Łuk elektryczny

Łuk jest tworzony przez jonizacji oddziaływania gdy różnica potencjałów elektrycznych (= napięcie ) i gęstość prądu są wystarczająco wysokie . Wyładowcza tworzy plazmę , w którym cząstki ( atomy lub cząsteczki ) są co najmniej częściowo zjonizowane. W wyniku nośników wolnych ładunków gaz staje się przewodzący prąd elektryczny. Większość plazm jest quasi obojętna, więc liczba dodatnio naładowanych jonów i elektronów jest identyczna. Ponieważ jony są znacznie wolniejsze w porównaniu ze znacznie lżejszymi elektronami, elektrony są często prawie wyłącznie istotne w transporcie elektryczności.

W elektroenergetyce podczas operacji łączeniowych występujące łuki są tak zwane łuki łączeniowe . Niepożądane łuki, które często powodują uszkodzenia lub wypadki, nazywane są zwarciami łukowymi .

Łuk między dwoma stalowymi gwoździami

historia

Odtwórz plik multimedialny

Film przedstawiający łuk elektryczny na drabinie Jakubowej

Sir Humphry Davy odkrył łuk krótkich impulsów w 1800 roku. W 1801 opisał to zjawisko w artykule opublikowanym w Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts autorstwa Williama Nicholsona (chemika) . O ile dzisiaj wiemy, Davys opisał raczej iskrę niż łuk. W tym samym roku Davy publicznie zademonstrował ten efekt przed Royal Society, przesyłając prąd elektryczny przez dwa stykające się pręty węglowe, a następnie nieco je rozsuwając. Demonstracja stworzyła „słaby” łuk między punktami węgla drzewnego, którego nie można łatwo odróżnić od uporczywej iskry. Firma zasubskrybowała mocniejszy akumulator o pojemności 1000 płyt i zobaczyła pokaz łuku na dużą skalę w 1808 roku. Jemu przypisuje się nazewnictwo łuku. Nazwał go łukiem, ponieważ przyjmuje kształt łuku skierowanego w górę, gdy odległość między elektrodami nie jest mała. Wynika to z wyporu gorącego gazu.

Pierwszy ciągły łuk został odkryty niezależnie w 1802 r. i opisany w 1803 r. przez Wassili Wladimirowitsch Petrow , rosyjskiego naukowca, który eksperymentował z kolumną woltaiczną z 4200 dyskami, jako „specjalną cieczą o właściwościach elektrycznych”.

Charakterystyka

Łuk o napięciu 2000 V DC przy 0,7 A na dwóch elektrodach węglowych

Łuk przy napięciu przemiennym 4 kV i prądzie 4 A.

Charakterystyczne dla łuku są:

• spadek katody , który jest stosunkowo niski w porównaniu do wyładowania jarzeniowego (rzędu wielkości potencjału wzbudzenia lub jonizacji zaangażowanych atomów, około 10 eV),
• charakterystyka ( nieomowa ) prądowo-napięciowa ( ujemna rezystancja różnicowa ), która opada w pewnych obszarach ,
• wysoka gęstość prądu w plazmie w porównaniu do wyładowania jarzeniowego,
• Temperatury gazu i elektronu są silnie sprzężone. Lokalna równowaga termiczna jest zwykle osiągana w przybliżeniu .
• Ciśnienia gazu są stosunkowo wysokie ( p  > 0,1 bar).
• Temperatura gazu wynosi od 5000 K do 50 000 K.

Z kablami miedzianymi, łuki wymaga minimalnego napięcia około 12 V i prądzie minimalną około 0,4 A. Ponadto dla fal o wysokiej częstotliwości, może także emitować intensywne są podczerwieni , widoczne i ultrafioletowego promieniowania .

Do utrzymania tego wymagane jest napięcie około 30 woltów.

