Gleichstrom-Lichtbogen - (LiBogen)

TU Ilmenau
Fakultät EI
Institut für Werkstofftechnik
Ausgabe: September 2009
Dr. B. Dzur
Gleichstrom-Lichtbogen - (LiBogen)
1.
VERSUCHSZIEL
Der elektrische Lichtbogen ist das Grundelement vieler plasmatechnischer Anlagen und Verfahren.
Deshalb sollen durch Messungen an einem stationär, bei Normaldruck in definierter Gasatmosphäre
„frei brennenden“ Gleichstromlichtbogen seine wesentlichen Eigenschaften quantitativ erfasst,
kennen gelernt und ein besseres Verständnis für die in Plasmatrons ablaufenden physikalischen
Prozesse erzielt werden.
2.
VERSUCHSGRUNDLAGEN
Ladungsträgererzeugung
Freie Ladungsträger sind Elektronen und positive und negative Ionen. Die Erzeugung von freien
Ladungsträgern erfolgt sowohl im Plasma (Ionisation) als auch an der Katode (Emission). Die
Ionisation ist also Voraussetzung für die Erzeugung von Ladungsträgern. Man unterscheidet
dabei:
- die direkte Ionisation im Gasraum durch Teilchenstöße
- die indirekte Erzeugung von Ladungsträgern an Grenzflächen (Emission)
Dazu ist immer Energie nötig, die aus verschiedenen Quellen stammen kann:
- hohe Temperaturen
- energiereiche Strahlung
- ein von außen angelegtes elektrisches Feld
Die ersten Ionisierungsenergien wichtiger Elemente bzw. die Austrittsarbeit für Elektronen aus
verschiedenen Elektrodenwerkstoffen sind in Tabelle 1 und 2 zusammengefasst
Tabelle 1: Erste Ionisierungsenergie verschiedener Elemente
Element
Ei [eV]
Ar
15,76
H
13,6
He
24,58
N
14,55
O
13,62
Cu
7,72
Na
5,14
W
7,97
Tabelle 2: Austrittsarbeiten verschiedener Werkstoffe
Element
C
Cu
W
W+ThO2
W+BaO
Wa [eV]
4,36
4,48
4,53
2,63
1,6
Oxidkatode
(Ba/Sr/O)
1,0
Die Mechanismen der Ladungsträgererzeugung sind im Bild 1 zusammengefasst und darunter kurz
erklärt.
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
Ionisation
im Gasraum
Emission
aus Grenzflächen
thermische
Energie
thermische
Ionisation
Thermoemission
Strahlungsenergie
Fotoionisation
Fotoemission
elektrisches
Feld
Stoßionisation
Feld-/SEemission
2
Bild 1: Möglichkeiten der Ladungsträgererzeugung
thermische
Energie
Strahlungsenergie
elektrisches
Feld
Ionisation im Gasraum
Die Ionisation erfolgt durch Stöße
von Teilchen untereinander. Die
notwendige Energie kommt aus der
Brown´schen Molekularbewegung.
Die Ionisation erfolgt durch Stöße
energiereicher
Photonen
auf
Neutralteilchen. Das spielt z.B. bei
der Blitzentstehung eine wichtige
Rolle.
Die Ionisation erfolgt durch Stöße
von Ladungsträgern, die durch ein
E-Feld beschleunigt wurden. Das
schaffen meist nur die Elektronen,
weil
sie
die
höchste
Geschwindigkeit
und
Energie
haben.
Emission aus Grenzflächen
Bei sehr hohen Temperaturen im
Bereich des Schmelzpunktes können
Festkörper Elektronen aussenden
(„Glühkatode“)
Spezielle Werkstoffe können unter
dem Einfluss von Strahlung
Elektronen aussenden. Spielt im
Plasma aber praktisch keine Rolle.
Besonders an Spitzen, können durch
sehr hohe Feldstärken Elektronen
frei gesetzt werden (Feldemission).
