Warum erwärmt sich bei einem Lichtbogen die Kathode stärker als die Anode?

Ich habe kürzlich einen Flyback-Transformator-Treiber mit einem 555-Timer gebaut und Lichtbögen gezeichnet. Aber mir ist aufgefallen, dass sich die Kathodenelektrode (der HV-Pin am Transformator) viel stärker erwärmt als die Anode (das HV-Kabel oben auf dem Transformator). Das ist mir aufgefallen, denn wenn ich dünne Kabel als Elektroden verwende, beginnt die Kathode zu schmelzen und wird viel schneller rotglühend als die andere Elektrode. Meine Frage ist, warum passiert das. Danke

Antworten (4)

In einem Lichtbogen werden Elektronen von ihren Atomen in der Luft abgestreift und mit hoher Energie auf die Anode geschossen .

Einige der Elektronen werden direkt von der Kathode abgefeuert , und andere werden von Luftatomen abgestreift, aber schließlich, wenn das Plasma erhalten bleibt, treffen sie schließlich auf die Anode .

Unterdessen werden die viel größeren und dichteren Necleii der elektronenabgestreiften Atome nicht so schnell durch den Lichtbogen gezogen, viele davon lösen sich am Ende in das umgebende Gas auf, anstatt auf die Kathode aufzuprallen .

Aufgrund dieses Ungleichgewichts beim Aufprall energiereicher Teilchen tritt die überwiegende Mehrheit der durch den Lichtbogen verursachten Erwärmung der Elektroden an der Anode auf .

Für weitere Erläuterungen finden Sie hier einen detaillierten und informativen Artikel von lincolnelectric.com, in dem einige der verschiedenen Eigenschaften und Anordnungen dieser Übertragung erläutert werden, die in den verschiedenen Metall-Lichtbogenschweißprozessen genutzt werden.

Ich verstehe ... aber in meinem Fall ist es die Kathode, die stärker erhitzt wird, vielleicht habe ich die Kabel an der Primärseite falsch aufgebaut und erzeuge ein Magnetfeld in der anderen Richtung. Da Flybacks jedoch Dioden in der Sekundärseite haben, könnte der Ausgang nur in eine Richtung gehen.
@Bruno Das dicke Hochspannungskabel, das von einem CRT-Leitungsausgangstransformator (TV-Flyback) kommt, trägt einen gleichgerichteten positiven HV-Ausgang. Eine daran angeschlossene Elektrode ist die Anode.
Dies ist offensichtlich nicht richtig. Warum sollten die Ionen (nicht Kerne; ein Lichtbogen hat eine Elektronentemperatur von nur wenigen eV) viel größere Verluste erleiden als die Elektronen? Ein Plasma ist quasineutral, und wie soll Strom in die negative Raumladung fließen, wenn die Ionen größtenteils verloren gehen? Denken Sie an die lokalen elektrischen Felder und damit an die kinetischen Energien der Teilchen. Die Kathode wird durch Ionenstoß erhitzt; Tatsächlich ist die hohe Temperatur der Kathode (ausreichend, um die thermionische Emission aufrechtzuerhalten) eines der bemerkenswertesten Merkmale eines Lichtbogens.
@OleksandrR. Die Ionen sind im Vergleich zu den Elektronen sehr langsam. Der Funke ist ein irgendwie anderes Phänomen als die thermoionische Kathodenemission, bei der die Kathode von außen erhitzt wird. Bei einem Funken erfolgt die thermische Ionisation im umgebenden Gas, zunächst werden die freien Elektronen mittels elektrischem Feld beschleunigt, wenn diese Elektronen auf die Moleküle treffen, ionisieren sie und streifen neue Elektronen ab - Primärionisation. Nachdem der Kanal gebildet ist, fließt der Strom und erwärmt den Kanal, die sekundäre Ionisierung erfolgt - thermisch.
@MarkoBuršič ja, und ich stimme Ihnen zu, aber der Kathodenfall ist viel größer als der Anodenfall, sodass die kinetischen Energien der Ionen an der Kathode höher sind als die der Elektronen an der Anode und ihre Massen größer sind dass die Impulsübertragung auf die Elektrode effizienter ist. Der Ionenstoß ist ein wichtiger Erwärmungsprozess für die Kathode in einem Lichtbogen, obwohl ich denke, dass Ihr Argument, dass die Stromdichte an den Elektrodenoberflächen noch wichtiger ist, sehr gültig ist (+1 dafür).
@OleksandrR. Nun, ich gebe zu, ich bin kein Experte für Quantenmechanik. Aber es macht Sinn, dass die kinetische Energie zweier Systeme ohne Stöße fast identisch ist, aber ich wusste nie, dass positive Ionen eher dazu neigen, diese Energie freizusetzen, trotzdem danke für Ihre +1-Stimme.
@MarkoBuršič Es ist nicht sehr hilfreich, sich vorzustellen, dass sich Plasmen im vollständigen thermischen Gleichgewicht befinden. Elektronen, die leichter sind, spüren das lokale elektrische Feld viel stärker. Sie tauschen Energie nicht effizient mit den Ionen aus, es sei denn, der Lichtbogen wird sehr dicht. Die elektrische Feldverteilung ist entlang des Weges von der Anode zur Kathode nicht gleichmäßig. Der größte Teil des Potentials fällt in der Nähe der Kathode ab. Dadurch werden die Ionen hineinbeschleunigt. Der Großteil des Plasmas ist quasineutral, aber die Hüllen sind es nicht. Hier ist ein Papier, das es gut beschreibt: dx.doi.org/10.1109/HOLM.1993.489681

