电弧

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当电势差(电压)和电流密度由于碰撞电离而足够高时,就会发生电弧。气体放电形成等离子体,其中粒子(原子或分子)至少部分电离。自由载流子导致气体变得导电。大多数等离子体是准中性的,因此带正电的离子和电子的数量是相同的。由于离子比轻得多的电子慢得多,因此电子通常几乎完全与电流传输相关。 电力工程中开关操作时产生的电弧称为开关电弧。通常会导致损坏或事故的不良电弧被称为电弧故障。 电弓的特点是: 与辉光放电...

电弧

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电势差(电压)和电流密度由于碰撞电离而足够高时,就会发生电弧气体放电形成等离子体,其中粒子(原子分子)至少部分电离。 自由载流子导致气体变得导电。 大多数等离子体是准中性的,因此带正电的离子和电子的数量是相同的。 由于离子比轻得多的电子慢得多,因此电子通常几乎完全与电流传输相关。

电力工程中开关操作时产生的电弧称为开关电弧。 通常会导致损坏或事故的不良电弧被称为电弧故障。

特点

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电弓的特点是:

  • 与辉光放电相比相对较小的阴极电压降(在所涉及原子的激发或电离电位的数量级上,大约 10 eV),
  • 区域下降(非欧姆)电流-电压特性(负微分电阻),
  • 与辉光放电相比,等离子体中的高电流密度,
  • 气体和电子温度强耦合。 通常大约达到局部热平衡
  • 气压相对较高 (p > 0.1 bar)。
  • 气体温度介于 5,000 K 和 50,000 K 之间。

电弧在铜线上需要至少 12 V 左右的电压和 0.4 A 左右的最小电流。除了高频波外,它们通常还会发出强烈的红外线、可见光和紫外线辐射。

需要大约 30 伏的电压来维持它。

根据操作参数,各种过程可能主要负责从阴极材料发射电子。 一个重要的参数是功函数,必须执行功函数才能使电子离开固体。 在电弧的情况下,这会因现有的外部场(肖特基效应或肖特基屈辱)而降低。 电子发射的其他相关过程如下:

  • 热发射(也称为热电子发射、辉光电效应、爱迪生效应、理查森效应或爱迪生-理查森效应),
  • 场发射:现有的电场允许电子以量子力学的方式从固体中穿出隧道
  • 热场发射:强电场会导致上述各点未涵盖的其他影响。
  • 二次电子发射:由于阴极下降,正离子向阴极加速。 当它们撞击时,会导致电子释放。 激发的原子或离子也可以发射高能光子(在 UV 或 XUV 范围内),由于外部光效应,这些光子从阴极释放二次电子。

当前余额

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在电弧中,在电场中加速的电子与重粒子之间的碰撞会加热等离子体。 热量通过热传导传递到外部。 此外,在功率平衡中必须考虑辐射的发射和吸收。

如果你现在看一个垂直排列的静止操作的圆柱形电弧,那么功率平衡可以更简单地表示。 如果忽略流动(在这种情况下,体积元素的向上运动)和辐射项,则获得描述加热和旋转对称热传导到外部的功率平衡:

σ ⋅ E 2 = 1 r d d r r κ d T d r = 0

电弧的温度曲线取决于所使用的气体。 分子气体在电弧中解离。 在分子离解急剧增加的径向区域,气体的热导率非常高,温度梯度相应地比使用单原子惰性气体时更陡峭。分离效应(双极扩散、电泳)也会发生。

技术应用

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灯泡

电弧最早用于照明技术:弧光是最古老的电光源。 电弧首先在空气中公开操作。 使用了石墨电极,它相对较快地烧掉了。

高压水银灯中使用压力为几毫巴的氩气和水银。 灯由高压脉冲点燃,仅产生辉光放电。 随着温度升高,水银蒸发,压力根据水银蒸气压增加,放电变成电弧放电。 强水银线在电弧的光谱中占主导地位。

氙气短弧灯用于电影放映机和强光头灯。 氙在可见光谱中有许多光学跃迁。 结合高放电压力,实现了强烈的谱线展宽,因此连同自由电子的连续谱发射,总体上发射出相当连续的、类似日光的光谱。 辐射源的空间范围很小,因此可以很容易地用反射器和透镜准直。

此外,不同的电弧变体已被确立为特定波长范围的辐射标准。

电弧

焊接

各种电弧在电焊以及玻璃纤维拼接中用作热源。

炼钢

一个重要的应用是电炉电炉。

硝酸

在发明效率更高的奥斯特瓦尔德工艺(从 1908 年开始)之前,硝酸是通过电弧(伯克兰-艾德工艺)中的空气燃烧产生氮氧化物来生产的。

薄金属层的生成

另一个应用是使用电弧汽化 (Arc-PVD) 生产薄金属层。 在这里,电弧电子的动能用于从固体材料(目标)中释放原子或分子,并将它们沉积在基板上。 除其他外,该工艺还用于在切削工具上减少磨损的氮化钛层。

化学分析

电弧的一个经典应用是光谱分析,用于测定主要和痕量成分,主要是固体。 待分析材料在电弧中汽化,从而激发出相应的谱线。 在光学发射光谱仪 (OES) 中通过发射线确定化学元素,并通过发射强度确定它们在样品中的比例。 主要使用带有碳或石墨电极的直流电弧。

推进剂

电动推力器使用电动推力器加热推进剂气体,从而以高速(> 4 km / s)从喷嘴加速它。电动推力器用作卫星上的发动机来执行轨道维护和轨道改变机动。

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词条目录
  1. 电弧
  2. 特点
  3. 当前余额
  4. 技术应用
  5. 灯泡
  6. 焊接
  7. 炼钢
  8. 硝酸
  9. 薄金属层的生成
  10. 化学分析
  11. 推进剂

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