Elektrik arkı

Bir yay oluşturulur göre darbeli iyonlaştırma, zaman elektriksel potansiyel farkı (= gerilim ) ve akım yoğunluğunu yeterli derecede yüksek . Gaz boşaltma bir oluşturan plazma parçacıkları (ki burada atomu veya moleküller ), en azından kısmen iyonize olan. Serbest yük taşıyıcılarının sonucu, gazın elektriksel olarak iletken hale gelmesidir. Çoğu plazma yarı nötrdür, bu nedenle pozitif yüklü iyonların ve elektronların sayısı aynıdır. İyonlar, çok daha hafif elektronlara kıyasla çok daha yavaş olduğundan, elektronlar genellikle neredeyse yalnızca elektriğin taşınmasıyla ilgilidir.

Gelen elektrik enerjisi endüstrisinin arklar meydana değiştirme işlemleri esnasında gibidir anahtarlama yayı denir. Genellikle hasara veya kazaya neden olan istenmeyen arklar ark hataları olarak bilinir .

İki çelik çivi arasındaki ark

Tarih

Medya dosyasını oynat

Yakup'un merdivenindeki elektrik arkının videosu

Sir Humphry Davy 1800'de kısa darbe arkını keşfetti. 1801'de William Nicholson (kimyager) tarafından Doğal Felsefe, Kimya ve Sanat Dergisi'nde yayınlanan bir makalede fenomeni tanımladı . Bugün bildiğimiz kadarıyla Davys bir yaydan ziyade bir kıvılcım tanımladı. Aynı yıl Davy, elektrik akımını birbirine değen iki karbon çubuktan geçirerek ve sonra onları biraz ayırarak Royal Society'nin önünde etkisini açıkça gösterdi. Gösteri, kalıcı bir kıvılcımdan kolayca ayırt edilemeyen, kömür noktaları arasında "zayıf" bir yay yarattı. Şirket, daha güçlü 1.000 plakalı bir bataryaya abone oldu ve 1808'de büyük ölçekli bir ark gösterisi gördü. Kemerin adı ona atfedilir. Elektrotlar arasındaki mesafe küçük olmadığında yukarı doğru bir yay şeklini aldığı için ona ark adını verdi. Bunun nedeni sıcak gazın kaldırma kuvvetidir.

İlk sürekli ark bağımsız olarak 1802'de keşfedildi ve 1803'te Rus bilim adamı Wassili Wladimirowitsch Petrow tarafından 4.200 diskten oluşan bir volta sütunu ile deneyler yapan "elektriksel özelliklere sahip özel bir sıvı" olarak tanımlandı.

özellikleri

İki karbon elektrotta 0,7 amperde 2000 volt DC voltajlı ark

4 kV alternatif voltajda ve 4 A akımda ark.

Arkın özellikleri şunlardır:

• ışıma deşarjına kıyasla nispeten düşük olan katot düşüşü (ilgili atomların uyarılma veya iyonlaşma potansiyelinin büyüklük sırasına göre, yaklaşık 10 eV),
• bir ( ohmik olmayan ) akım-gerilim karakteristik eğrisi ( negatif diferansiyel direnci ) belirli alanlarda düşer ,
• ışıma deşarjına kıyasla plazmada yüksek akım yoğunluğu,
• Gaz ve elektron sıcaklıkları güçlü bir şekilde bağlanmıştır. Yerel termal dengeye genellikle yaklaşık olarak ulaşılır .
• Gaz basınçları nispeten yüksektir ( p  > 0.1 bar).
• Gaz sıcaklığı 5.000 K ile 50.000 K arasındadır.

Bakır kablolarda arklar, 12 V civarında bir minimum voltaj ve 0,4 A civarında bir minimum akım gerektirir. Yüksek frekanslı dalgalara ek olarak, ayrıca tipik olarak yoğun kızılötesi , görünür ve morötesi radyasyon yayarlar .

Bunu korumak için yaklaşık 30 voltluk bir voltaj gereklidir.

