Elektrisk lysbue

En bue skabes ved stødionisering, når den elektriske potentialforskel (= spænding ) og strømtætheden er tilstrækkelig høj . Den Afgangsgassen danner en plasma , hvori partiklerne ( atomer eller molekyler ) er i det mindste delvist ioniseret. Resultatet af de gratis opladningsbærere er, at gassen bliver elektrisk ledende. De fleste plasmaer er næsten neutrale, så antallet af positivt ladede ioner og elektroner er identisk. Da ionerne er meget langsommere sammenlignet med de meget lettere elektroner, er elektronerne ofte næsten udelukkende relevante for transport af elektricitet.

I den elektriske industri under koblingsoperationer, der opstår, er buer som koblingsbue kaldet. Uønskede buer, der ofte resulterer i skader eller ulykker, kaldes buefejl .

Bue mellem to stålspik

historie

Afspil mediefil

Video af en lysbue på en Jacobs stige

Sir Humphry Davy opdagede den korte pulsbue i 1800. I 1801 beskrev han fænomenet i en artikel offentliggjort i Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts af William Nicholson (kemiker) . Så vidt vi ved i dag, beskrev Davys en gnist snarere end en bue. I samme år demonstrerede Davy offentligt effekten foran Royal Society ved at transmittere elektrisk strøm gennem to berørende kulstænger og derefter trække dem lidt fra hinanden. Demonstrationen skabte en “svag” bue mellem trækulpunkter, der ikke let kan skelnes fra en vedvarende gnist. Virksomheden abonnerede på et mere kraftfuldt 1000-plades batteri og så en storstilet bue-demonstration i 1808. Navnet på buen tilskrives ham. Han kaldte det en bue, fordi den har form af en opadgående bue, når afstanden mellem elektroderne ikke er lille. Dette skyldes opdriften på den varme gas.

Den første kontinuerlige lysbue blev opdaget uafhængigt i 1802 og beskrevet i 1803 af Wassili Wladimirowitsch Petrow , en russisk videnskabsmand, der eksperimenterede med en voltaisk søjle på 4.200 diske som en "speciel væske med elektriske egenskaber".

Egenskaber

Bue med 2000 volt jævnstrømsspænding ved 0,7 ampere på to kulelektroder

Bue ved en vekselspænding på 4 kV og en strøm på 4 A.

Karakteristisk for buen er:

• katodefaldet , som er relativt lavt sammenlignet med glødeafladning (i størrelsesorden af ​​exciterings- eller ioniseringspotentialet for de involverede atomer, ca. 10 eV),
• en ( ikke-ohmsk ) strømspændingskarakteristikkurve ( negativ differensmodstand ), der falder i visse områder ,
• en høj strømtæthed i plasmaet sammenlignet med en glødeafladning,
• Gas- og elektrontemperaturer er stærkt koblet. Den lokale termisk ligevægt nås almindeligvis ca. .
• Gastrykket er relativt højt ( p  > 0,1 bar).
• Gastemperaturen er mellem 5.000 K og 50.000 K.

Med kobberkabler kræver buer en minimumsspænding på omkring 12 V og en mindstestrøm på omkring 0,4 A. Ud over højfrekvente bølger udsender de typisk også intens infrarød , synlig og ultraviolet stråling .

Der kræves en spænding på ca. 30 volt for at opretholde dette.

Afhængigt af driftsparametrene kan forskellige processer i høj grad være ansvarlige for emissionen af ​​elektroner fra katodematerialet. En vigtig egenskab er arbejdsfunktionen , for at elektroner kan efterlade de faste stoffer, der er fremstillet. I tilfælde af buer reduceres dette med det eksisterende eksterne felt ( Schottky-effekt eller også Schottky-reduktion). Andre relevante processer i elektronemission kan være følgende:

• Termisk emission (også kendt som termionisk emission, glødende elektrisk effekt, Edison-effekt, Richardson-effekt eller Edison-Richardson-effekt),
• Feltemission : Det eksisterende elektriske felt gør det muligt for elektronerne at tunnel ud af det faste stof gennem kvantemekanisk tunneling.
• Termionisk feltemission: Stærke elektriske felter fører til yderligere effekter, der ikke er dækket af ovenstående punkter.
• Sekundær elektronemission : Når katoden falder, accelereres positive ioner mod katoden. Når de rammer, får de elektroner til at frigives. Meget energiske fotoner (i UV- eller XUV- området) kan også udsendes af ophidsede atomer eller ioner , som frigiver sekundære elektroner fra katoden på grund af den eksterne fotoeffekt .

