Sähkökaari

Kaari on luotu , jonka iskuionisaatiolle kun sähköisen potentiaalieron (= jännite ) ja virrantiheys ovat riittävän korkea . Kaasupurkauslamppujen muodostaa plasmaa , jossa hiukkaset ( atomit tai molekyylit ) ovat ainakin osittain ionisoitu. Vapaiden latauskantajien tulos on, että kaasusta tulee sähköä johtavaa. Useimmat plasmat ovat lähes neutraaleja, joten positiivisesti varautuneiden ionien ja elektronien määrä on identtinen. Koska ionit ovat paljon hitaampia verrattuna paljon kevyempiin elektroneihin, elektronilla on usein merkitystä vain sähkönsiirron kannalta.

Kun sähköteho alan kytkemisen aikana tapahtuvat toiminnot kaaret ovat kytkentä kaaren kutsutaan. Ei-toivotut kaaret, jotka johtavat usein vaurioihin tai onnettomuuksiin, tunnetaan kaarevikoina .

Kaari kahden teräsnaulan välissä

historia

Toista mediatiedosto

Video sähkökaaresta Jaakobin tikkailla

Sir Humphry Davy löysi lyhyen pulssikaaren vuonna 1800. Vuonna 1801 hän kuvaili ilmiötä artikkelissa julkaistu Journal of Natural Philosophy, kemian ja Arts jonka William Nicholson (kemisti) . Sikäli kuin tiedämme tänään, Davys kuvasi pikemminkin kipinää kuin kaarta. Samana vuonna Davy osoitti julkisesti vaikutuksen Royal Societyn edessä lähettämällä sähkövirtaa kahden koskettavan hiilivarren läpi ja vetämällä sitten niitä erilleen. Demonstraatio loi "heikon" kaaren hiilipisteiden välille, jota ei voida helposti erottaa jatkuvasta kipinästä. Yritys tilasi tehokkaamman 1000-levyisen akun ja näki laajamittaisen kaarimielenosoituksen vuonna 1808. Kaaren nimi on annettu hänelle. Hän kutsui sitä kaareksi, koska se muodostaa ylöspäin kaaren muodon, kun elektrodien välinen etäisyys ei ole pieni. Tämä johtuu kuuman kaasun kelluvuudesta.

Ensimmäinen jatkuva kaari löydettiin itsenäisesti 1802 ja kuvattu 1803 Wassili Wladimirowitsch Petrow , venäläinen tutkija, joka kokeillut kanssa voltaic sarake 4200 levyjä, kuten ”erityinen neste sähköiset ominaisuudet”.

Ominaisuudet

Valokaari 2000 voltin tasajännitteellä 0,7 ampeeria kahdella hiilielektrodilla

Valokaari 4 kV: n vaihtovirralla ja 4 A.

Kaarelle on tunnusomaista:

• katodipisara , joka on suhteellisen pieni verrattuna hehkupurkaukseen (mukana olevien atomien viritys- tai ionisointipotentiaalin suuruusluokassa, noin 10 eV),
• ( ei-ohminen ) virta-jännite-ominaiskäyrä ( negatiivinen differentiaalivastus ), joka putoaa tietyille alueille ,
• suuri virtatiheys plasmassa verrattuna hehkutuspurkaukseen,
• Kaasun ja elektronin lämpötilat ovat kytkeytyneet voimakkaasti. Paikallinen terminen tasapaino saavutetaan yleensä noin .
• Kaasupaineet ovat suhteellisen korkeita ( p  > 0,1 bar).
• Kaasun lämpötila on välillä 5000 K - 50 000 K.

Kupari kaapelit, kaaria vaativat vähintään jännite noin 12 V ja vähintään nykyinen noin 0,4 A. Sen lisäksi, että korkean taajuuden aallot, ne myös emittoivat tyypillisesti voimakas infrapuna- , näkyvän ja UV- säteily .

Tämän ylläpitämiseksi tarvitaan noin 30 voltin jännite.

