Elektrický oblouk

Oblouk je vytvořen pomocí ionizace nárazem , když je rozdíl elektrického potenciálu (= napětí ), a jsou proudová hustota dostatečně vysoká . Plynový výboj vytváří plazma , ve kterých částice ( atomy nebo molekuly jsou) alespoň částečně ionizované. Výsledkem bezplatných nosičů náboje je, že plyn se stává elektricky vodivým. Většina plazmat je kvazi neutrální, takže počet kladně nabitých iontů a elektronů je stejný. Vzhledem k tomu, že ionty jsou mnohem pomalejší ve srovnání s mnohem lehčími elektrony, jsou elektrony často téměř výlučně relevantní pro přenos elektřiny.

V elektroenergetice během spínacích operací se vyskytující oblouky nazývají spínací oblouk . Nežádoucí oblouky, které často způsobují poškození nebo nehody, se nazývají poruchy elektrického oblouku .

Oblouk mezi dvěma ocelovými hřebíky

Dějiny

Přehrát mediální soubor

Video elektrického oblouku na Jacobově žebříku

Sir Humphry Davy objevil krátký pulzní oblouk v roce 1800. V roce 1801 popsal tento jev v článku publikovaném v časopise Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts od Williama Nicholsona (chemika) . Pokud dnes víme, Davys popsal spíše jiskru než oblouk. Ve stejném roce Davy veřejně demonstroval účinek před Královskou společností tím, že přenášel elektrický proud dvěma dotýkajícími se uhlíkovými tyčemi a poté je trochu roztáhl. Demonstrace vytvořila „slabý“ oblouk mezi uhlíkovými body, který nelze snadno odlišit od přetrvávající jiskry. Společnost si předplatila výkonnější 1 000 deskovou baterii a v roce 1808 se dočkala rozsáhlé demonstrace oblouku. Pojmenování oblouku je připisováno jemu. Nazval jej obloukem, protože má tvar oblouku nahoru, když vzdálenost mezi elektrodami není malá. To je způsobeno vztlakem horkého plynu.

První spojitý oblouk byl objeven nezávisle v roce 1802 a popsán v roce 1803 ruským vědcem Wassili Wladimirowitsch Petrow , který experimentoval s voltaickým sloupcem 4 200 disků, jako „speciální kapalinu s elektrickými vlastnostmi“.

Vlastnosti

Oblouk s 2 000 volty stejnosměrného napětí při 0,7 ampéru na dvou uhlíkových elektrodách

Oblouk při střídavém napětí 4 kV a proudu 4 A.

Charakteristické pro oblouk jsou:

• pokles katody , který je ve srovnání s doutnavým výbojem relativně nízký (v řádu velikosti excitačního nebo ionizačního potenciálu zúčastněných atomů, přibližně 10 eV),
• ( neohmická ) charakteristická křivka proudového napětí ( záporný diferenciální odpor ), která klesá v určitých oblastech ,
• vysoká hustota proudu v plazmě ve srovnání s doutnavým výbojem,
• Teploty plynu a elektronů jsou silně spojeny. Místní tepelné rovnováhy je obvykle dosaženo přibližně .
• Tlak plynu je relativně vysoký ( p  > 0,1 bar).
• Teplota plynu je mezi 5 000 K a 50 000 K.

U měděných kabelů vyžadují oblouky minimální napětí kolem 12 V a minimální proud kolem 0,4 A. Kromě vysokofrekvenčních vln také obvykle vyzařují intenzivní infračervené , viditelné a ultrafialové záření .

K udržení je zapotřebí napětí přibližně 30 voltů.

V závislosti na provozních parametrech mohou být za emise elektronů z katodového materiálu z velké části zodpovědné různé procesy. Důležitou charakteristikou je pracovní funkce , aby elektrony mohly opustit vytvořené pevné látky. V případě oblouků je to redukováno stávajícím externím polem ( Schottkyho efekt nebo také Schottkyho redukce). Další relevantní procesy v elektronové emisi mohou být následující:

• Tepelná emise (známá také jako termionická emise, zářící elektrický efekt, Edisonův efekt, Richardsonův efekt nebo Edison-Richardsonův efekt),
• Emise pole : Stávající elektrické pole umožňuje elektronům tunelovat z pevné látky kvantově mechanickým tunelováním.
• Emise termionického pole: Silná elektrická pole vedou k dalším účinkům, které nejsou pokryty výše uvedenými body.
• Emise sekundárních elektronů : Když katoda klesá, kladné ionty se zrychlují směrem ke katodě. Když zasáhnou, způsobí uvolnění elektronů. Vysoce energetické fotony (v rozsahu UV nebo XUV ) mohou být také emitovány excitovanými atomy nebo ionty , které uvolňují sekundární elektrony z katody v důsledku vnějšího fotoefektu .