W zależności od parametrów eksploatacyjnych za emisję elektronów z materiału katodowego w dużej mierze mogą odpowiadać różne procesy. Ważną cechą jest funkcja pracy , aby elektrony mogły opuścić wykonane bryły. W przypadku łuków jest to redukowane przez istniejące pole zewnętrzne ( efekt Schottky'ego lub też redukcja Schottky'ego). Inne istotne procesy w emisji elektronów mogą być następujące:

• Emisja cieplna (zwana również emisją termionową, efekt jarzenia elektrycznego, efekt Edisona, efekt Richardsona lub efekt Edisona-Richardsona),
• Emisja pola : istniejące pole elektryczne umożliwia elektronom wychodzenie z ciała stałego poprzez tunelowanie kwantowo-mechaniczne.
• Emisja pola termionowego: Silne pola elektryczne prowadzą do dalszych efektów, które nie są objęte powyższymi punktami.
• Wtórna emisja elektronów : Gdy katoda opada, jony dodatnie są przyspieszane w kierunku katody. Kiedy uderzają, powodują uwolnienie elektronów. Wysokoenergetyczne fotony (w zakresie UV lub XUV ) mogą być również emitowane przez wzbudzone atomy lub jony , które w wyniku zewnętrznego fotoefektu uwalniają elektrony wtórne z katody.

Rachunek bieżący

W łuku elektrycznym plazma jest podgrzewana przez zderzenia elektronów przyspieszanych w polu elektrycznym i ciężkich cząstek. Ciepło jest transportowane na zewnątrz poprzez przewodnictwo cieplne . Ponadto w bilansie mocy należy uwzględnić emisję i pochłanianie promieniowania. Rachunek bieżący to:

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

${\ styl wyświetlania h}$: Entalpia

${\ styl wyświetlania T}$: Temperatura

${\ styl wyświetlania \ rho}$: Gęstość

${\ styl wyświetlania \ sigma}$: przewodność elektryczna

${\ styl wyświetlania E}$: pole elektryczne

${\ styl wyświetlania \ kappa}$: Przewodność cieplna

${\ styl wyświetlania e}$: emitowane promieniowanie

${\ styl wyświetlania a}$: promieniowanie pochłonięte

Biorąc pod uwagę prędkość elementu objętości, zmianę entalpii można zapisać jako:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ mathrm {d} h} {\ mathrm {d} t}} = \ rho \ cdot {\ frac {\ częściowe h} {\ częściowe t}} + \ rho \ cdot {\ vec {v}} \ cdot \ nazwa operatora {stopień} h}$

Jeśli teraz rozważysz pionowo ułożony, stacjonarny, cylindryczny łuk, bilans mocy można przedstawić w prostszy sposób. Jeśli pominie się przepływ (w tym przypadku ruch elementu objętościowego w górę) i promieniowanie, otrzymuje się bilans mocy opisujący nagrzewanie i obrotowo symetryczne przewodzenie ciepła na zewnątrz:

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

${\ styl wyświetlania r}$: Współrzędna okręgu

Profil temperatury łuku zależy od użytego gazu. Gazy molekularne ulegają dysocjacji w łuku . W obszarach promieniowych, w których dysocjacja cząsteczek gwałtownie wzrasta, przewodność cieplna gazu jest bardzo wysoka, a zatem gradient temperatury jest również bardziej stromy niż przy użyciu jednoatomowych gazów szlachetnych . Ponadto mogą również wystąpić efekty segregacji (dyfuzja dwubiegunowa, kataforeza ).

Zastosowania techniczne

Żarówki

Łuki zostały po raz pierwszy zastosowane w technologii oświetleniowej: lampy łukowe są najstarszymi elektrycznymi źródłami światła. Davy prawdopodobnie poczynił pierwsze spostrzeżenia w tym zakresie już w 1802 r., ale opublikował je dopiero później (1812 r.). Łuki były najpierw otwarte w powietrzu. Stosowano elektrody grafitowe , które stosunkowo szybko się spalały.

