Arco eléctrico

Se crea un arco por ionización por impacto cuando la diferencia de potencial eléctrico (= voltaje ) y la densidad de corriente son suficientemente altas . La descarga de gas forma un plasma en el que las partículas ( átomos o moléculas ) están al menos parcialmente ionizadas. El resultado de los portadores de carga gratuitos es que el gas se vuelve eléctricamente conductor. La mayoría de los plasmas son casi neutros, por lo que el número de iones y electrones con carga positiva es idéntico. Dado que los iones son mucho más lentos en comparación con los electrones mucho más ligeros, los electrones suelen ser relevantes casi exclusivamente para el transporte de electricidad.

En la industria de la energía eléctrica, durante las operaciones de conmutación, los arcos que se producen se denominan arco de conmutación . Los arcos no deseados, que a menudo resultan en daños o accidentes, se conocen como fallas de arco .

Arco entre dos clavos de acero

historia

Video de un arco eléctrico en la escalera de Jacob

Sir Humphry Davy descubrió el arco de pulso corto en 1800. En 1801 describió el fenómeno en un artículo publicado en el Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts por William Nicholson (químico) . Hasta donde sabemos hoy, Davys describió una chispa en lugar de un arco. En el mismo año, Davy demostró públicamente el efecto frente a la Royal Society transmitiendo corriente eléctrica a través de dos varillas de carbono en contacto y luego separándolas un poco. La demostración creó un arco "débil" entre los puntos de carbón que no se puede distinguir fácilmente de una chispa persistente. La compañía se suscribió a una batería de 1.000 placas más potente y vio una demostración de arco a gran escala en 1808. Se le atribuye el nombre del arco. Lo llamó arco porque toma la forma de un arco hacia arriba cuando la distancia entre los electrodos no es pequeña. Esto se debe a la flotabilidad del gas caliente.

El primer arco continuo fue descubierto de forma independiente en 1802 y descrito en 1803 por Wassili Wladimirowitsch Petrow , un científico ruso que experimentó con una columna voltaica de 4.200 discos, como un "líquido especial con propiedades eléctricas".

Caracteristicas

Arco con voltaje CC de 2000 voltios a 0,7 amperios en dos electrodos de carbono
Arco a una tensión alterna de 4 kV y una corriente de 4 A.

Las características del arco son:

Con los cables de cobre, los arcos requieren un voltaje mínimo de alrededor de 12 V y una corriente mínima de alrededor de 0,4 A. Además de las ondas de alta frecuencia, también suelen emitir radiación infrarroja , visible y ultravioleta intensa .

Se requiere un voltaje de aproximadamente 30 voltios para mantener esto.

Dependiendo de los parámetros operativos, varios procesos pueden ser en gran parte responsables de la emisión de electrones del material del cátodo. Una característica importante es la función de trabajo , para que los electrones puedan salir de los sólidos que se forman. En el caso de los arcos, este se reduce por el campo externo existente ( efecto Schottky o también reducción Schottky). Otros procesos relevantes en la emisión de electrones pueden ser los siguientes:

  • Emisión térmica (también conocida como emisión termoiónica, efecto eléctrico brillante , efecto Edison, efecto Richardson o efecto Edison-Richardson),
  • Emisión de campo : el campo eléctrico existente permite que los electrones salgan del sólido a través de un túnel de mecánica cuántica.
  • Emisión de campo termoiónico: los campos eléctricos intensos provocan efectos adicionales que no están cubiertos por los puntos anteriores.
  • Emisión de electrones secundarios : cuando el cátodo cae, los iones positivos se aceleran hacia el cátodo. Cuando chocan, provocan la liberación de electrones. Los átomos o iones excitados también pueden emitir fotones altamente energéticos (en el rango UV o XUV ), que liberan electrones secundarios del cátodo debido al efecto fotográfico externo .