Im E-Feld beschleunigte, schwere
Ionen können bei genügend hoher
Geschwindigkeit
auch
beim
Aufprall auf einen Festkörper aus
diesem Elektronen herausschlagen
(„Sekundärelektronen-Emission“,
SEE).
Um ein selbständiges Plasma zu erzeugen, müssen immer mindestens zwei davon, nämlich immer
ein Ionisations- und ein Emissionsprozess zusammenwirken. Das sind zum Beispiel:
- die thermische Ionisation und Thermoemission beim Lichtbogen.
- die Stoßionisation und Sekundärelektronen-Emission in der Glimmentladung der
Leuchtstoffröhren.
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
3
Selbständige Gasentladungen
Zündung von Gasentladungen
Keine Gasentladung startet von sich aus. Um sie zu zünden, müssen von einer äußeren Quelle
primäre Ladungsträger bereit gestellt werden. Das kann z.B. passieren durch:
- Glühkatoden,
- Spannungsüberhöhung,
- Zündfunken,
- energiereiche Strahlung.
Dann kann bei entsprechenden Bedingungen ein Prozess der Ladungsträgererzeugung intern in
Gang gesetzt werden. Es ergibt sich eine bestimmte Bilanz der Ladungsträger aus ihrer Erzeugung
und ihrem immer gleichzeitig ablaufenden Verschwinden, z. B. durch Rekombination.
Solange eine Gasentladung von einer äußeren Ionisierungsquelle abhängig ist, handelt es sich um
eine unselbständige Entladung. Die Ladungsträgerbilanz ist negativ, es verschwinden mehr
Ladungsträger als nachgeliefert werden. Sie erlischt sofort, wenn die äußere Quelle abgeschaltet
wird. Da sie meist kein Licht aussendet, nennt man sie auch Dunkelentladung. Sie hat technisch
praktisch keine Bedeutung. Ist die von außen zugeführte Energie ausreichend, um durch die inneren
Ionisierungsprozesse mindestens genauso viele Ladungsträger erzeugt werden, wie durch
Rekombination verloren gehen (positive Ladungsträgerbilanz), erfolgt der Übergang zur
selbständigen Gasentladung.
Durchschlag
Damit ein Strom fließen kann, müssen die Elektroden leitfähig miteinander verbunden werden. Der
dazu erforderliche Durchschlag ist zunächst nichts weiter als ein Verlust der Isolationsfähigkeit der
Gasstrecke. Zu den zwei Grundformen der Gasentladung gehört dabei jeweils ein spezieller
Durchschlagmechanismus:
o Der TOWNSENDsche Durchschlagsmechanismus ist ein Modell des Zündvorganges, der im
wesentlichen in einem Zusammenwirken von α- und γ-Prozessen besteht [siehe MIERDEL,
„Elektrophysik“, Verlag Technik]. Die durch das Feld beschleunigten Elektronen ionisieren im
Gas weitere Atome und verstärken dadurch den Strom (Bildung einer Elektronenlawine, αProzess); die gleichzeitig entstehenden Ionen wandern zur Katode, beschleunigt durch den
Katodenfall, und erzeugen dort sekundäre Elektronen (γ-Prozess], die wieder zur Verstärkung
des Elektronenstroms führen, usw. Er ist typisch für Niederdruckentladungen (z.B.
Glimmentladungen)
o Der Hochdruck-Durchschlag beginnt wie der im Niederdruck, nur dass hier wegen der hohen
Temperaturen noch andere Effekte wirken. Speziell ist das die Bildung von zusätzlichen
Elektronenlawinen durch Fotoionisation an der Spitze der primären Lawine. Sie verbinden sich
mit der Primärlawine was dazu führt, dass die Feldstärke an dieser Spitze stark ansteigt. Die
langsamen Ionen bleiben zurück und es entsteht ein Dipol. Erreicht dessen Feldstärke den Wert
des äußeren E-Feldes, entsteht ein leitfähiger Kanal („STEAMER“), der die beiden Elektroden
verbindet. Gewitterblitze, Funken und Lichtbögen entstehen so. Im Gegensatz zum
Niederdruck-Durchschlag ist er nicht vom Katodenmaterial abhängig.
