Электрическая дуга
Дуга создается с помощью ударной ионизации , когда разность электрических потенциалов (= напряжение ) и плотность тока являются достаточно высока . Газоразрядной образует плазму , в котором частицы ( атомы или молекулы ) являются по меньшей мере частично ионизируется. В результате свободных носителей заряда газ становится электропроводным. Большинство плазмы квазинейтральны, поэтому количество положительно заряженных ионов и электронов одинаково. Поскольку ионы намного медленнее по сравнению с гораздо более легкими электронами, электроны часто почти исключительно важны для переноса электричества.
В электроэнергетике во время коммутационных операций возникающие дуги называются коммутационной дугой . Нежелательные дуги, которые часто приводят к повреждению или несчастным случаям, известны как дуговые замыкания .
история
Сэр Хэмфри Дэви открыл дугу с коротким импульсом в 1800 году. В 1801 году он описал явление в статье , опубликованной в журнале естественной философии, химии и искусств по Уильяма Николсона (химик) . Насколько нам известно сегодня, Дэвис описал искру, а не дугу. В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом, пропустив электрический ток через два соприкасающихся углеродных стержня, а затем немного их разомкнув. Демонстрация создала «слабую» дугу между углями, которую трудно отличить от постоянной искры. Компания приобрела более мощную батарею на 1000 пластин и в 1808 году увидела масштабную демонстрацию дуги. Ему приписывают название арки. Он назвал это дугой, потому что она принимает форму восходящей дуги, когда расстояние между электродами невелико. Это связано с плавучестью горячего газа.
Первая непрерывная дуга была открыта независимо в 1802 году и описана в 1803 году Василием Владимировичем Петровым , русским ученым, который экспериментировал с гальваническим столбом из 4200 дисков как «особой жидкостью с электрическими свойствами».
Характеристики
Характерными чертами дуги являются:
- катодное падение, которое относительно мало по сравнению с тлеющим разрядом (по порядку величины потенциала возбуждения или ионизации задействованных атомов, около 10 эВ),
- ( неомическая ) кривая вольт-амперной характеристики ( отрицательное дифференциальное сопротивление ), которая попадает в определенные области ,
- высокая плотность тока в плазме по сравнению с тлеющим разрядом,
- Температура газа и электронов сильно связаны. Локальное тепловое равновесие обычно достигается приблизительно .
- Давление газа относительно высокое ( p > 0,1 бар).
- Температура газа составляет от 5000 до 50000 К.
Для медных кабелей дуги требуют минимального напряжения около 12 В и минимального тока около 0,4 А. Помимо высокочастотных волн, они также обычно излучают интенсивное инфракрасное , видимое и ультрафиолетовое излучение .
Для этого требуется напряжение около 30 вольт.
В зависимости от рабочих параметров, за эмиссию электронов из катодного материала могут в значительной степени отвечать различные процессы. Важной характеристикой является работа выхода , так как электроны могут покинуть твердые тела, которые образуются. В случае дуг это уменьшается существующим внешним полем ( эффект Шоттки или также редукция Шоттки). Другими важными процессами электронной эмиссии могут быть следующие:
- Тепловая эмиссия (также известная как термоэлектронная эмиссия, светящийся электрический эффект, эффект Эдисона, эффект Ричардсона или эффект Эдисона-Ричардсона),
- Автоэлектронная эмиссия : существующее электрическое поле позволяет электронам туннелировать из твердого тела посредством квантово-механического туннелирования.
- Термоэмиссионная автоэлектронная эмиссия: сильные электрические поля приводят к дополнительным эффектам, не описанным выше.
- Вторичная электронная эмиссия : когда катод падает, положительные ионы ускоряются по направлению к катоду. Когда они ударяются, они вызывают высвобождение электронов. Фотоны с высокой энергией (в УФ- или XUV- диапазоне) также могут испускаться возбужденными атомами или ионами , которые высвобождают вторичные электроны с катода из-за внешнего фотоэффекта .
