Elektrisk lysbue

En bue opprettes ved støtionisering når den elektriske potensialforskjellen (= spenning ) og strømtettheten er tilstrekkelig høy . Den gassutladnings danner et plasma karakterisert ved at partiklene ( atomer eller molekyler ) er i det minste delvis ionisert. Resultatet av de gratis ladebærerne er at gassen blir elektrisk ledende. De fleste plasmas er kvasianøytrale, så antall positivt ladede ioner og elektroner er identisk. Siden ionene er mye tregere sammenlignet med de mye lettere elektronene, er elektronene ofte nesten utelukkende relevante for transport av elektrisitet.

I den elektriske kraftindustrien under bytteoperasjoner som oppstår, er buer som koblingsbue . Uønskede buer, som ofte fører til skade eller ulykker, er kjent som buefeil .

Bue mellom to stålspiker

historie

Video av en lysbue på Jakobs stige

Sir Humphry Davy oppdaget den korte pulsbuen i 1800. I 1801 beskrev han fenomenet i en artikkel publisert i Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts av William Nicholson (kjemiker) . Så vidt vi vet i dag, beskrev Davys en gnist i stedet for en bue. Samme år demonstrerte Davy offentlig effekten foran Royal Society ved å overføre elektrisk strøm gjennom to berørende karbonstenger og deretter trekke dem litt fra hverandre. Demonstrasjonen skapte en “svak” bue mellom kullpunkter som ikke lett kan skilles fra en vedvarende gnist. Selskapet abonnerte på et kraftigere 1000-talls batteri og så en storstilt buedemonstrasjon i 1808. Navnet på buen tilskrives ham. Han kalte det en bue fordi den har form av en buet oppover når avstanden mellom elektrodene ikke er liten. Dette skyldes oppdriften på den varme gassen.

Den første kontinuerlige buen ble oppdaget uavhengig i 1802 og beskrevet i 1803 av Wassili Wladimirowitsch Petrow , en russisk forsker som eksperimenterte med en voltaisk kolonne på 4200 skiver, som en "spesiell væske med elektriske egenskaper".

Kjennetegn

Bue med 2000 volt DC-spenning ved 0,7 ampere på to karbonelektroder
Bue med en vekselspenning på 4 kV og en strøm på 4 A.

Karakteristisk for buen er:

Med kobberkabler krever buer en minimumsspenning på rundt 12 V og en minimumsstrøm på rundt 0,4 A. I tillegg til høyfrekvente bølger avgir de typisk også intens infrarød , synlig og ultrafiolett stråling .

Det kreves en spenning på omtrent 30 volt for å opprettholde dette.

Avhengig av driftsparametrene kan forskjellige prosesser i stor grad være ansvarlige for utslipp av elektroner fra katodematerialet. En viktig egenskap er arbeidsfunksjonen , for at elektroner kan forlate de faste stoffene som er laget. Når det gjelder buer, reduseres dette av det eksisterende eksterne feltet ( Schottky-effekt eller også Schottky-reduksjon). Andre relevante prosesser i elektronutslipp kan være følgende:

  • Termisk utslipp (også kjent som termionisk utslipp, glødende elektrisk effekt, Edison-effekt, Richardson-effekt eller Edison-Richardson-effekt),
  • Feltutslipp : Det eksisterende elektriske feltet gjør det mulig for elektronene å tunnelere ut av det faste stoffet gjennom kvantemekanisk tunneling.
  • Termionisk feltutslipp: Sterke elektriske felt fører til ytterligere effekter som ikke dekkes av punktene ovenfor.
  • Sekundær elektronutslipp : Når katoden faller, akselereres positive ioner mot katoden. Når de treffer, får de elektronene til å frigjøres. Svært energiske fotoner (i UV- eller XUV- området) kan også sendes ut av eksiterte atomer eller ioner , som frigjør sekundære elektroner fra katoden på grunn av den eksterne fotoeffekten .