4
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
Thermisches Plasma
Ein Plasma entsteht durch weitere Energiezufuhr aus einem Gas, enthält daher eine merkliche
Anzahl freier Ladungsträger (Elektronen, Ionen), ist also teilweise ionisiert. Die Anwesenheit von
Ladungsträgern führt dazu, daß Plasmen elektromagnetische Felder erzeugen und umgekehrt durch
elektromagnetische Felder beeinflussbar sind. Positive und negative Ladungsträger sind im Mittel in
gleicher Zahl vorhanden. Das Plasma erscheint nach außen elektrisch neutral; man spricht von
Quasineutralität.
Das Plasma entsteht z.B. durch
− hohe Temperaturen: Sterninneres
− starke elektrische Felder: Funke, Blitzentladungen, technische Gasentladung
− Einstrahlung energiereicher Photonen: Ionosphäre
Bei thermischen Plasmen nähert sich der thermodynamische Zustand des Plasmas dem
Gleichgewicht. Alle Teilchen besitzen die gleiche Temperatur:
Telectron = Tatom = Tion ≡ Tgas
(1)
Ein vollständiges thermodynamisches Gleichgewicht entspricht einem idealisierten Zustand und
bedeutet zusätzlich das Vorhandensein von :
o kinetischem Gleichgewicht => jede Teilchenkomponente (Elektronen, Ionen, Atome,
Moleküle) folgt der MAXWELL-BOLTZMANNschen Geschwindigkeitsverteilung. Die aus der
Verteilungsfunktion definierten Temperaturen der einzelnen Plasmakomponenten sind gleich:
Die Temperatur der Elektronen Te ist gleich der Temperatur der schweren Teilchen (Atome,
Ionen, Moleküle) , d.h. der Gastemperatur Tg (Te = Tg).
o Anregungsgleichgewicht => die angeregten Zustände entsprechen ebenfalls der MAXWELLBOLTZMANN-Verteilung.
o chemischem Gleichgewicht => die chemischen Reaktionen (Dissoziation, Ionisation) werden
durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben. Es gilt die dem Massenwirkungsgesetz
entsprechende, EGGERT-SAHA-Gleichung für die Ionisation(Berechnung der Elektronen- und
Ionendichten).
o Strahlungsgleichgewicht => die Dichte des Strahlungsfeldes entspricht der der schwarzen
Strahlung. Es gilt das KIRCHHOFF-PLANCKsche Strahlungsgesetz.
Die zu diesen Gleichgewichten gehörenden Temperaturen müssen alle gleich der Teilchen- bzw.
Plasmatemperatur sein.
Reale Plasmen erreichen aufgrund von Energieverlusten durch Strahlung, Konvektion und
Wärmeleitung den idealen Zustand nicht. Der Zustand des schwarzen Strahlers wird nicht erreicht,
das Plasma ist meist optisch dünn. Es wird lokales thermodynamisches Gleichgewicht (LTG)
angenommen. Lokal heißt, dass die Plasmaparameter (T, ne ...) räumlich und zeitlich Änderungen
aufweisen können. Voraussetzung für den stoßbestimmenden Zustand des LTG ist eine genügend
hohe Teilchenkonzentration, die proportional dem Druck ist (Bild 2). Danach kann bei
atmosphärischen Plasmen meist LTE angenommen werden.
5
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
Bild 2: Teilchentemperatur als Funktion des Druckes
Bogenentladung
Der Potentialverlauf einer Bogenentladung wird von den sich vor den Elektroden ausbildenden
Raumladungsgebieten (dK, dA) beeinflußt (Bild 3).