W wysokociśnieniowych lampach rtęciowych stosuje się argon o ciśnieniu kilku milibarów oraz rtęć. Lampa zapala się impulsem wysokiego napięcia i najpierw tworzy wyładowanie jarzeniowe . Wraz ze wzrostem temperatury rtęć odparowuje, ciśnienie wzrasta zgodnie z prężnością par rtęci, a wyładowanie zamienia się w wyładowanie łukowe. Te silne linie rtęci zdominować spektrum łuku.

Ksenonowa lampa krótki łuk jest stosowana w projektorach kinowych i potężne reflektory. Ksenon ma wiele przejść optycznych w widmie widzialnym. W połączeniu z wysokimi ciśnieniami wyładowania uzyskuje się silne poszerzenie linii , tak że wraz z emisją ciągłą swobodnych elektronów emitowane jest dość ciągłe widmo podobne do światła dziennego. Źródło promieniowania ma niewielką rozszerzalność przestrzenną i dlatego może być łatwo kolimowane z reflektorami i soczewkami .

Ponadto ustalono różne warianty łuków jako standardy promieniowania dla pewnych zakresów długości fal.

spawalniczy

Wszelkiego rodzaju łuki wykorzystywane są jako źródło ciepła w spawaniu łukowym, a także w spawaniu światłowodów .

Produkcja stali

Ważnym zastosowaniem jest elektryczny piec łukowy do wytwarzania stali w stalowniach elektrycznych .

kwas azotowy

Przed wynalezieniem znacznie wydajniejszego procesu Ostwalda (od 1908 r.), kwas azotowy wytwarzano poprzez produkcję tlenków azotu przez spalanie powietrza w łuku elektrycznym ( proces Birkelanda-Eyde'a ).

Tworzenie cienkich warstw metalicznych

Innym zastosowaniem jest produkcja cienkich warstw metalicznych metodą naparowywania łukowego ( Arc- PVD ). Tutaj, za pomocą energii kinetycznej elektronów łuku, atomy lub cząsteczki są uwalniane z materiału stałego (celu) i osadzane na podłożu. Proces ten jest stosowany m.in. do zmniejszania zużycia powłok azotku tytanu na narzędziach skrawających .

Analiza chemiczna

Łuk ma klasyczne zastosowanie w analizie spektralnej do oznaczania składników głównych i śladowych, głównie ciał stałych. Analizowany materiał jest odparowywany w łuku elektrycznym, wzbudzając odpowiednie linie widmowe. Oznaczanie pierwiastków chemicznych poprzez ich emitowane linie oraz oznaczanie ich udziału w próbce za pomocą intensywności emisji odbywa się w optycznym spektrometrze emisyjnym (OES). Stosowane są głównie łuki prądu stałego z elektrodami węglowymi lub grafitowymi .

Napęd oznacza

Silniki łukowe wykorzystują łuk do silnego ogrzewania gazu ciągnącego i tym samym przyspieszania go z dyszy z dużą prędkością (> 4 km/s). Silniki łukowe są używane jako silniki na satelitach do przeprowadzania konserwacji orbity i manewrów zmiany orbity . Możliwy do wytworzenia ciąg jest znacznie niższy niż w silnikach spalinowych, natomiast impuls właściwy jest znacznie lepszy, choć nie tak wysoki jak w silnikach jonowych .

Pomoc oświetleniowa

Urządzenia do generowania małego łuku, zarówno w postaci krótkiego impulsu, jak i w zakresie sekundowym, są wykorzystywane do zapalania płomieni gazowych w piecach lub zapalniczkach gazowych lub bezpośrednio jako zapalniczka .