Cuenta actual

En un arco eléctrico, el plasma se calienta por colisiones entre los electrones acelerados en el campo eléctrico y las partículas pesadas. El calor se transporta al exterior por conducción de calor . Además, la emisión y absorción de radiación deben tenerse en cuenta en el balance de potencia . La cuenta corriente es:

: Entalpía
: Temperatura
: Densidad
: conductividad eléctrica
: campo eléctrico
: Conductividad térmica
: radiación emitida
: radiación absorbida

Teniendo en cuenta la velocidad de un elemento de volumen, el cambio de entalpía se puede escribir como:

Si ahora considera un arco cilíndrico estacionario, dispuesto verticalmente , el equilibrio de potencia se puede representar de manera más simple. Si se ignoran el flujo (en este caso el movimiento ascendente de un elemento de volumen) y los términos de radiación, se obtiene un balance de potencia que describe el calentamiento y la conducción de calor rotacionalmente simétrica hacia el exterior:

: Coordenada circular

El perfil de temperatura del arco depende del gas utilizado. Los gases moleculares se disocian en el arco . En las áreas radiales en las que la disociación de las moléculas aumenta bruscamente, la conductividad térmica del gas es muy alta y, en consecuencia, el gradiente de temperatura también es más pronunciado que cuando se utilizan gases nobles de un solo átomo . Además, también pueden producirse efectos de segregación (difusión ambipolar, cataforesis ).

Aplicaciones tecnicas

Bulbos

Los arcos se utilizaron por primera vez en la tecnología de iluminación: las lámparas de arco son las fuentes de luz eléctrica más antiguas. Davy probablemente hizo sus primeras observaciones a este respecto ya en 1802, pero las publicó sólo más tarde (1812). Los arcos se operaron primero abiertamente en el aire. Se utilizaron electrodos de grafito , que se quemaron relativamente rápido.

En las lámparas de mercurio de alta presión , se utilizan argón con una presión de algunos milibares y mercurio. La lámpara se enciende con un pulso de alto voltaje y primero forma una descarga luminiscente . A medida que aumenta la temperatura, el mercurio se evapora, la presión aumenta de acuerdo con la presión del vapor de mercurio y la descarga se convierte en una descarga de arco. Las fuertes líneas de mercurio dominan el espectro del arco.

La lámpara de arco corto de xenón se utiliza en proyectores de cine y faros potentes. El xenón tiene muchas transiciones ópticas en el espectro visible. En conexión con altas presiones de descarga, se logra un fuerte ensanchamiento de línea , de modo que junto con la emisión continua de los electrones libres, se emite un espectro bastante continuo similar a la luz del día. La fuente de radiación tiene una pequeña expansión espacial y, por lo tanto, se puede colimar fácilmente con reflectores y lentes .

Además, se han establecido diferentes variantes de arcos como estándares de radiación para ciertos rangos de longitud de onda.

soldadura

Todo tipo de arcos se utilizan como fuente de calor en la soldadura por arco, así como en el empalme de fibra óptica .

Fabricación de acero

Una aplicación importante es el horno de arco eléctrico para la fabricación de acero en acerías eléctricas .

Ácido nítrico

Antes de la invención del proceso Ostwald, mucho más eficiente (desde 1908), el ácido nítrico se producía mediante la producción de óxidos de nitrógeno quemando aire en un arco eléctrico ( proceso Birkeland-Eyde ).

Creación de finas capas metálicas

Otra aplicación es la producción de finas capas metálicas mediante evaporación por arco (Arc- PVD ). Aquí, por medio de la energía cinética de los electrones del arco, se liberan átomos o moléculas de un material sólido (blanco) y se depositan sobre un sustrato. Este proceso se utiliza, entre otras cosas, para recubrimientos de nitruro de titanio que reducen el desgaste en herramientas de corte .

Análisis químico

El arco tiene una aplicación clásica en el análisis espectral para la determinación de componentes principales y traza, principalmente de sólidos. El material a analizar se vaporiza en arco eléctrico, excitándose las correspondientes líneas espectrales. La determinación de los elementos químicos a través de sus líneas emitidas y la determinación de su proporción en la muestra mediante la intensidad de la emisión se realiza en un espectrómetro de emisión óptica (OES). Se utilizan principalmente arcos de corriente continua con electrodos de carbono o grafito .

Medios de impulsión

Los motores de arco usan un arco para calentar fuertemente un gas de empuje y así acelerarlo desde una boquilla a alta velocidad (> 4 km / s). Los motores de arco se utilizan como motores en satélites para realizar el mantenimiento de la órbita y las maniobras de cambio de órbita . El empuje que se puede generar es significativamente menor que con los motores de combustión química, mientras que el impulso específico es significativamente mejor, aunque no tan alto como con los motores de iones .