Toimintaparametreista riippuen erilaiset prosessit voivat olla suurelta osin vastuussa elektronipäästöistä katodimateriaalista. Tärkeä ominaisuus on työtoiminto , jotta elektronit voivat jättää tehdyt kiinteät aineet. Kaarien tapauksessa tämä vähenee olemassa olevalla ulkoisella kentällä ( Schottky-ilmiö tai myös Schottky-pelkistys). Muut merkitykselliset prosessit elektronien emissiossa voivat olla seuraavat:

• Lämpöemissio (tunnetaan myös nimellä termioninen emissio, hehkuva sähkövaikutus, Edison-vaikutus, Richardsonin vaikutus tai Edison-Richardsonin vaikutus),
• Kenttäemissio : Olemassa oleva sähkökenttä antaa elektronien tunneloitua kiinteästä aineesta kvanttimekaanisen tunneloinnin avulla.
• Termionikenttäemissio: Voimakkaat sähkökentät johtavat muihin vaikutuksiin, joita yllä olevat kohdat eivät kata.
• Toissijainen elektroniemissio : Kun katodi putoaa, positiiviset ionit kiihtyvät kohti katodia. Kun ne osuvat, ne aiheuttavat elektronien vapautumisen. Erittäin energisiä fotoneja ( UV- tai XUV- alueella) voivat myös lähettää viritetyt atomit tai ionit , jotka vapauttavat katodista toissijaisia ​​elektroneja ulkoisen valokuvaefektin vuoksi .

Nykyinen tili

Sähkökaaressa plasma kuumenee sähkökentässä kiihdytettyjen elektronien ja raskaiden hiukkasten törmäyksillä . Lämpö siirtyy ulkopuolelle lämmönjohtamisen kautta . Lisäksi säteilyn päästöt ja absorptio on otettava huomioon tehotasapainossa. Vaihtotili on:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} h} {\ mathrm {d} t}} = \ sigma \ cdot E ^ {2} + \ operaattorin nimi {div} \ kappa \ cdot \ operaattorinimi { tutkinto} Te + a}$

${\ displaystyle h}$: Entalpia

${\ displaystyle T}$: Lämpötila

${\ displaystyle \ rho}$: Tiheys

${\ displaystyle \ sigma}$: sähkönjohtavuus

${\ displaystyle E}$: sähkökenttä

${\ displaystyle \ kappa}$: Lämmönjohtavuus

${\ displaystyle e}$: säteily

${\ displaystyle a}$: absorboitu säteily

Kun otetaan huomioon tilavuuselementin nopeus, entalpian muutos voidaan kirjoittaa seuraavasti:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} h} {\ mathrm {d} t}} = \ rho \ cdot {\ frac {\ partituali} {\ osittainen t}} + \ rho \ cdot {\ vec {v}} \ cdot \ operaattorin nimi {grad} h}$

Jos tarkastellaan nyt pystysuunnassa järjestettyä, paikallaan olevaa, sylinterimäistä kaarta, tehotasapaino voidaan esittää yksinkertaisemmin. Jos virtaus (tässä tapauksessa tilavuuselementin ylöspäin suuntautuva liike) ja säteilyehdot jätetään huomiotta, saadaan tehotasapaino, joka kuvaa lämmitystä ja pyörimissymmetristä lämmön johtumista ulkopuolelle:

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

${\ displaystyle r}$: Ympyräkoordinaatti

Kaaren lämpötilaprofiili riippuu käytetystä kaasusta. Molekyylikaasut hajoavat valokaaressa . Säteittäisillä alueilla, joilla molekyylien dissosiaatio kasvaa voimakkaasti, kaasun lämmönjohtavuus on erittäin korkea ja vastaavasti lämpötilagradientti on myös jyrkempi kuin käytettäessä yhden atomin jalokaasuja . Lisäksi voi esiintyä myös erotteluvaikutuksia (ambipolaarinen diffuusio, kataforeesi ).

Tekniset sovellukset

Lamput

Kaaria käytettiin ensimmäisen kerran valotekniikassa: kaarilamput ovat vanhimpia sähköisiä valonlähteitä. Davy teki todennäköisesti ensimmäiset havaintonsa tältä osin jo vuonna 1802, mutta julkaisi ne vasta myöhemmin (1812). Kaaria käytettiin ensin avoimesti ilmassa. Käytössä oli grafiittielektrodeja , jotka palivat suhteellisen nopeasti.