Bild 3: Potentialverlauf in einem Lichtbogen (mit vergrößerter Darstellung der
Ausdehnung der Fallgebiete)
Die elektrische Feldstärke in der Bogensäule ist nahezu konstant und relativ gering gegenüber den
Fallgebieten. Die Spannung über dem Lichtbogen UB setzt sich zusammen aus:
U B = U K + U A + lB E
(2)
(UK...Katodenfallspannung, UA...Anodenfallspannung, lB...Lichtbogenlänge, E...Säulenfeldstärke)
Die Ausdehnung der Fallgebiete entspricht einer mittleren freien Weglänge (<1µm). Deshalb
entspricht der Abstand zwischen Anode und Katode im Allgemeinem der Bogenlänge lB.
6
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
Energiebilanz
Der Leistungsumsatz bei Lichtbögen erfolgt vor allem in der Bogensäule. Die durch den Stromfluß
erzeugte JOULEsche Wärme wird durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung an die
Umgebung abgeführt.
κ E2 =
ρ⋅
∂h
+
∂t
r
ρ ⋅ v ⋅ grad h − divλ grad T +
R(T )
(3)
Joulesche Wärme = Aufheizung + Konvektion – Wärmeleitung + Strahlung
(κ... spezifische elektrische Leitfähigkeit, λ...Wärmeleitfähigkeit, h... spezifische Enthalpie h=∫cdT)
Für einen stationären Lichtbogens und bei Vernachlässigung der Konvektion und Strahlung erhält
man die auf den Lichtbogen angewendete Wärmeleitungsgleichung,
κ E 2 + div λ grad T = 0
(4)
bekannt als ELENBAAS-HELLERsche DGL .
Sie enthält aber mit κ, E und T drei Größen die voneinander abhängen und ist somit nicht
geschlossen lösbar. Eine einfache Lösung der Gleichung (4) ermöglicht das sogenannte
Kanalmodell:
Danach wird angenommen, dass die elektrische Energie innerhalb eines elektrisch leitfähigen
Kanals mit dem Radius re umgesetzt wird, dem eine mittlere Temperatur T0 zugeordnet wird, und
außerhalb dieses Bereiches durch Wärmeleitung abgeführt wird. Bei konstanter Temperatur T0 über
dem Querschnitt erhält man eine konstante elektrische Leitfähigkeit κ0 (OHMsche Gesetz gilt: j =
κ0 ⋅ E). Die Temperatur fällt außerhalb des Kanals logarithmisch - entsprechend der
Wärmeleitungsgleichung bei Zylindersymmetrie - ab (Bild 4).
Bild 4: Kanalmodell
Die spezifische elektrische Leitfähigkeit κ ist definiert als:
κ = n e ⋅ e ⋅ be
(ne...Elektronendichte, be...Elektronenbeweglichkeit)
(5)
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
7
Folgende Faktoren bestimmen die Temperaturabhängigkeit von κ (Bild 5).
o zunehmende Ionisation mit steigender Temperatur, exponentieller Anstieg der Zahl der
Ladungsträger (Elektronen)
o abnehmende Dichte aller Teilchen mit steigender Temperatur
o negativer Einfluß der Ionen auf die freie Weglänge der Elektronen
Bei den in der Plasmatechnik verwendeten Gasen, wie Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff, wird
eine merkliche elektrische Leitfähigkeit erst bei Temperaturen oberhalb von 5000K erreicht.
Bild 5: Spezifische elektrische Leitfähigkeit verschiedener in der Plasmatechnik verwendeter Gase
als Funktion der Temperatur
Lichtbogenkennlinie
Wird in einer Gasstrecke der Strom in weiten Grenzen (10-20...103 A) verändert, ergibt sich der im
Bild 6 dargestellte prinzipielle Verlauf der U-I-Charakteristik. Den einzelnen Strombereichen
entsprechen unterschiedliche Mechanismen der Ladungsträgererzeugung. Demzufolge sind die
notwendigen Betriebsspannungen ebenfalls sehr verschieden. Die Lichtbogenkennlinie (Bild 7) ist
Teil der vollständigen U-I-Charakteristik stationärer Gasentladungen.