Ayuda de iluminación

Los dispositivos para generar un pequeño arco, ya sea como un pulso corto o en el rango de los segundos, se utilizan para encender llamas de gas en estufas o encendedores de gas o directamente como encendedor .

Aplicaciones futuras

Basurero

La empresa estadounidense Startech opera una planta piloto en Bristol , Connecticut , para la gasificación por plasma de residuos mediante arcos eléctricos. Dos electrodos, que están sometidos a alto voltaje, sobresalen hacia el interior del recipiente de reacción. El alto voltaje transforma el aire intermedio en plasma conductor de electricidad. Se alcanzan hasta 17.000 grados Celsius y todavía hay 1.700 grados en las paredes de la cámara. Las moléculas de las sustancias introducidas se descomponen en sus átomos: los componentes inorgánicos de los desechos se funden y se acumulan en el fondo del reactor. Por el contrario, las sustancias orgánicas (por ejemplo, plásticos) se evaporan en gas. Además de hidrógeno, contiene principalmente monóxido de carbono.

El problema del proceso es el consumo de energía exorbitantemente alto. En un futuro próximo, solo debería ser económico para la eliminación de residuos peligrosos.

Reactor de plasma de arco

Este es un proceso para producir etino a partir del carbón.

El proceso se desarrolló en 1980 como un proyecto conjunto entre Hüls AG ( Marl Chemical Park ) y la empresa DMT para la producción de acetileno. Antes de la reacción, el carbón debe triturarse muy finamente (tamaño de partícula: 100 μm). A temperaturas muy altas de 1000-2000 K en el arco de plasma (cátodo hecho de tungsteno dopado con ThO 2 , ánodo hecho de cobre), se hace reaccionar una mezcla de partículas de hidrógeno y carbono con tiempos de contacto cortos (unos pocos ms); enfriar con agua produce etino. El rendimiento de carbón de la planta piloto fue de alrededor de 350-500 kg / h con una conversión de carbón del 50%, un rendimiento de acetileno de 20/100 kg de carbón, una corriente de 1000 A, un voltaje de 1250 V. Además de acetileno ( peso 25, 0%) todavía tienen una proporción considerable de monóxido de carbono (19,9% en peso) e hidrógeno (33,6% en peso).

El proceso puede ser de interés para la producción de compuestos de hidrocarburos en presencia de carbón y electricidad baratos en algunas regiones del mundo.

enlaces web

Commons : Arc  : colección de imágenes, videos y archivos de audio
Wikcionario: Arco  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

Evidencia individual

  1. A. Anders: Rastreando el origen de la ciencia del plasma de arco-II. descargas continuas tempranas . En: IEEE Transactions on Plasma Science . 31, núm. 5, 2003, págs. 1060-9. doi : 10.1109 / TPS.2003.815477 .
  2. Hertha Ayrton: Arco eléctrico (REIMPRESIÓN CLÁSICA) . LIBROS OLVIDADOS, Sl 2015, ISBN 978-1-330-18759-3 , p. 94.
  3. ^ El arco eléctrico , de Hertha Ayrton, página 20
  4. Matthew Luckiesh: Luz artificial, su influencia en la civilización . En: Naturaleza . 107, No. 2694, 1920, p. 112. bibcode : 1921Natur.107..486. . doi : 10.1038 / 107486b0 .
  5. ^ Humphry Davy: Elementos de la filosofía química 1812, ISBN 978-0-217-88947-6 , p. 85.
  6. a b " Rastreando el origen del plasma de arco Ciencia-II. Descargas continuas tempranas ". de André ANDERS. IEEE Xplore , ieee.org. Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma . Volumen: 31, número: 5, octubre de 2003.
  7. VP Kartsev: Shea, William R. (Ed.): Nature Mathematized . Kluwer Academic, Boston, MA 1983, ISBN 978-90-277-1402-2 , pág.279.
  8. ^ Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Ingeniería eléctrica para escuelas técnicas: Máquinas eléctricas con una introducción a la electrónica de potencia . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-92706-4 ( google.com [consultado el 8 de julio de 2016]).
  9. Manfred Dworschak: Caliente como el sol . En: Der Spiegel . No. 16 , 2007, pág. 166 ( spiegel.de ).
  10. Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner: reactor de plasma de arco para la producción de acetileno a partir de carbón. En: Chem. -Ing.-Tech. 65, 1993, núm. 3, págs. 293-297.