Wenn wir über die Eigenschaften eines Lichtbogens sprechen, ist es erwähnenswert, dass er eine niedrigere Spannung als eine Glimmentladung hat und auf der thermionischen Strahlung von Elektronen von den Elektroden beruht, die den Lichtbogen unterstützen. Im englischsprachigen Raum gilt dieser Begriff als archaisch und ver altet.
Lichtbogenunterdrückungstechniken können verwendet werden, um die Lichtbogendauer oder die Wahrscheinlichkeit von Lichtbögen zu reduzieren.
In den späten 1800er Jahren wurde der Lichtbogen weithin für die öffentliche Beleuchtung verwendet. Einige Niederdrucklichtbögen werden in vielen Anwendungen verwendet. Zur Beleuchtung werden beispielsweise Leuchtstofflampen, Quecksilber-, Natrium- und Metallhalogenidlampen verwendet. Xenon-Bogenlampen wurden für Filmprojektoren verwendet.
Öffnen des Lichtbogens
Dieses Phänomen wurde vermutlich erstmals von Sir Humphry Davy in einem Artikel aus dem Jahr 1801 beschrieben, der in William Nicholsons Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts veröffentlicht wurde. Das von Davy beschriebene Phänomen war jedoch kein Lichtbogen, sondern nur ein Funke. Spätere Entdeckerschrieb: „Dies ist offensichtlich keine Beschreibung eines Lichtbogens, sondern eines Funkens. Die Essenz des ersten ist, dass es kontinuierlich sein muss und seine Pole sich nicht berühren dürfen, nachdem es entstanden ist. Der von Sir Humphry Davy erzeugte Funke war eindeutig nicht kontinuierlich, und obwohl er nach dem Kontakt mit Kohlenstoffatomen einige Zeit lang geladen blieb, gab es höchstwahrscheinlich keine Verbindung des Lichtbogens, was für seine Klassifizierung als voltaischer Lichtbogen erforderlich ist.
Im selben Jahr demonstrierte Davy den Effekt öffentlich vor der Royal Society, indem er einen elektrischen Strom durch zwei sich berührende Kohlenstoffstäbe leitete und sie dann ein Stück auseinander zog. Die Demonstration zeigte einen "schwachen" Lichtbogen, der kaum von einem stetigen Funken zu unterscheiden war, zwischen Holzkohlepunkten. Die wissenschaftliche Gemeinschaft versorgte ihn mit einer leistungsfähigeren Batterie von 1000 Platten, und 1808 demonstrierte er das Auftreten eines Lichtbogens in großem Maßstab. Ihm wird auch sein Name auf Englisch zugeschrieben (elektrischer Lichtbogen). Er nannte es einen Bogen, weil es die Form eines nach oben gerichteten Bogens annimmt, wenn der Abstand zwischen den Elektroden eng wird. Dies liegt an den leitfähigen Eigenschaften von heißem Gas.
Wie ist der Lichtbogen entstanden? Der erste kontinuierliche Lichtbogen wurde 1802 unabhängig aufgezeichnet und 1803 von dem russischen Wissenschaftler Vasily Petrov, der mit einer 4.200-Scheiben-Kupfer-Zink-Batterie experimentierte, als „eine spezielle Flüssigkeit mit elektrischen Eigenschaften“beschrieben.
Weiterführendes Studium
Ende des 19. Jahrhunderts war der Lichtbogen weit verbreitetfür die öffentliche Beleuchtung verwendet. Die Neigung von Lichtbögen zum Flackern und Zischen war ein großes Problem. 1895 schrieb Hertha Marx Ayrton eine Reihe von Artikeln über Elektrizität, in der sie erklärte, dass der Lichtbogen das Ergebnis des Kontakts von Sauerstoff mit den Kohlenstoffstäben sei, die zur Erzeugung des Lichtbogens verwendet wurden.