Çalışma parametrelerine bağlı olarak, katot malzemesinden elektronların emisyonundan büyük ölçüde çeşitli işlemler sorumlu olabilir. Önemli bir özellik iş fonksiyonudur , elektronların yapılan katıları terk edebilmesi için. Yaylar durumunda, bu mevcut harici alan tarafından azaltılır ( Schottky etkisi veya ayrıca Schottky indirgemesi). Elektron emisyonunda diğer ilgili süreçler şunlar olabilir:

• Termal emisyon (termiyonik emisyon, parlayan elektrik etkisi, Edison etkisi, Richardson etkisi veya Edison-Richardson etkisi olarak da bilinir),
• Alan emisyonu : Mevcut elektrik alanı, elektronların kuantum mekaniksel tünelleme yoluyla katıdan tünel yapmasını sağlar.
• Termiyonik alan emisyonu: Güçlü elektrik alanları, yukarıdaki noktalar tarafından kapsanmayan başka etkilere yol açar.
• İkincil elektron emisyonu : Katot düştüğünde, pozitif iyonlar katoda doğru hızlanır. Vurulduklarında elektronların serbest kalmasına neden olurlar. Yüksek enerjili fotonlar ( UV veya XUV aralığında), harici foto etkisi nedeniyle katottan ikincil elektronları serbest bırakan uyarılmış atomlar veya iyonlar tarafından da yayılabilir .

Mevcut hesap

Bir elektrik arkında plazma , elektrik alanında hızlanan elektronlar ile ağır parçacıklar arasındaki çarpışmalarla ısıtılır. Isı, ısı iletimi yoluyla dışarıya taşınır . Ayrıca güç dengesinde radyasyonun emisyonu ve absorpsiyonu da dikkate alınmalıdır. Cari hesap:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ matematik {d} h} {\ matematik {d} t}} = \ sigma \ cdot E ^ {2} + \ operatöradı {div} \ kappa \ cdot \ operatöradı { derece} Te + a}$

${\ görüntü stili h}$: Entalpi

${\ görüntü stili T}$: Sıcaklık

${\ görüntü stili \ rho}$: Yoğunluk

${\ görüntü stili \ sigma}$: elektriksel iletkenlik

${\ görüntü stili E}$: elektrik alanı

${\ görüntü stili \ kappa}$: Termal iletkenlik

${\ görüntü stili e}$: yayılan radyasyon

${\ görüntü stili a}$: emilen radyasyon

Bir hacim elemanının hızı dikkate alındığında , entalpideki değişim şu şekilde yazılabilir:

${\ displaystyle \ rho \ cdot {\ frac {\ matematik {d} h} {\ matematik {d} t}} = \ rho \ cdot {\ frac {\ kısmi h} {\ kısmi t}} + \ rho \ cdot {\ vec {v}} \ cdot \ operatöradı {grad} h}$

Şimdi dikey olarak düzenlenmiş, sabit, silindirik bir yay düşünürseniz , güç dengesi daha basit bir şekilde gösterilebilir. Akış (bu durumda bir hacim elemanının yukarı doğru hareketi) ve radyasyon terimleri ihmal edilirse, ısıtmayı ve dışa doğru dönme simetrik ısı iletimini tanımlayan bir güç dengesi elde edilir :

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

${\ görüntü stili r}$: Daire koordinatı

Arkın sıcaklık profili kullanılan gaza bağlıdır. Moleküler gazlar arkta ayrışır . Moleküllerin ayrışmasının keskin bir şekilde arttığı radyal alanlarda , gazın termal iletkenliği çok yüksektir ve buna bağlı olarak, sıcaklık gradyanı da tek atomlu soy gazlar kullanıldığında olduğundan daha diktir . Ayrıca segregasyon etkileri (ambipolar difüzyon, kataforez ) de meydana gelebilir.