Текущий аккаунт
В электрической дуге плазма нагревается за счет столкновений электронов, ускоренных в электрическом поле, с тяжелыми частицами. Тепло отводится наружу за счет теплопроводности . Кроме того, в балансе мощности необходимо учитывать излучение и поглощение излучения. Текущий счет:
С учетом скорости элемента объема изменение энтальпии можно записать как:
Если теперь вы рассмотрите вертикально расположенную стационарную цилиндрическую дугу, баланс мощности можно представить более просто. Если пренебречь потоком (в данном случае движением элемента объема вверх) и параметрами излучения, получается баланс мощности, который описывает нагрев и осесимметричную теплопроводность наружу:
Температурный профиль дуги зависит от используемого газа. Молекулярные газы диссоциируют в дуге . В радиальных областях, в которых диссоциация молекул резко увеличивается, теплопроводность газа очень высока и, соответственно, градиент температуры также более крутой, чем при использовании одноатомных благородных газов . Кроме того, также могут возникать эффекты сегрегации (амбиполярная диффузия, катафорез ).
Технические приложения
Луковицы
Впервые дуги начали применять в светотехнике: дуговые лампы - самые старые источники электрического света. Дэви, вероятно, сделал свои первые наблюдения в этом отношении еще в 1802 году, но опубликовал их только позже (1812 год). Впервые дуги эксплуатировались открыто в воздухе. Были графитовые электроды , используемые, которые сгоревшие относительно быстро.
В ртутных лампах высокого давления используются аргон с давлением в несколько миллибар и ртуть. Лампа зажигается импульсом высокого напряжения и сначала образует тлеющий разряд . При повышении температуры ртуть испаряется, давление увеличивается в соответствии с давлением паров ртути, и разряд переходит в дуговый разряд. В сильных ртутных линиях доминируют спектр дуги.
Ксенон короткой дугой используется лампа в кинопроекторов и мощными фарами. Ксенон имеет множество оптических переходов в видимой области спектра. В связи с высокими давлениями разряда достигается сильное уширение линии , так что вместе с непрерывной эмиссией свободных электронов излучается довольно непрерывный спектр, подобный дневному свету. Источник излучения имеет небольшое пространственное расширение, поэтому его легко коллимировать с помощью отражателей и линз .
Кроме того, различные варианты дуг были установлены в качестве стандартов излучения для определенных диапазонов длин волн.
сварка
Все виды дуг используются в качестве источника тепла при дуговой сварке, а также при сварке оптоволоконных кабелей .
Производство стали
Важным применением является электродуговая печь для производства стали на сталелитейных заводах .
азотная кислота
До изобретения гораздо более эффективного процесса Оствальда (с 1908 г.) азотная кислота производилась путем производства оксидов азота путем сжигания воздуха в электрической дуге ( процесс Биркеланда-Эйде ).
Создание тонких металлических слоев
Другое применение - производство тонких металлических слоев с помощью дугового напыления (Arc- PVD ). Здесь с помощью кинетической энергии электронов дуги атомы или молекулы высвобождаются из твердого материала (мишени) и осаждаются на подложке. Этот процесс используется, среди прочего, для уменьшения износа покрытий из нитрида титана на режущих инструментах .
Химический анализ
Дуга имеет классическое применение в спектральном анализе для определения основных и следовых компонентов, в основном твердых тел. Анализируемый материал испаряется в электрической дуге с возбуждением соответствующих спектральных линий. Определение химических элементов по их излучаемым линиям и определение их доли в образце с помощью интенсивности излучения происходит в оптическом эмиссионном спектрометре (OES). В основном используются дуги постоянного тока с угольными или графитовыми электродами .
Привод означает
Дуговые двигатели используют дугу для сильного нагрева тягового газа и тем самым ускорения его от сопла на высокой скорости (> 4 км / с). Дуговые двигатели используются в качестве двигателей на спутниках для поддержания орбиты и маневров по изменению орбиты . Тяга, которая может быть создана , значительно ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания, в то время как удельный импульс значительно лучше, хотя и не такой высокий, как у ионных двигателей .