In korkean paineen elohopealamput , argonia , jonka paine on muutaman millibaarin ja elohopeaa käytetään. Lamppu syttyy suurjännitepulssilla ja muodostaa ensin hehkupurkauksen . Lämpötilan noustessa elohopea haihtuu, paine kasvaa elohopeahöyrynpaineen mukaan ja purkautuminen muuttuu kaaripurkaukseksi. Vahva elohopea linjat hallitsevat spektri kaaren.

Xenon lyhyen kaarilamppuun käytetään elokuvaprojektorit ja voimakas ajovalot. Ksenonilla on monia optisia siirtymiä näkyvässä spektrissä. Suurten puristuspaineiden yhteydessä saavutetaan voimakas linjan laajeneminen siten, että yhdessä vapaiden elektronien jatkuvan emissioiden kanssa lähetetään melko jatkuva spektri, joka on samanlainen kuin päivänvalo. Säteilylähteellä on pieni spatiaalinen laajeneminen, joten se voidaan helposti kollimoida heijastimien ja linssien kanssa .

Lisäksi eri kaarimuunnokset on määritetty säteilystandardeiksi tietyille aallonpituusalueille.

hitsaus

Kaikentyyppisiä kaaria käytetään lämmönlähteenä kaarihitsauksessa samoin kuin kuituoptisissa liitoksissa .

Teräksen teko

Tärkeä sovellus on valokaariuuni teräksen valmistamiseksi sähköisessä terästehtaassa .

typpihappo

Ennen paljon tehokkaamman Ostwald-prosessin keksimistä (vuodesta 1908) typpihappoa tuotettiin tuottamalla typpioksideja polttamalla ilmaa sähkökaaressa ( Birkeland-Eyde-prosessi ).

Ohuiden metallikerrosten muodostuminen

Toinen sovellus on ohuiden metallikerrosten valmistus valokaarihaihdutuksella ( Arc- PVD ). Tässä valokaaren elektronien kineettisen energian avulla atomit tai molekyylit vapautuvat kiinteästä materiaalista (kohde) ja kerrostuvat substraatille. Tämä prosessi on käytetty muun muassa sillä kulutusta vähentää titaaninitridikalvosta pinnoitteiden päälle leikkurit .

Kemiallinen analyysi

Kaarella on klassinen sovellus spektrianalyysissä pää- ja hivenaineiden, pääasiassa kiintoaineiden, määrittämiseen. Analysoitava materiaali höyrystetään sähkökaaressa, vastaavia spektriviivoja viritettäessä. Kemiallisten alkuaineiden määrittäminen niiden lähettämien viivojen kautta ja niiden osuuden määritys näytteessä emissiovoimakkuuden avulla tapahtuu optisessa emissiospektrometrissä (OES). Käytetään pääasiassa tasavirta-kaaria, joissa on hiili- tai grafiittielektrodeja .

Drive tarkoittaa

Valokaarimoottorit käyttävät kaaren avulla voimakkaasti painekaasua ja kiihdyttävät sitä siten suuttimesta suurella nopeudella (> 4 km / s). Arc moottoreita käytetään moottoreita satelliittien ja suorittaa kiertoradalla huolto- ja kiertoradalla muutos sotaharjoitukset. Työntövoima voidaan syntyy merkittävästi alentaa kuin kemiallinen polttomoottorit, kun impulssin on huomattavasti parempi, mutta ei niin korkea kuin ioni moottoreita .

Valaistusapu

Laitteita pienen kaaren muodostamiseksi joko lyhyenä pulssina tai sekunttialueella käytetään kaasuliekkien sytyttämiseen uunissa tai kaasusytyttimissä tai suoraan sytyttimenä .