8
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
A
U 10.000
V
D
1.000
B
C
100
10
1
2
Mikroampere
3
Milliampere
4
5
6
Ampere
I
Bild 6: Vollständige U-I-Kennlinie stationärer Gasentladungen
1 – Dunkelentladung; 2 – Koronaentladung; 3 – normale Glimmentladung; 4 – anormale Glimmentladung;
5 - Funken; 6 - Lichtbogen
Zum Betreiben eines Lichtbogens benötigt man mindestens ein Ampere. Der Verlauf lässt sich
durch die Anwendung des Kanalmodels auf Basis des Ohmschen Gesetzes in der Form:
U
2
I =π r κ ⋅
l
(6)
j – Stromdichte; κ – elektrische Leitfähigkeit; E – elektrische Feldstärke; I – Stromstärke; A – Querschnittsfläche des
Lichtbogens; r – Lichtbogenradius; U – Spannung; l – Lichtbogenlänge
Spannung [V]
leicht erklären.
Molekülgas
Edelgas
Bild 7: Lichtbogen-Kennlinien (schematisch)
Die Gastemperaturen liegen bei etwa:
- 2.000 K in metalldampfhaltigen Lichtbögen (Lichtbogen-Lampen),
- 5.000 K in frei existierenden Gas-Lichtbögen (Elektroden-Handschweißen,
Lichtbogenspritzen),
- 10.000 K in eingeschnürten Lichtbögen (direkte und indirekte DC-Plasmaerzeuger)
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
9
Daraus resultiert u.a. ein entsprechender Bedarf der Kühlung der Elektroden und
Elektrodenverschleiß, der aufgrund der speziellen Energiebilanzen von Katode und Anode
insbesondere die Anode betrifft.
3.
VORBEREITUNGSAUFGABEN
1. Erläutern Sie kurz den Verlauf der vollständigen U-I-Charakteristik stationärer
Gasentladungen.
2. Schätzen Sie ab, wie die Betriebsspannung eines freien bzw. eingeschnürten Lichtbogen auf
die Erhöhung des Bogenstromes reagiert und leiten Sie den daraus resultierenden
Kennlinienverlauf ab.
3. Begründen sie die Temperaturunterschiede zwischen metalldampfhaltigen Lichtbögen, frei
existierenden Gas-Lichtbögen und eingeschnürten Lichtbögen.
4. Welche Gase werden in der Plasmatechnik verwendet und welche Einschränkungen gibt es
für Gleichstromlichtbögen?
5. Erläutern Sie anhand der Energiebilanz und des Ohmschen Gesetzes, wie sich die
Verwendung von Molekülgasen auswirkt.
6. Wie kann bei Annahme des Kanalmodells eine mittlere Temperatur für den Lichtbogen
bestimmt werden?
7. Nennen Sie wichtige technische Anwendungen von Lichtbögen.
4.
VERSUCHSAUFBAU UND VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
Hinweise zum Arbeitsschutz
• Die allgemeinen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit Gasen, Brennstoffen und
elektrischen Anlagen sind einzuhalten.
• Bei Betrieb des Lichtbogens ist die Absaugung einzuschalten.
• Beobachtung des Lichtbogens ist nur mit UV-Sichtschutz zulässig.
Versuchsanlage
Der Versuchsaufbau besteht aus den Versorgungseinrichtungen für Strom, Kühlwasser und
Betriebsgas, dem Lichtbogengefäß mit Elektrodenhalter und -führung und der
Projektionseinrichtung sowie den entsprechenden Meßgeräten. Bild 8 zeigt eine Übersicht.