Běžný účet

V elektrickém oblouku se plazma zahřívá srážkami mezi elektrony zrychlenými v elektrickém poli a těžkými částicemi. Teplo je transportováno ven vedením tepla . Kromě toho musí být v energetické rovnováze zohledněna emise a absorpce záření. Aktuální účet je:

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

${\ displaystyle h}$: Entalpie

${\ displaystyle T}$: Teplota

${\ displaystyle \ rho}$: Hustota

${\ displaystyle \ sigma}$: elektrická vodivost

${\ displaystyle E}$: elektrické pole

${\ displaystyle \ kappa}$: Tepelná vodivost

${\ displaystyle e}$: emitované záření

${\ displaystyle a}$: absorbované záření

S ohledem na rychlost objemového prvku lze změnu entalpie zapsat jako:

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

Pokud nyní vezmete v úvahu vertikálně uspořádaný, stacionární, válcový oblouk, lze bilanci výkonu znázornit jednodušeji. Pokud se zanedbá průtok (v tomto případě pohyb objemového prvku nahoru) a radiační podmínky, získá se energetická bilance, která popisuje ohřev a rotačně symetrický přenos tepla ven:

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

${\ displaystyle r}$: Souřadnice kruhu

Teplotní profil oblouku závisí na použitém plynu. Molekulární plyny jsou disociovány v oblouku . V radiálních oblastech, ve kterých disociace molekul prudce stoupá, je tepelná vodivost plynu velmi vysoká, a proto je teplotní gradient také strmější než při použití jednoatomových vzácných plynů . Dále mohou také nastat segregační účinky (ambipolární difúze, kataforéza ).

Technické aplikace

Žárovky

Oblouky byly poprvé použity ve světelné technice: obloukové lampy jsou nejstarší elektrické zdroje světla. Davy pravděpodobně provedl první pozorování v tomto ohledu již v roce 1802, ale publikoval je až později (1812). Oblouky byly nejprve provozovány otevřeně ve vzduchu. Byly použity grafitové elektrody , které poměrně rychle shořely.

Ve vysoce tlak rtuťových výbojek , argon se používají s tlakem několika milibarů a rtuti. Lampa se zapálí vysokonapěťovým pulzem a nejprve vytvoří žhavicí výboj . Jak teplota stoupá, rtuť se odpařuje, tlak se zvyšuje podle tlaku par rtuti a výboj se mění v obloukový výboj. Mezi silné rtuťové čáry dominují spektrum oblouku.

Xenon short-oblouková lampa se používá v kinech projektory a výkonnými reflektory. Xenon má mnoho optických přechodů ve viditelném spektru. V souvislosti s vysokými výbojovými tlaky je dosaženo silného rozšíření linie , takže spolu s emisemi kontinua volných elektronů je emitováno poměrně kontinuální spektrum podobné dennímu světlu. Zdroj záření má malou prostorovou roztažnost a lze jej proto snadno kolimovat s reflektory a čočkami .

Kromě toho byly zavedeny různé varianty oblouků jako standardy záření pro určité rozsahy vlnových délek.

svařování

Všechny druhy oblouků se používají jako zdroj tepla při svařování elektrickým obloukem i při spojování optickými vlákny .

Výroba oceli

Důležitou aplikací je elektrická oblouková pec pro výrobu oceli v elektrických ocelárnách .

kyselina dusičná

Před vynálezem mnohem efektivnějšího Ostwaldova procesu (od roku 1908) se kyselina dusičná vyráběla produkcí oxidů dusíku spalováním vzduchu v elektrickém oblouku ( proces Birkeland-Eyde ).

Vytváření tenkých kovových vrstev

Další aplikací je výroba tenkých kovových vrstev pomocí odpařování oblouku (Arc- PVD ). Zde se pomocí kinetické energie elektronů oblouku uvolňují atomy nebo molekuly z pevného materiálu (terče) a ukládají se na substrát. Tento proces se používá mimo jiné pro povlaky nitridu titanu na řezných nástrojích snižující opotřebení .

Chemický rozbor

Oblouk má klasickou aplikaci ve spektrální analýze pro stanovení hlavních a stopových složek, zejména pevných látek. Analyzovaný materiál se odpařuje v elektrickém oblouku a příslušné spektrální čáry se excitují. Stanovení chemických prvků pomocí jejich emitovaných čar a stanovení jejich podílu ve vzorku pomocí intenzity emise probíhá v optickém emisním spektrometru (OES). Používají se hlavně oblouky stejnosměrného proudu s uhlíkovými nebo grafitovými elektrodami .