Nuværende konto

I en elektrisk lysbue opvarmes plasmaet ved kollisioner mellem elektroner, der accelereres i det elektriske felt og de tunge partikler. Varmen transporteres udad gennem varmeledning . Derudover skal emission og absorption af stråling tages i betragtning i effektbalancen. Den løbende konto er:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} h} {\ mathrm {d} t}} = \ sigma \ cdot E ^ {2} + \ operatorname {div} \ kappa \ cdot \ operatorname { grad} Te + a}$

${\ displaystyle h}$: Enthalpy

${\ displaystyle T}$: Temperatur

${\ displaystyle \ rho}$: Densitet

${\ displaystyle \ sigma}$: elektrisk ledningsevne

${\ displaystyle E}$: elektrisk felt

${\ displaystyle \ kappa}$: Varmeledningsevne

${\ displaystyle e}$: udsendt stråling

${\ displaystyle a}$: absorberet stråling

Under hensyntagen til hastigheden af ​​et volumenelement kan ændringen i entalpi skrives som:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} h} {\ mathrm {d} t}} = \ rho \ cdot {\ frac {\ partial h} {\ partial t}} + \ rho \ cdot {\ vec {v}} \ cdot \ operatorname {grad} h}$

Hvis du nu overvejer en lodret arrangeret, stationær, cylindrisk bue, kan effektbalancen repræsenteres mere enkelt. Hvis strømmen (i dette tilfælde den opadgående bevægelse af et volumenelement) og strålingsbetingelserne overses, opnås en effektbalance, der beskriver opvarmningen og den rotationssymmetriske varmeledning udefra:

${\ displaystyle \ sigma \ cdot E ^ {2} = {\ frac {1} {r}} \, {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} r}} \, r \ kappa \ , {\ frac {\ mathrm {d} T} {\ mathrm {d} r}} = 0}$

${\ displaystyle r}$: Cirkelkoordinat

Lysbuens temperaturprofil afhænger af den anvendte gas. Molekylære gasser adskilles i lysbuen . I de radiale områder, hvor dissociationen af ​​molekylerne stiger kraftigt, er gassens varmeledningsevne meget høj, og temperaturgradienten er følgelig også stejlere, end når man bruger ædelgasser med et enkelt atom . Desuden kan adskillelseseffekter (ambipolar diffusion, kataforese ) også forekomme.

Tekniske anvendelser

Pærer

Buer blev først brugt i lysteknologi: lysbuer er de ældste elektriske lyskilder. Davy lavede sandsynligvis sine første observationer i denne henseende allerede i 1802, men offentliggjorde dem først senere (1812). Buerne blev først betjent åbent i luften. Der blev brugt grafitelektroder , som brændte relativt hurtigt ned.

I højtrykskviksølvlamper anvendes argon med et tryk på nogle få millibar og kviksølv. Lampen tændes med en højspændingsimpuls og danner først en glødeafladning . Når temperaturen stiger, fordampes kviksølv, trykket stiger i henhold til kviksølvdamptrykket, og udledningen ændres til en lysbueudledning. De stærke kviksølv linjer dominerer spektret af lysbuen.

Den xenon kort bue lampe bruges i biograf projektorer og kraftfulde forlygter. Xenon har mange optiske overgange i det synlige spektrum. I forbindelse med høje udladningstryk opnås en stærk linieudvidelse , således at der sammen med kontinuumemissionen af ​​de frie elektroner udsendes et ret kontinuerligt spektrum svarende til dagslys. Strålingskilden har en lille rumlig ekspansion og kan derfor let kollimeres med reflektorer og linser .

Derudover er forskellige varianter af buer blevet etableret som strålingsstandarder for visse bølgelængdeområder.

svejsning

Alle slags buer bruges som varmekilde ved buesvejsning såvel som ved fiberoptisk splejsning .

Stålfremstilling

En vigtig anvendelse er den elektriske lysbueovn til fremstilling af stål i elektriske stålværker .

salpetersyre

Før opfindelsen af ​​den meget mere effektive Ostwald-proces (fra 1908) blev salpetersyre produceret ved produktion af nitrogenoxider ved at brænde luft i en lysbue ( Birkeland-Eyde-processen ).

Oprettelse af tynde metallag

En anden anvendelse er produktionen af ​​tynde metallag ved hjælp af lysfordampning ( Arc- PVD ). Her frigives atomer eller molekyler fra et fast materiale (mål) og afsættes på et substrat ved hjælp af den kinetiske energi fra buerne. Denne proces anvendes blandt andet til slidreducerende titaniumnitridbelægninger på skæreværktøjer .

Kemisk analyse

Buen har en klassisk anvendelse i spektralanalyse til bestemmelse af hoved- og sporkomponenter, hovedsageligt af faste stoffer. Det materiale, der skal analyseres, fordampes i en elektrisk lysbue, hvor de tilsvarende spektrallinjer ophidses. Bestemmelsen af ​​de kemiske grundstoffer via deres udsendte linjer og bestemmelsen af ​​deres andel i prøven ved hjælp af emissionens intensitet finder sted i et optisk emissionsspektrometer (OES). Hovedsageligt anvendes jævnstrømbuer med kulstof- eller grafitelektroder .