Gjeldende konto

I en elektrisk lysbue blir plasmaet varmet opp av kollisjoner mellom elektronene som akselereres i det elektriske feltet og de tunge partiklene. Varmen transporteres utover gjennom varmeledning . I tillegg må utslipp og absorpsjon av stråling tas med i kraftbalansen. Gjeldende konto er:

: Enthalpy
: Temperatur
: Tetthet
: elektrisk ledningsevne
: elektrisk felt
: Varmeledningsevne
: utstrålt stråling
: absorbert stråling

Tatt i betraktning hastigheten til et volumelement, kan endringen i entalpi skrives som:

Hvis du nå vurderer en vertikalt anordnet, stasjonær, sylindrisk lysbue, kan kraftbalansen vises enklere. Hvis strømmen (i dette tilfellet den oppadgående bevegelsen til et volumelement) og strålingsbetingelsene blir neglisjert, oppnås en kraftbalanse som beskriver oppvarmingen og den rotasjonssymmetriske varmeledningen til utsiden:

: Sirkelkoordinat

Temperaturprofilen til buen avhenger av gassen som brukes. Molekylære gasser er dissosiert i buen . I de radiale områdene der dissosiasjonen av molekylene øker kraftig, er gassens varmeledningsevne veldig høy, og følgelig er temperaturgradienten også brattere enn ved bruk av edelgasser med ett atom . Videre kan segregeringseffekter (ambipolar diffusjon, kataforese ) også forekomme.

Tekniske applikasjoner

Pærer

Buer ble først brukt i lysteknologi: buelamper er de eldste elektriske lyskildene. Davy gjorde sannsynligvis sine første observasjoner i denne forbindelse allerede i 1802, men publiserte dem først senere (1812). Buene ble først operert åpent i luften. Det ble brukt grafittelektroder , som brant ned relativt raskt.

I høy- trykk kvikksølvlamper , argon blir med et trykk på noen millibar og kvikksølv som brukes. Lampen tennes med en høyspenningspuls og danner først en glødeavgivelse . Når temperaturen stiger, fordamper kvikksølvet, trykket øker i henhold til kvikksølvdamptrykket, og utslippet endres til en lysbueutslipp. Den sterke kvikksølvlinjer dominerer spektrum av lysbuen.

Den xenon kort arc lampe brukes i kinoprojektorer og kraftige frontlykter. Xenon har mange optiske overganger i det synlige spekteret. I forbindelse med høyt utladningstrykk oppnås en sterk linjeutvidelse , slik at sammen med kontinuerlig utslipp av de frie elektronene, sendes et ganske kontinuerlig spektrum ut som dagslys. Strålingskilden har en liten romlig utvidelse og kan derfor lett kollimeres med reflektorer og linser .

I tillegg er forskjellige varianter av buer etablert som strålingsstandarder for visse bølgelengdeområder.

sveising

Alle slags buer brukes som varmekilde ved buesveising, samt i fiberoptisk skjøting .

Stållaging

En viktig applikasjon er lysbueovnen for å lage stål i elektriske stålverk .

salpetersyre

Før oppfinnelsen av den mye mer effektive Ostwald-prosessen (fra 1908) ble salpetersyre produsert gjennom produksjon av nitrogenoksider ved å brenne luft i en lysbue ( Birkeland-Eyde-prosessen ).

Oppretting av tynne metallag

En annen applikasjon er produksjon av tynne metallag ved hjelp av lysfordampning (Arc- PVD ). Her frigjøres atomer eller molekyler fra et fast materiale (mål) og avsettes på et substrat ved hjelp av den kinetiske energien til lysbuenes elektroner. Denne prosessen brukes blant annet for slitasjedempende titanitridbeleggskjæreverktøy .

Kjemisk analyse

Buen har en klassisk applikasjon i spektralanalyse for bestemmelse av hoved- og sporkomponenter, hovedsakelig av faste stoffer. Materialet som skal analyseres fordampes i en elektrisk lysbue, hvor de tilsvarende spektrallinjene blir eksitert. Bestemmelsen av de kjemiske elementene via deres utsendte linjer og bestemmelsen av deres andel i prøven ved hjelp av utslippets intensitet skjer i et optisk utslippsspektrometer (OES). Hovedsakelig brukes jevnbuer med karbon- eller grafittelektroder .