Освещение
Устройства для создания небольшой дуги в виде короткого импульса или секундного диапазона используются для зажигания газового пламени в печах или газовых зажигалках или непосредственно в качестве зажигалки .
Будущие приложения
Вывоз мусора
Американская компания Startech управляет пилотной установкой в Бристоле , штат Коннектикут , для плазменной газификации отходов с помощью электрической дуги. Два электрода, находящихся под высоким напряжением, выступают внутрь реакционного сосуда. Высокое напряжение превращает промежуточный воздух в электропроводящую плазму. Достигнута температура до 17000 градусов по Цельсию, а на стенках камеры еще 1700 градусов. Молекулы вводимых веществ распадаются на свои атомы: неорганические компоненты отходов плавятся и собираются на дне реактора. Напротив, органические вещества (например, пластмассы) испаряются в газ. Помимо водорода он в основном содержит окись углерода.
Проблема с процессом - непомерно высокое потребление энергии. В ближайшем будущем это должно быть экономично только при утилизации опасных отходов.
Дуговый плазменный реактор
Это процесс производства этина из угля.
Процесс был разработан в 1980 году как совместный проект Hüls AG ( Marl Chemical Park ) и компании DMT по производству ацетилена. Перед реакцией уголь необходимо очень тонко измельчить (размер частиц: 100 мкм). При очень высоких температурах 1000–2000 К в плазме дуги (катод из вольфрама, легированного ThO 2 , анод из меди), смесь водорода и углеродных частиц вступает в реакцию с коротким временем контакта (несколько мс); закалка водой дает этин. Пропускная способность опытной установки по углю составляла около 350-500 кг / ч с конверсией угля 50%, выходом ацетилена 20/100 кг угля, током 1000 А, напряжением 1250 В. Помимо ацетилена ( вес 25,0%) все еще имеют значительную долю окиси углерода (19,9% веса) и водорода (33,6% веса).
Процесс может представлять интерес для производства углеводородных соединений при наличии дешевого угля и электроэнергии в некоторых регионах мира.
веб ссылки
Индивидуальные доказательства
- ↑ А. Андерс: Отслеживание происхождения науки о дуговой плазме-II. ранние непрерывные разряды . В: IEEE Transactions on Plasma Science . 31, No. 5, 2003, pp. 1060-9. DOI : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
- ↑ Герта Айртон: Electric Arc (КЛАССИЧЕСКИЙ ПЕРЕПЕЧАТ) . ЗАБЫТЫЕ КНИГИ, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , p. 94.
- ↑ Электрическая дуга , Герта Айртон, стр.20
- ↑ Мэтью Лакиеш: Искусственный свет, его влияние на цивилизацию . В кн . : Природа . 107, No. 2694, 1920, p. 112. bibcode : 1921Natur.107..486. . DOI : 10.1038 / 107486b0 .
- ^ Хэмфри Дэви: Элементы химической философии 1812, ISBN 978-0-217-88947-6 , стр. 85.
- ↑ a b « Выявление происхождения дуговой плазмы Наука-II. Ранние непрерывные разряды ». пользователя André ANDERS. IEEE Xplore , ieee.org. IEEE Transactions по науке о плазме . Том 31, выпуск 5, октябрь 2003 г.
- ↑ В.П. Карцев: Ши, Уильям Р. (Ред.): Математизация природы . Kluwer Academic, Бостон, Массачусетс, 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , стр. 279.
- ^ Ханс-Ульрих Герш, Ханс Хартус, Норберт Фогельсанг: Электротехника для технических школ: Электрические машины с введением в силовую электронику . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [по состоянию на 8 июля 2016 г.]).
- ↑ Манфред Дворшак: Горячий, как солнце . В: Der Spiegel . Нет. 16 , 2007, стр. 166 ( spiegel.de ).
- ↑ Харальд Брахольд, Корнелиус Пойкерт, Ханс Регнер: Дуговый плазменный реактор для производства ацетилена из угля. В кн .: Chem.-Ing.-Tech. 65, 1993, № 3, стр. 293-297.