Potencijal ionizacije predstavlja odnos potrebnog rada, izraženog u džulima (J), za izbijanje jednog elektrona iz atoma neke tvari i, s druge strane, samog naboja tog elektrona, u Kulonima (C). Prvi potencijal ionizacije odgovara izbijanju elektrona iz vanjske ljuske atoma i, stoga, slabiji je od ostalih veza s jezgrom atoma. Izbijanje sljedećih elektrona, koji su bliže jezgri atoma i jače su s njom vezani, zahtijeva veću količinu rada. Najniži potencijal ionizacije imaju pare cezija (3,86 V), kalija (4,32 V) i natrija (5,12 V), zatim barij (5,19 V), berilij (5,21 V), litij (5,37 V), i drugi. Dodavanjem tih elemenata u oblogu elektrode ili u prašak za zavarivanje, pojačava se ionizacija prostora, a s time poboljšava i stabilnost električnog luka.
Razina dostignute ioniziranosti nekog prostora okarakterizirana je stupnjom ionizacije, tj. odnosom broja električno nabijenih čestica prema ukupnom broju čestica koje se mogu ionizirati u odredenom prostoru. Ioniziranost raste u ovisnosti od temperature, a kod potpune ioniziranosti taj se stupanj ionizacije označava indeksom 1,0 ili 100%.
Uspostavljanje električnog luka Postoje tri osnovna načina uspostavljanja zavarivačkog električnog luka i to: kratkim spajanjem, visokonaponskim impulsima, te pomoćnim električnim lukom. Na mjestima trenutačno najmanjeg otpora nastaju aktivne mrlje, koje predstavljaju mjesta najjačeg zagrijanja, odnosno taljenja na vrhu metalne jezgre elektrode. Istodobno, na površini zavarivanog metala, na mjestu djelovanja električnog luka, pojavit će se krater djelomično ispunjen nastalom talinom. Duljina električnog luka približno je jednaka 0,7 do 1,0 promjera elektrode odnosno, najčešće, od 3 do 5 mm. Napon struje u električnom luku naraste do vrijednosti koja odgovara dužini uspostavljenog električnog luka, a kreće se u rasponu od 14 do 26 V.
Korištenje visokonaponskih impulsa za uspostavljanje električnog luka najčešće je kod zavarivanja TIG postupkom. Zbog zaštite zavarivača od visokog napona, takvi su impulsi vrlo visoke frekvencije i odmah nakon uspostavljanja električnog luka, isključuje se njihov izvor.
Kod pojedinih se postupaka zavarivanja, koristi jedan pomoćni električni luk između vrha netaljive elektrode, uobičajeno katode i metalne sapnice uređaja kao anode. Zavarivački se električni luk, u tom slučaju, uspostavlja približavanjem vrha elektrode površini zavarivanog metala, pri čemu se inicijalni električni luk sa sapnice uređaja prenosi u prostor između vrha elektrode i samog mjesta zavarivanja na površini metala.
Električni luk istosmjerne struje Električni luk istosmjerne struje ostvaruje se priključivanjem elektrode i zavarivanog metala na jedan izvor istosmjerne struje zavarivanja, npr. ispravljač, ali je potrebo odabrati odgovarajući polaritet: direktni ili izravni polaritet: elektroda na negativan tj. (-) priključak (katoda) i zavarivani metal na pozitivan tj. (+) priključak (anoda), obrnuti polaritet: zavarivani metal na negativan tj. (-) priključak (katoda) i elektroda na pozitivan tj. (+) priključak (anoda),
Tijekom zavarivanja anoda se uvijek više zagrijava od katode. Stoga se obrnuti polaritet redovito koristi kod zavarivanja metala koji su osjetljivi na količinu unesene topline, npr. nehrđajući čelik, visokougljični čelik, sivi lijev, i dr.
Električni luk izmjenične struje Električni luk izmjenične struje ostvaruje se priključivanjem elektrode i zavarivanog metala na jedan izvor izmjenične struje zavarivanja, npr. transformator. Kod zavarivanja izmjeničnom strujom, napon i jakost struje ciklički mijenjaju svoje vrijednosti i polaritet, a u jednom je trenutku vrijednost jednaka nuli. Za ponovno uspostavljanje električnog luka, potreban je viši napon od onoga potrebnog za održavanje luka, a taj se viši napon naziva impulsom ponovnog uspostavljanja električnog luka.
Magnetsko otklanjanje električnog luka Utjecaj magnetizma na električni luk može tijekom zavarivanja stvarati određene poteškoće, i to: otklanjanje električnog luka od željenog smjera, rubovi zavarivanih dijelova se ne tale jednako, ne protaljuje se dovoljno korijen i općenito, znatno otežava izvodenje postupka zavarivanja. Utjecaj magnetskog polja na električni luk određen je Lorentzovom silom, koja je proporcionalna jakosti struje, pri čemu se električni luk ponaša kao jedan fleksibilan provodnik. Magnetsko se polje prstenasto zatvara oko svakog provodnika kroz kojeg teče električna struja, pa isto tako i oko zavarivačkog električnog luka. Zbog razlika u gustoći magnetskog polja dolazi do otklanjanja ili tzv. puhanja električnog luka. Magnetske su silnice zbijenije na unutrašnjoj strani zakrivljenja toka struje, a više su razrijeđene s vanjske strane zakrivljenja toka. Otklanjanje električnog luka je suprotno od mjesta priključka zavarivanog metala, dok je veličina otklona proporcionalna jakosti samog polja.