Przyszłe zastosowania

Wywóz śmieci

Amerykańska firma Startech prowadzi w Bristolu w stanie Connecticut pilotażową instalację do plazmowego zgazowania odpadów za pomocą łuków elektrycznych. Do wnętrza naczynia reakcyjnego wystają dwie elektrody, które są pod wysokim napięciem. Wysokie napięcie przekształca powietrze pomiędzy nimi w elektrycznie przewodzącą plazmę. Osiąga się do 17 000 stopni Celsjusza, a na ścianach komory wciąż jest 1700 stopni. Cząsteczki wprowadzonych substancji rozpadają się na atomy: nieorganiczne składniki odpadów topią się i gromadzą na dnie reaktora. Natomiast substancje organiczne (np. tworzywa sztuczne) odparowują w gaz. Oprócz wodoru zawiera głównie tlenek węgla.

Problemem z procesem jest niebotycznie wysokie zużycie energii. W niedalekiej przyszłości powinno być opłacalne tylko w przypadku usuwania niebezpiecznych odpadów.

Reaktor plazmowy łukowy

Jest to proces wytwarzania etyny z węgla.

Proces został opracowany w 1980 roku jako wspólny projekt Hüls AG ( Marl Chemical Park ) i firmy DMT do produkcji acetylenu. Przed reakcją węgiel musi być bardzo drobno zmielony (wielkość cząstek: 100 μm). W bardzo wysokich temperaturach 1000–2000 K w plazmie łukowej (katoda z wolframu domieszkowanego ThO ₂ , anoda z miedzi) dochodzi do reakcji mieszaniny cząsteczek wodoru i węgla z krótkimi czasami kontaktu (kilka ms); hartowanie wodą wytwarza etyn. Przepustowość węgla w instalacji pilotażowej wynosiła około 350-500 kg/h przy konwersji węgla 50%, uzysk acetylenu 20/100 kg węgla, prąd 1000 A, napięcie 1250 V. Oprócz acetylenu ( waga 25, 0%) nadal zawiera znaczny udział tlenku węgla (wag. 19,9%) i wodoru (wag. 33,6%).

Proces może być interesujący dla produkcji związków węglowodorowych w obecności taniego węgla i energii elektrycznej w niektórych regionach świata.

linki internetowe

Wikisłownik: Arc  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

1. ↑ A. Anders: Śledzenie pochodzenia nauki o plazmie łukowej-II. wczesne wyładowania ciągłe . W: IEEE Transactions on Plasma Science . 31, nr 5, 2003, s. 1060-9. doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
2. ↑ Hertha Ayrton: Łuk elektryczny (KLASYCZNY PRZEDRUK) . ZAPOMNIANE KSIĄŻKI, Śl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , s. 94.
3. ^ Łuk elektryczny , Hertha Ayrton, strona 20
4. ↑ Matthew Luckiesh: Sztuczne światło, jego wpływ na cywilizację . W: Przyroda . 107, nr 2694, 1920, s. 112. bibcode : 1921Natur.107..486. . doi : 10.1038/107486b0 .
5. ^ Humphry Davy: Elementy filozofii chemicznej 1812, ISBN 978-0-217-88947-6 , s. 85.
6. ↑ ^{a b} " Śledzenie pochodzenia plazmy łukowej Nauka-II. Wczesne wyładowania ciągłe ". przez André ANDERSA. IEEE Xplore , ieee.org. Transakcje IEEE w dziedzinie nauki o plazmie . Tom: 31, wydanie: 5, październik 2003.
7. ↑ Wiceprezes Kartsev: Shea, William R. (red.): Nature Mathematized . Kluwer Academic, Boston, MA 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , s. 279.
8. ^ Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrotechnika dla szkół technicznych: Maszyny elektryczne z wprowadzeniem do energoelektroniki . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [dostęp 8 lipca 2016]). 
9. ↑ Manfred Dworschak: Gorący jak słońce . W: Der Spiegel . Nie. 16 , 2007, s. 166 ( spiegel.de ). 
10. ↑ Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: Łukowy reaktor plazmowy do produkcji acetylenu z węgla. W: Chem.-Ing.-Tech. 65, 1993, nr 3, s. 293-297.