1899 war sie die erste Frau überhaupt, die vor dem Institute of Electrical Engineers (IEE) eine eigene Arbeit hielt. Ihr Bericht trug den Titel „Der Mechanismus des Lichtbogens“. Kurz darauf wurde Ayrton als erstes weibliches Mitglied des Institute of Electrical Engineers gewählt. Bereits 1958 wurde die nächste Frau in das Institut aufgenommen. Ayrton beantragte, vor der Royal Society eine Abhandlung vorlesen zu dürfen, durfte dies aber aufgrund ihres Geschlechts nicht, und John Perry las 1901 an ihrer Stelle The Mechanism of the Electric Arc.
Beschreibung
Ein Lichtbogen ist eine elektrische Entladung mit der höchsten Stromdichte. Die maximale Stromaufnahme durch den Lichtbogen wird nur durch die Umgebung begrenzt, nicht durch den Lichtbogen selbst.
Der Lichtbogen zwischen zwei Elektroden kann durch Ionisation und Glimmentladung gezündet werden, wenn der Strom durch die Elektroden erhöht wird. Die Durchbruchspannung des Elektrodenabstands ist eine kombinierte Funktion des Drucks, des Abstands zwischen den Elektroden und der Art des die Elektroden umgebenden Gases. Wenn ein Lichtbogen beginnt, ist seine Klemmenspannung viel kleiner als die einer Glimmentladung, und der Strom ist höher. Ein Lichtbogen in Gasen nahe Atmosphärendruck ist durch sichtbares Licht gekennzeichnet,hohe Stromdichte und hohe Temperatur. Sie unterscheidet sich von einer Glimmentladung dadurch, dass die effektiven Temperaturen von Elektronen und positiven Ionen ungefähr gleich sind, und bei einer Glimmentladung haben Ionen eine viel geringere thermische Energie als Elektronen.
Beim Schweißen
Ein verlängerter Lichtbogen kann durch zwei zunächst in Kontakt stehende und während des Experiments getrennte Elektroden gezündet werden. Diese Aktion kann einen Lichtbogen ohne Hochspannungs-Glimmentladung auslösen. Auf diese Weise beginnt der Schweißer mit dem Schweißen der Verbindung, indem er das Werkstück sofort mit der Schweißelektrode berührt.
Ein weiteres Beispiel ist das Trennen von elektrischen Kontakten an Sch altern, Relais oder Leistungssch altern. In Hochenergiesch altungen kann eine Lichtbogenunterdrückung erforderlich sein, um Kontaktschäden zu vermeiden.
Lichtbogen: Eigenschaften
Der elektrische Widerstand entlang eines kontinuierlichen Lichtbogens erzeugt Wärme, die mehr Gasmoleküle ionisiert (wobei der Grad der Ionisierung durch die Temperatur bestimmt wird), und gemäß dieser Sequenz verwandelt sich das Gas allmählich in ein thermisches Plasma, das sich im thermischen Gleichgewicht befindet da die Temperatur für alle Atome, Moleküle, Ionen und Elektronen relativ gleichmäßig verteilt ist. Die von den Elektronen übertragene Energie verteilt sich schnell bei schwereren Teilchen durch elastische Stöße aufgrund ihrer hohen Beweglichkeit und großen Anzahl.
Der Strom im Lichtbogen wird durch thermionische und Feldemission von Elektronen an der Kathode unterstützt. Stromkann in einem sehr kleinen Hot Spot auf der Kathode konzentriert werden - in der Größenordnung von einer Million Ampere pro Quadratzentimeter. Im Gegensatz zur Glimmentladung ist die Bogenstruktur kaum zu erkennen, da die positive Säule recht hell ist und an beiden Enden fast bis zu den Elektroden reicht. Der Kathodenabfall und der Anodenabfall von wenigen Volt treten innerhalb eines Bruchteils eines Millimeters von jeder Elektrode auf. Die positive Säule hat einen geringeren Spannungsgradienten und kann bei sehr kurzen Lichtbögen fehlen.
Niederfrequenter Lichtbogen
Niedrigfrequenter (weniger als 100 Hz) AC-Lichtbogen ähnelt DC-Lichtbogen. Bei jedem Zyklus wird der Lichtbogen durch einen Durchschlag ausgelöst, und die Elektroden wechseln ihre Rollen, wenn der Strom die Richtung ändert. Wenn die Stromfrequenz zunimmt, bleibt bei der Divergenz in jeder Halbwelle nicht mehr genügend Zeit für die Ionisation, und ein Durchschlag ist nicht mehr erforderlich, um den Lichtbogen aufrechtzuerh alten - die Spannungs- und Stromkennlinie wird ohmscher.