Vor der Zündung des Lichtbogens ist die Lüftung anzuschalten, die Wasserkühlung (ca. 10 l/min
Duchsatz), das Betriebsgas Argon (1000 l/h) oder Argon/Stickstoff (700/300 l/h) einzustellen, der
Augenschutz vor das Beobachtungsfenster zu schieben und dann der Gleichstromgenerator
einzuschalten. Nach etwa 20s ist eine Leerlaufspannung von 40 bis 50V einzustellen. Danach kann
der Lichtbogen (Freigabe durch den Praktikumsassistenten!) gezündet werden.
Die Katode wird zur Anode bewegt (vorher Schleppskala nach unten schieben!), bei Berührung und
Stromfluß durch die Zündautomatik (Wendeschützschaltung) Bewegungsumkehr und Stop der
Katode bei ca. 16mm Bogenlänge. Anschließend wird die richtige Bogenlänge, danach der
Stromsollwert eingestellt.
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
10
Bild 8 : Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus
5.
PRAKTIKUMSAUFGABEN
5.1.1
Ermittlung der Erosion an Katode und Anode
Beide Elektroden sind auszubauen, mechanisch grob zu reinigen und wieder einzubauen. Danach
soll ist ein Dauerversuch (30 min) mit folgenden Parametern durchgeführt werden:
Gasdurchsatz:
Ar:
700 l/h
N2:
300 l/h
Bogenlänge
lB = 30 mm
Bogenstrom
IB = 150 A
Während des Versuchs ist der Verlauf U = f(t) in 3-min-Schritten aufzunehmen. Die Erosion der
Elektroden soll anschließend gravimetrisch bestimmt (Angabe in µg/A s) und das Ergebnis
kommentiert werden.
Versuch „Gleichstromlichtbogen – WT 5
5.1.2
11
Ermittlung der U-I-Kennlinie
Messung der Bogenspannung UB für verschiedenen Bogenströme, Bogenlängen und
Gaszusammensetzungen und grafische Darstellung UB = f(IB) und UB = f(lB)
Parameter:
a)Arbeitsgas Argon:
Gasdurchsatz :
1000 l/h
Bogenlänge:
lB = 30, 40, 50 mm
Bogenstrom:
IB = 100, 125, 150, 175, 200 A
b) mit einem Argon/Stickstoff-Gemisch als Arbeitsgas
Gasdurchsatz:
Ar:
700 l/h
N2:
300 l/h
Bogenlänge
lB = 30, 40, 50 mm
Bogenstrom
IB = 100, 125, 150, 175, 200 A
Der Verlauf der Kennlinien soll begründet werden.
5.1.3
Ermittlung der elektrischen Feldstärke der Bogensäule
Die Messwerte von 5.2.2 sind als UB = f (lB) im Diagramm darzustellen. Daraus sind die
Summe der Katoden- und Anodenfallspannung (Mindestspannung) und die elektrische
Feldstärke zu bestimmen bzw. zu berechnen.
5.1.4
Ermittlung der mittleren Temperatur
Aus der Messung des Durchmessers des leitfähigen Kanals des Lichtbogens (aus der
optischen Abbildung ) im Abstand
z = 10mm und 20mm von der Katode
(Abbildungsmaßstab beachten!) ist mit der aus 5.2.3 bestimmten elektrischen Feldstärke
entsprechend dem Kanalmodell die elektrische Leitfähigkeit und daraus wiederum die
mittlere Temperatur T0 zu bestimmen.
V& (Ar)
Parameter:
= 1000 l/h
V& (Ar+N2)
= 700 l/h +300 l/h
= 30 mm
lB
IB
= 200A
6.
LITERATUR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
M.I. Bloulos, E. Pfender, P. Fauchais:. Thermal Plasmas, Vol.1, Plenum Press 1995
Janzen, G.: Plasmatechnik: Grundlagen, Anwendungen, Diagnostik; Hüthig 1992
Mierdel, G.: Elektrophysik; Verlag Technik Berlin, Berlin
Rieder, W.: Plasma- und Lichtbogen; Vieweg 1967
Rutscher, A.; Deutsch, H.: Wissenspeicher Plasmatechnik; Fachbuchverlag Leipzig 1983