Tulevat sovellukset

Jätteiden hävittäminen

Yhdysvaltalaisen Startech toimii koelaitoksessa vuonna Bristol , Connecticut , että plasmakaasutusta jätteen avulla valokaaria. Kaksi suurjännitteistä elektrodia työntyy reaktioastian sisälle. Korkea jännite muuntaa välissä olevan ilman sähköä johtavaksi plasmaksi. Saavutetaan jopa 17000 astetta, ja kammion seinillä on edelleen 1700 astetta. Lisättyjen aineiden molekyylit hajoavat atomeikseen: jätteen epäorgaaniset komponentit sulavat ja kerääntyvät reaktorin pohjaan. Sen sijaan orgaaniset aineet (esim. Muovit) haihtuvat kaasuksi. Vedyn lisäksi se sisältää pääasiassa hiilimonoksidia.

Prosessin ongelmana on kohtuuttoman korkea energiankulutus. Lähitulevaisuudessa sen pitäisi olla taloudellista vain vaarallisten jätteiden hävittämisessä.

Kaariplasmareaktori

Tämä on prosessi etyiinin tuottamiseksi hiilestä.

Prosessi kehitettiin vuonna 1980 Hüls AG: n ( Marl Chemical Park ) ja DMT-yrityksen yhteishankkeena asetyleenin tuotantoon. Ennen reaktiota hiili on jauhettava hyvin hienoksi (hiukkaskoko: 100 μm). Hyvin korkeissa lämpötiloissa 1000–2000 K valokaariplasmassa (katodi, joka on valmistettu volframista, johon on seostettu ThO _{2: ta} , anodi on valmistettu kuparista), vedyn ja hiilen hiukkasten seoksen annetaan reagoida lyhyiden kosketusaikojen kanssa (muutama ms); vedellä sammuttaminen tuottaa etiiniä. Koelaitoksen kivihiilen läpäisykyky oli noin 350-500 kg / h, hiilen konversiolla 50%, asetyleenituotolla 20/100 kg kivihiiltä, ​​virralla 1000 A, jännitteellä 1250 V. Asetyleenin ( paino 25, 0%) on edelleen huomattava osuus hiilimonoksidia (paino 19,9%) ja vetyä (paino 33,6%).

Prosessi voi olla kiinnostava hiilivetyyhdisteiden tuotannossa halvan hiilen ja sähkön läsnä ollessa joillakin maailman alueilla.

nettilinkit

Wikisanakirja: Arc  - merkitysten selitykset, sanan alkuperät, synonyymit, käännökset

Yksittäiset todisteet

1. ↑ A. Anders: jäljittää alkuperä plasmakaarijärjestelmän tieteeseen II. varhaiset jatkuvat päästöt . Julkaisussa: IEEE Transactions on Plasma Science . 31, nro 5, 2003, s. 1060-9. doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
2. ↑ Hertha Ayrton: Sähkökaari (CLASSIC REPRINT) . Unohdetut kirjat, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , s.94 .
3. ^ Sähkökaari , kirjoittanut Hertha Ayrton, sivu 20
4. ↑ Matthew Luckiesh: Keinotekoinen valo, sen vaikutus sivilisaatioon . Julkaisussa: Nature . 107, nro 2694, 1920, s. 112. raamatuntunnus : 1921Natur.107..486. . doi : 10.1038 / 107486b0 .
5. ^ Humphry Davy: Kemiallisen filosofian elementit 1812, ISBN 978-0-217-88947-6 , s.85 .
6. ↑ ^{a b} " Kaariplasman Science-II: n alkuperän jäljittäminen. Varhaiset jatkuvat purkaukset ". kirjoittanut André ANDERS. IEEE Xplore , ieee.org. IEEE-transaktiot plasmatieteessä . Numero: 31, numero: 5, lokakuu 2003.
7. ↑ VP Kartsev: Shea, William R. (toim.): Luonto matematisoitu . Kluwer Academic, Boston, MA 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , s.279 .
8. ^ Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Sähkötekniikka teknillisille kouluille: Sähkökoneet johdolla tehoelektroniikkaan . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [käytetty 8. heinäkuuta 2016]). 
9. ↑ Manfred Dworschak: Kuuma kuin aurinko . Julkaisussa: Der Spiegel . Ei. 16 , 2007, s. 166 ( spiegel.de ). 
10. ↑ Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: Kaariplasmareaktori asetyleenin tuottamiseksi kivihiilestä. Julkaisussa: Chem. -Ing.-Tech. 65, 1993, nro 3, s. 293-297.