Wie Marko Buršič in seiner Antwort anmerkt , hängt es sehr stark von der Stromdichte an den Elektroden ab, welche davon heißer wird. Dies wiederum betrifft ihre Größe und Geometrie, ihr Material, das Arbeitsgas und teilweise die Orientierung der Entladung im Raum (wegen Konvektion). Aber wenn Kathode und Anode die gleiche Größe und Form haben, aus dem gleichen Material bestehen und in der gleichen relativen Ausrichtung angeordnet sind, dann liegt das hauptsächlich an Ionenstößen.

Das elektrische Feld ist innerhalb einer Entladung nicht gleichförmig. Der größte Teil des Potentials wird in der Nähe der Kathode, in der sogenannten Scheide, abgebaut. Dadurch werden die Ionen in die Kathode beschleunigt, während die Elektronen nicht (in gleichem Maße) in die Anode beschleunigt werden:

Darstellung des Plasmapotentials zwischen Elektroden
(Quelle: egloos.com )

(Dieses Bild ist für eine Glimmentladung. Die Beziehung ist die gleiche in einem Lichtbogen, obwohl die Fälle kleiner und nicht so groß sind. Dieses Papier schätzt sie auf 14 V und 4,5 V für die Kathode bzw. Anode, z ein Luftbogen zwischen Ag-Elektroden.)

Die Ionen werden nicht nur in die Kathode beschleunigt, sondern Elektronen von der Kathode werden stark in die Entladung nahe der Kathode beschleunigt. Dies führt zu einer hohen Verlustleistung und interessanter Physik in diesem Bereich. Der Lichtbogen kann ohne ihn einfach nicht existieren! In jedem Fall heizt dieses extrem heiße Gasvolumen indirekt auch die Kathode auf. Neben der Anode gibt es keine vergleichbare Struktur, und tatsächlich sind dort (auf dem Papier) deutlich niedrigere Schwerteilchentemperaturen zu erkennen.

Sie sollten das Foto des Arrangements hochladen. Es hängt von der Form der Elektroden ab, ob es sich um Platten, Nadeln oder Kombinationen davon handelt. Mögliche Phänomene, die Sie beobachten können, sind die Koronaentladung, bei der der Strom fließt, ohne als Entladung gesehen zu werden. Sie sollten im Dunkeln testen, um das blaue Leuchten zu sehen. Ihre Elektrode kann aufgrund der hohen Stromdichte an der Elektrodenspitze erhitzt werden, während die Anode eine andere Geometrie haben könnte, sodass ein Bild so viele Worte sagen kann.

Ich werde mich auf die Beine stellen und Oleksandr R.s Antwort auf eine supereinfache Form zusammenfassen, die sogar ein Kind verstehen kann, weil mein inneres Kind und mein echtes Kind wissen möchte, warum unser Flyback-Experiment dasselbe bekommt Ergebnisse.

Superkleine Elektronenfunken werden über die gesamte Oberfläche der Anode angesaugt und zurück zum Transformator gezogen.

Große große und heiße Ionenkohlen bauen sich um die Spitze der Kathode auf, schlagen dagegen und werden nicht weggezogen, sondern nur zurück in weitere ankommende Kohlen gedrückt.

Daher wird die Kathodenspitze weißglühend, schmilzt und fliegt schnell auseinander, während die Anode kaum warm wird und gleichmäßiger glüht.

Warum erwärmt sich bei einem Lichtbogen die Kathode stärker als die Anode?
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