Kjøring betyr

Buemotorer bruker en bue for å varme kraftig trykkgass kraftig opp og derved akselerere den fra en dyse i høy hastighet (> 4 km / s). Buemotorer brukes som motorer på satellitter for å utføre banevedlikehold og baneendringsmanøvrer . Drivkraften som kan genereres er betydelig lavere enn med kjemiske forbrenningsmotorer, mens den spesifikke impulsen er betydelig bedre, men ikke så høy som med ionmotorer .

Lyshjelpemiddel

Enheter for å generere en liten lysbue, enten som en kort puls eller i sekunder, brukes til å antenne gassflammer i ovner eller gasslightere eller direkte som en lighter .

Fremtidige applikasjoner

Søppeltømming

Det amerikanske selskapet Startech driver et pilotanlegg i Bristol , Connecticut , for plasmaforgassing av avfall ved hjelp av elektriske buer. To elektroder, som er under høy spenning, stikker ut i det indre av reaksjonskaret. Høyspenningen forvandler luften imellom til elektrisk ledende plasma. Opptil 17 000 grader Celsius er nådd, og det er fortsatt 1700 grader på veggene i kammeret. Molekylene til de introduserte stoffene brytes ned i atomene: de uorganiske komponentene i avfallet smelter og samler seg i bunnen av reaktoren. I kontrast fordamper organiske stoffer (f.eks. Plast) til gass. I tillegg til hydrogen inneholder den hovedsakelig karbonmonoksid.

Problemet med prosessen er det ublu høyt energiforbruket. I nær fremtid bør det bare være økonomisk for bortskaffelse av farlig avfall.

Arc plasma reaktor

Dette er en prosess for å produsere etyn fra kull.

Prosessen ble utviklet i 1980 som et felles prosjekt mellom Hüls AG ( Marl Chemical Park ) og DMT-selskapet for produksjon av acetylen. Før reaksjonen må kullet males veldig fint (partikkelstørrelse: 100 μm). Ved meget høye temperaturer på 1000–2000 K i lysbueplasmaet (katode laget av wolfram dopet med ThO 2 , anode laget av kobber), får en blanding av hydrogen og karbonpartikler til å reagere med korte kontakttider (noen få ms); slukking med vann gir etin. Kullgjennomstrømningen fra pilotanlegget var rundt 350-500 kg / t med en kullkonvertering på 50%, et acetylenutbytte på 20/100 kg kull, en strøm på 1000 A, en spenning på 1250 V. I tillegg til acetylen ( vekt 25, 0%) har fremdeles en betydelig andel karbonmonoksid (vekt 19,9%) og hydrogen (vekt 33,6%).

Prosessen kan være av interesse for produksjon av hydrokarbonforbindelser i nærvær av billig kull og elektrisitet i noen regioner i verden.

weblenker

Commons : Arc  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Arc  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. A. Anders: Sporing ned opprinnelsen til buen plasma science-II. tidlige kontinuerlige utslipp . I: IEEE Transactions on Plasma Science . 31, nr. 5, 2003, s. 1060-9. doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
  2. Hertha Ayrton: Electric Arc (CLASSIC REPRINT) . GLEMTE BØKER, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , s. 94.
  3. ^ The Electric Arc , av Hertha Ayrton, side 20
  4. Matthew Luckiesh: Kunstig lys, dens innflytelse på sivilisasjonen . 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 " Spore opp opprinnelsen til bueplasma Science-II. Tidlige kontinuerlige utladninger ". av André ANDERS. IEEE Xplore , ieee.org. IEEE-transaksjoner på plasmavitenskap . Volum: 31, utgave: 5. oktober 2003.
  7. VP Kartsev: Shea, William R. (red.): Natur matematisert . Kluwer Academic, Boston, MA 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , s. 279.
  8. ^ Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektroteknikk for tekniske skoler: Elektriske maskiner med innføring i kraftelektronikk . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [åpnet 8. juli 2016]).
  9. Manfred Dworschak: Varmt som solen . I: Der Spiegel . Nei. 16 , 2007, s. 166 ( spiegel.de ).
  10. Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: Arc plasmareaktor for fremstilling av acetylen fra kull. I: Chem. -Ing.-Tech. 65, 1993, nr. 3, s. 293-297.