Pohon znamená

Obloukové motory používají oblouk k silnému ohřevu tahového plynu, a tím ho zrychlují z trysky vysokou rychlostí (> 4 km / s). Obloukové motory se používají jako motory na satelitech k provádění údržby oběžné dráhy a manévrů změny oběžné dráhy . Tah, který lze generovat, je výrazně nižší než u chemických spalovacích motorů, zatímco specifický impuls je výrazně lepší, i když ne tak vysoký jako u iontových motorů .

Světelná pomůcka

Zařízení pro generování malého oblouku, buď jako krátký pulz nebo v sekundovém rozsahu, se používají k zapálení plynových plamenů v kamen nebo plynových zapalovačích nebo přímo jako zapalovač .

Budoucí aplikace

Likvidace odpadků

Americká společnost Startech provozuje pilotní závod v Bristolu v Connecticutu pro plazmové zplyňování odpadu pomocí elektrických oblouků. Dvě elektrody, které jsou pod vysokým napětím, vyčnívají do vnitřku reakční nádoby. Vysoké napětí transformuje vzduch mezi nimi na elektricky vodivou plazmu. Dosáhne se až 17 000 stupňů Celsia a na stěnách komory je stále 1700 stupňů. Molekuly zavedených látek se rozpadají na své atomy: anorganické složky odpadu se taví a shromažďují na dně reaktoru. Naproti tomu se organické látky (např. Plasty) odpařují na plyn. Kromě vodíku obsahuje hlavně oxid uhelnatý.

Problémem tohoto procesu je přehnaně vysoká spotřeba energie. V blízké budoucnosti by to mělo být ekonomické pouze pro likvidaci nebezpečného odpadu.

Obloukový plazmový reaktor

Jedná se o proces výroby ethynu z uhlí.

Proces byl vyvinut v roce 1980 jako společný projekt společnosti Hüls AG ( Marl Chemical Park ) a společnosti DMT na výrobu acetylenu. Před reakcí musí být uhlí rozemleto velmi jemně (velikost částic: 100 μm). Při velmi vysokých teplotách 1 000–2 000 K v plazmě oblouku (katoda z wolframu dotovaného ThO ₂ , anoda z mědi) reaguje směs vodíku a uhlíkových částic s krátkou dobou kontaktu (několik ms); kalení vodou produkuje etin. Průchod uhlí v pilotním zařízení byl kolem 350-500 kg / h s 50% přeměnou uhlí, výtěžkem acetylenu 20/100 kg uhlí, proudem 1 000 A, napětím 1250 V. Kromě acetylenu ( 25,0%) stále mají značný podíl oxidu uhelnatého (19,9% hmotn.) a vodíku (33,6% hmotn.).

Tento proces může být zajímavý pro výrobu uhlovodíkových sloučenin v přítomnosti levného uhlí a elektřiny v některých oblastech světa.

webové odkazy

Wikislovník: Oblouk  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

Individuální důkazy

1. ↑ A. Anders: Sledování původu vědy o plazmovém oblouku - II. časné průběžné výboje . In: IEEE Transactions on Plasma Science . 31, č. 5, 2003, s. 1060-9. doi : 10,1109 / TPS.2003.815477 .
2. ↑ Hertha Ayrton: Electric Arc (CLASSIC REPRINT) . FORGOTTEN BOOKS, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , s. 94.
3. ^ The Electric Arc , autor: Hertha Ayrton, strana 20
4. ↑ Matthew Luckiesh: Umělé světlo, jeho vliv na civilizaci . In: Příroda . 107, č. 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} „ Sledování původu obloukové plazmy Science-II. Časné kontinuální výboje “. Autor: André ANDERS. IEEE Xplore , ieee.org. Transakce IEEE v oblasti plazmové vědy . Ročník: 31, číslo: 5, říjen 2003.
7. ↑ VP Kartsev: Shea, William R. (Ed.): Nature Mathematized . Kluwer Academic, Boston, MA 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , s. 279.
8. ^ Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrotechnika pro technické školy: Elektrické stroje s úvodem do výkonové elektroniky . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [přístup 8. července 2016]). 
9. ↑ Manfred Dworschak: Horko jako slunce . In: Der Spiegel . Ne. 16. 2007, s. 166 ( spiegel.de ). 
10. ↑ Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: Obloukový plazmový reaktor pro výrobu acetylenu z uhlí. In: Chem. -Ing.-Tech. 65, 1993, č. 3, str. 293-297.