Teknik uygulamalar

Ampuller

Arklar ilk olarak aydınlatma teknolojisinde kullanıldı: ark lambaları en eski elektrikli ışık kaynaklarıdır. Davy muhtemelen bu konudaki ilk gözlemlerini 1802 gibi erken bir tarihte yaptı, ancak bunları ancak daha sonra yayınladı (1812). Yaylar ilk önce açık havada çalıştırıldı. Vardı grafit elektrot nispeten hızlı bir şekilde yanmış kullanılır.

Gelen yüksek basınçlı cıva lambaları , argon bir birkaç milibar basınç ve cıva ile kullanılmaktadır. Lamba, yüksek voltaj darbesiyle tutuşur ve önce bir parıltı deşarjı oluşturur . Sıcaklık yükseldikçe cıva buharlaşır, cıva buhar basıncına göre basınç artar ve deşarj ark deşarjına dönüşür. Güçlü cıva hatları hakim spektrumunu ark.

Xenon kısa ark lambası sinema projektörleri ve güçlü farları kullanılır. Ksenon, görünür spektrumda birçok optik geçişe sahiptir. Yüksek deşarj basınçlarıyla bağlantılı olarak, güçlü bir çizgi genişlemesi elde edilir, böylece serbest elektronların sürekli emisyonu ile birlikte gün ışığına benzer oldukça sürekli bir spektrum yayılır. Radyasyon kaynağı küçük bir uzaysal genişlemeye sahiptir ve bu nedenle reflektörler ve lensler ile kolayca hizalanabilir .

Ek olarak, belirli dalga boyu aralıkları için radyasyon standartları olarak farklı yay çeşitleri oluşturulmuştur.

kaynak

Her türlü ark, ark kaynağında ve ayrıca fiber optik birleştirmede ısı kaynağı olarak kullanılır .

Çelik yapımı

Önemli bir uygulama, elektrikli çelik fabrikalarında çelik yapmak için elektrik ark ocağıdır .

Nitrik asit

Çok daha verimli Ostwald işleminin (1908'den itibaren) icadından önce, bir elektrik arkında hava yakılarak nitrojen oksitlerin üretilmesi yoluyla nitrik asit üretildi ( Birkeland-Eyde işlemi ).

İnce metalik katmanların oluşturulması

Diğer bir uygulama ise ark buharlaştırma (Arc- PVD ) vasıtasıyla ince metalik tabakaların üretilmesidir . Burada ark elektronlarının kinetik enerjisi vasıtasıyla, atomlar veya moleküller katı bir malzemeden (hedef) salınır ve bir substrat üzerinde biriktirilir. Bu işlem, diğer şeylerin yanı sıra, kesici takımlarda aşınmayı azaltan titanyum nitrür kaplamalar için kullanılır .

Kimyasal analiz

Ark , esas olarak katılardan oluşan ana ve eser bileşenlerin belirlenmesi için spektral analizde klasik bir uygulamaya sahiptir . Analiz edilecek malzeme, ilgili spektral çizgiler uyarılarak bir elektrik arkında buharlaştırılır. Kimyasal elementlerin yayılan çizgileri aracılığıyla belirlenmesi ve emisyon yoğunluğu aracılığıyla numunedeki oranlarının belirlenmesi, bir optik emisyon spektrometresinde (OES) gerçekleşir. Esas olarak karbon veya grafit elektrotlu doğru akım arkları kullanılır.

Sürücü araçları

Ark motorları, bir itme gazını güçlü bir şekilde ısıtmak için bir ark kullanır ve böylece onu bir memeden yüksek hızda (> 4 km / s) hızlandırır. Ark motorları üzerinde motorlara olarak kullanılan uydular için yürütmek yörünge bakım ve yörünge değişikliği manevralarını. İtme edilebilir oluşturulmuş ise, önemli ölçüde kimyasal yanmalı motorlarla daha düşük spesifik bir darbe ile önemli ölçüde daha iyi, her ne kadar yüksek iyon motorları .

Aydınlatma yardımı

Kısa bir darbe ya da saniyede da küçük bir yay üretme aygıtları, soba veya gaz çakmak ya da doğrudan bir şekilde tutuşturmak gaz alevleri için kullanılır aralığı hafif .