Ein Ort unter anderen physikalischen Phänomenen
Unterschiedliche Lichtbogenformen sind aufkommende Eigenschaften von nichtlinearen Strom- und elektrischen Feldmustern. Der Lichtbogen entsteht in einem gasgefüllten Raum zwischen zwei leitenden Elektroden (häufig Wolfram oder Kohlenstoff), was zu sehr hohen Temperaturen führt, die die meisten Materialien schmelzen oder verdampfen lassen. Ein Lichtbogen ist eine kontinuierliche Entladung, während eine ähnliche elektrische Funkenentladung augenblicklich erfolgt. Ein Lichtbogen kann entweder in Gleichstromkreisen oder in Wechselstromkreisen auftreten. Im letzteren Fall darf sieSchlagen Sie jede Halbwelle des Stroms. Ein Lichtbogen unterscheidet sich von einer Glimmentladung dadurch, dass die Stromdichte ziemlich hoch und der Spannungsabfall innerhalb des Lichtbogens gering ist. An der Kathode kann die Stromdichte ein Megaampere pro Quadratzentimeter erreichen.
Destruktives Potenzial
Der Lichtbogen hat einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung. Sobald der Lichtbogen erzeugt wurde (entweder durch Fortschreiten einer Glimmentladung oder durch kurzzeitiges Berühren der Elektroden und dann Trennen), führt die Stromerhöhung zu einer niedrigeren Spannung zwischen den Lichtbogenanschlüssen. Dieser negative Widerstandseffekt erfordert, dass eine Form positiver Impedanz (wie ein elektrisches Vorsch altgerät) in den Stromkreis eingebaut wird, um einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerh alten. Diese Eigenschaft führt dazu, dass unkontrollierte Lichtbögen in einer Maschine so zerstörerisch sind, dass sie nach Auftreten des Lichtbogens immer mehr Strom aus der Gleichspannungsquelle ziehen, bis das Gerät zerstört ist.
Praktische Anwendung
Im industriellen Maßstab werden Lichtbögen zum Schweißen, Plasmaschneiden, zur Funkenerosion, als Bogenlampe in Filmprojektoren und in der Beleuchtung eingesetzt. Lichtbogenöfen werden zur Herstellung von Stahl und anderen Stoffen verwendet. Calciumcarbid wird auf diese Weise gewonnen, da zur Erzielung einer endothermen Reaktion (bei Temperaturen von 2500°C) eine große Menge anEnergie.
Kohlebogenlampen waren die ersten elektrischen Lampen. Sie wurden im 19. Jahrhundert für Straßenlaternen und bis zum Zweiten Weltkrieg für Spezialgeräte wie Suchscheinwerfer verwendet. Niederdrucklichtbögen werden heute in vielen Bereichen eingesetzt. Beispielsweise werden Leuchtstoff-, Quecksilber-, Natrium- und Metallhalogenidlampen zur Beleuchtung verwendet, während Xenon-Bogenlampen für Filmprojektoren verwendet werden.
Die Bildung eines intensiven Lichtbogens, ähnlich einem kleinen Lichtbogenblitz, ist die Grundlage für explosive Zünder. Als Wissenschaftler erfuhren, was ein Lichtbogen ist und wie er verwendet werden kann, haben wirksame Sprengstoffe die Vielf alt der Weltwaffen wieder aufgefüllt.
Die verbleibende Hauptanwendung sind Hochspannungssch altanlagen für Übertragungsnetze. Moderne Geräte verwenden auch Hochdruck-Schwefelhexafluorid.
Schlussfolgerung
Trotz der Häufigkeit von Lichtbogenverbrennungen gilt es als ein sehr nützliches physikalisches Phänomen, das in Industrie, Fertigung und Dekorationsgegenständen immer noch weit verbreitet ist. Sie hat ihre eigene Ästhetik und ist oft in Science-Fiction-Filmen zu sehen. Die Niederlage des Lichtbogens ist nicht tödlich.