Kørsel betyder

Buesmotorer bruger en bue til kraftigt at opvarme en trykgas og derved accelerere den fra en dyse ved høj hastighed (> 4 km / s). Buemotorer bruges som motorer på satellitter til at udføre vedligeholdelse af kredsløb og manøvrer om kredsløb . Drivkraften, der kan genereres, er betydeligt lavere end med kemiske forbrændingsmotorer, mens den specifikke impuls er væsentligt bedre, men ikke så høj som med ionmotorer .

Belysningsstøtte

Enheder til generering af en lille bue, enten som en kort puls eller inden for sekunder, bruges til at antænde gasflammer i komfurer eller gaslightere eller direkte som en lighter .

Fremtidige applikationer

Bortskaffelse af affald

Det amerikanske firma Startech driver et pilotanlæg i Bristol , Connecticut , til plasmaforgasning af affald ved hjælp af elektriske buer. To elektroder, der er under høj spænding, stikker ud i det indre af reaktionsbeholderen. Højspændingen omdanner luften imellem til elektrisk ledende plasma. Op til 17.000 grader Celsius nås, og der er stadig 1.700 grader på kammerets vægge. Molekylerne af de indførte stoffer nedbrydes i deres atomer: de uorganiske komponenter i affaldet smelter og samles i bunden af ​​reaktoren. I modsætning hertil fordamper organiske stoffer (f.eks. Plast) til gas. Ud over brint indeholder det hovedsageligt kulilte.

Problemet med processen er det uhyre høje energiforbrug. I den nærmeste fremtid bør det kun være økonomisk ved bortskaffelse af farligt affald.

Arc plasma reaktor

Dette er en proces til produktion af ethyne fra kul.

Processen blev udviklet i 1980 som et fælles projekt mellem Hüls AG ( Marl Chemical Park ) og DMT-firmaet til produktion af acetylen. Før reaktionen skal kulen formales meget fint (partikelstørrelse: 100 um). Ved meget høje temperaturer på 1000-2000 K i lysbuen plasma (katode fremstillet af wolfram doteret med tho ₂ , anode fremstillet af kobber), en blanding af hydrogen og carbonpartikler bringes til at reagere med kort kontakttid (nogle få ms); slukning med vand producerer etin. Kulgennemstrømningen fra pilotanlægget var omkring 350-500 kg / h med en kulkonvertering på 50%, et acetylenudbytte på 20/100 kg kul, en strøm på 1000 A, en spænding på 1250 V. Ud over acetylen ( vægt 25, 0%) har stadig en betydelig andel carbonmonoxid (vægt 19,9%) og hydrogen (vægt 33,6%).

Processen kan være af interesse for produktionen af ​​carbonhydridforbindelser i nærværelse af billig kul og elektricitet i nogle regioner i verden.

Weblinks

Wiktionary: Arc  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

1. ↑ A. Anders: Sporing ned oprindelsen af buen plasma-science-II. tidlige kontinuerlige udledninger . I: IEEE-transaktioner om plasmavidenskab . 31, nr. 5, 2003, s. 1060-9. doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
2. ↑ Hertha Ayrton: Electric Arc (CLASSIC REPRINT) . GLEMTE BØGER, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , s.94 .
3. ^ Den elektriske bue , af Hertha Ayrton, side 20
4. ↑ Matthew Luckiesh: Kunstigt lys, dens indflydelse på civilisationen . I: Natur . 107, nr. 2694, 1920, s. 112. bibcode : 1921Natur.107..486. . doi : 10.1038 / 107486b0 .
5. ^ Humphry Davy: Elements of Chemical Philosophy 1812, ISBN 978-0-217-88947-6 , s.85 .
6. ↑ ^{a b} " Sporing af oprindelsen til lysbue plasma Science-II. Tidlige kontinuerlige udladninger ". af André ANDERS. IEEE Xplore , ieee.org. IEEE-transaktioner på plasmavidenskab . Bind: 31, udgave: 5. oktober 2003.
7. ↑ VP Kartsev: Shea, William R. (red.): Natur matematiseret . Kluwer Academic, Boston, MA 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , s. 279.
8. ^ Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektroteknik til tekniske skoler: Elektriske maskiner med introduktion til kraftelektronik . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [adgang til 8. juli 2016]). 
9. ↑ Manfred Dworschak: Varmt som solen . I: Der Spiegel . Ingen. 16 , 2007, s. 166 ( spiegel.de ). 
10. ↑ Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: Arc plasmareaktor til produktion af acetylen fra kul. I: Chem. -Ing.-Tech. 65, 1993, nr. 3, s. 293-297.