Gelecek uygulamalar

Çöp öğütücü

ABD şirketi Startech, Bristol , Connecticut'ta elektrik arkları aracılığıyla atıkların plazma gazlaştırılması için bir pilot tesis işletiyor . Yüksek voltaj altında olan iki elektrot, reaksiyon kabının içine doğru çıkıntı yapar. Yüksek voltaj, aradaki havayı elektriksel olarak iletken plazmaya dönüştürür. 17.000 santigrat dereceye kadar ulaşılır ve odanın duvarlarında hala 1.700 derece vardır. Giren maddelerin molekülleri atomlarına ayrışır: atığın inorganik bileşenleri erir ve reaktörün dibinde toplanır. Buna karşılık, organik maddeler (örneğin plastikler) buharlaşarak gaza dönüşür. Hidrojene ek olarak, esas olarak karbon monoksit içerir.

İşlemle ilgili sorun, aşırı derecede yüksek enerji tüketimidir. Yakın gelecekte sadece tehlikeli atık bertarafı için ekonomik olmalıdır.

ark plazma reaktörü

Bu, kömürden etin üretmek için bir işlemdir .

Süreç, 1980 yılında Hüls AG ( Marl Chemical Park ) ve DMT şirketi arasında asetilen üretimi için ortak bir proje olarak geliştirildi . Reaksiyondan önce kömür çok ince öğütülmelidir (partikül boyutu: 100 µm). Ark plazmasında 1000-2000 K gibi çok yüksek sıcaklıklarda (ThO ₂ ile katkılı tungstenden yapılmış katot , bakırdan yapılmış anot), bir hidrojen ve karbon parçacıkları karışımının kısa temas süreleriyle (birkaç ms) reaksiyona girmesine neden olur; su ile söndürme etin üretir. Pilot tesisin kömür verimi, %50 kömür dönüşümü, 20/100 kg kömür asetilen verimi, 1000 A akım, 1250 V voltaj ile 350-500 kg / s civarındaydı. Asetilene ek olarak ( ağırlık %25, %0) hala önemli bir oranda karbon monoksit (ağırlıkça %19.9) ve hidrojen (ağırlıkça %33.6) içerir.

İşlem, dünyanın bazı bölgelerinde ucuz kömür ve elektrik varlığında hidrokarbon bileşiklerinin üretimi için ilgi çekici olabilir.

İnternet linkleri

Vikisözlük: Arc  - anlam açıklamaları, kelime kökenleri, eş anlamlılar, çeviriler

Bireysel kanıt

1. ↑ A. Anders: Ark plazma biliminin kökeninin izini sürmek-II. erken sürekli deşarjlar . In: Plazma Biliminde IEEE İşlemleri . 31, No. 5, 2003, s. 1060-9. doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
2. ↑ Hertha Ayrton: Elektrik Ark (KLASİK YENİDEN YAZDIRMA) . UNUTULAN KİTAPLAR, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , s.94 .
3. ^ Elektrik Ark , Hertha Ayrton tarafından, sayfa 20
4. ↑ Matthew Luckiesh: Yapay ışık, medeniyet üzerindeki etkisi . İçinde: Doğa . 107, No. 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} " Ark plazmasının kökeninin izlenmesi Bilim-II. Erken sürekli deşarjlar ". André ANDERS tarafından. IEEE Xplore , ieee.org. Plazma Biliminde IEEE İşlemleri . Cilt: 31, sayı: 5, Ekim 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: Teknik okullar için elektrik mühendisliği: Güç elektroniğine giriş içeren elektrikli makineler . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [erişim tarihi 8 Temmuz 2016]). 
9. ↑ Manfred Dworschak: Güneş kadar sıcak . İçinde: Der Spiegel . Hayır. 16 , 2007, s. 166 ( spiegel.de ). 
10. ↑ Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: Kömürden asetilen üretimi için ark plazma reaktörü. İçinde: Kimya -Ing.-Tech. 65, 1993, No. 3, sayfa 293-297.