Welche Phänomene treten bei einem Niederspannungslichtbogen zwischen Kupfer- und Graphitelektroden auf und warum ist das Ergebnis abhängig von der Elektrodenpolarität?

Ich spielte mit einem Labornetzteil herum und zog Lichtbögen zwischen Elektroden aus verschiedenen Materialien. Mir sind Phänomene aufgefallen, die ich interessant fand und mir nicht wirklich erklären konnte:

Die kreisförmige Elektrode ist eine 5-Euro-Cent-Münze, die aus Stahl mit einer ziemlich dicken Kupferbeschichtung besteht. Die lange, dünne Elektrode ist eine mechanische Bleistiftmine mit einem Durchmesser von 0,7 mm (hauptsächlich aus Graphit), die zuvor langsam bis zur Rotglut erhitzt wurde, um alle flüchtigen Bestandteile auszutreiben, die sonst schnell verdampfen und sie aufspalten würden.

Das Netzteil ist ein 30 V, 10 A Laborschaltnetzteil mit konfigurierbaren Spannungs- und Stromgrenzen. Beide Grenzen werden auf ihre Maximalwerte gesetzt.

Graphitanode, Kupferkathode

Wenn die positive Leitung mit der Graphitelektrode verbunden wird, wird sie nach dem Kontakt schnell in einem stetigen Lichtbogen verbraucht. Auf der Kupferoberfläche verbleibt ein schwarzer, spröder, harter und flockiger Rückstand, vermutlich geschmolzener oder plastisch verformter Graphit.

CH1 ist der Lichtbogenstrom, 1 A = 23 mV. CH2 ist der Spannungsabfall, gemessen an einer weniger als idealen Stelle, den Stromversorgungsanschlüssen. Ein vergrößerter Teil der vollständigen Wellenform ist rechts abgebildet.

Ich finde das überraschend, wenn man den hohen Schmelzpunkt von Graphit und das Vorhandensein von Sauerstoff in der Atmosphäre bedenkt. Die Kupferplattierung erleidet überraschend wenig Schaden.

Graphitkathode, Kupferanode

Wenn die Minusleitung mit der Graphitelektrode verbunden ist, ist es schwierig, einen Lichtbogen zu zünden. Stattdessen bildet sich ein ohmscher Kontakt, und die Elektrode heizt sich extrem schnell auf Glühtemperaturen auf. Wenn schließlich durch sanftes Abziehen der Kathode ein Lichtbogen gezündet wird, wird der Graphit kaum verbraucht, aber das Kupfer erfährt starken Lochfraß.

CH1 ist der Lichtbogenstrom, 1 A = 23 mV. CH2 ist der Spannungsabfall, gemessen an einer weniger als idealen Stelle, den Stromversorgungsanschlüssen. Ein vergrößerter Teil der vollständigen Wellenform ist rechts abgebildet.

Warum verhält sich das System bei umgekehrter Polarität so anders? Wie genau setzt sich der schwarze Rückstand zusammen und wie wird er abgeschieden?

Graphit schmilzt nicht in einer Sauerstoffatmosphäre, es brennt, und zwar bei ziemlich niedrigen Temperaturen. Obwohl es hier einen Unterschied geben mag, würde ich dringend vorschlagen, das Experiment unter kontrollierteren Bedingungen entweder im Vakuum oder unter einem Inertgas zu wiederholen, aber selbst das ist keine wirklich gute Kontrolle, da Sie hier wirklich einen verursachen sehr heiße Gasentladung. Die Polarität entscheidet, zu welcher Elektrode sich die ionisierten Gasatome und die Elektronen bewegen. Im Vakuum gibt es keine chemischen Reaktionen, die den Kohlenstoff zu verbrauchen scheinen. Das schwarze Zeug ist wahrscheinlich Kupferoxid.
Es gibt wenig Schaden an der Kupferoberfläche, wenn der Graphit die Anode ist (und das schwarze Zeug gebildet wird), sicherlich wird nicht genug Kupfer entfernt, um den Rückstand zu erklären. Der Rückstand ist auch ziemlich leitfähig. Ich bin auch skeptisch, dass Graphit einen Phasenübergang durchmacht, aber ich habe keine andere Erklärung.
Der Graphit erfährt sicherlich keinen Phasenübergang. Du verbrennst es einfach. Was hier passiert, ist viel mehr von der Chemie als von der Physik dominiert, solange Sie in einer Sauerstoffatmosphäre arbeiten. Holen Sie sich eine Argonflasche und führen Sie das Experiment erneut durch, diesmal ohne Sauerstoff.

Antworten (1)

Ich werde dies hier vorerst veröffentlichen - es ist noch keine vollständige Antwort, aber es ist länger als ein Kommentar. Schönes Experiment!

Die Physik von Kohlenstofflichtbögen ist aus vielen Gründen interessant – einer davon ist die Herstellung von Nanopartikeln und Nanomaterialien. Fullerene wie „Buckeyballs“ und Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) werden oft mit Kohlenstoffbögen hergestellt, und die Physik des Prozesses ist derzeit ein aktives Forschungsgebiet.

Während sich Ihr Experiment an der Luft befindet, ist es möglich, dass sich eine kleine Menge Kohlenstoff mit dem Sauerstoff im Bogenbereich verbindet (verbraucht), sodass noch andere Prozesse stattfinden. Sie können das Experiment mit einem relativ inerten Gas wie Stickstoff oder Helium oder sogar mit dem Standardtrick versuchen, zuerst ein Streichholz oder eine Kerze zu verwenden, um den größten Teil des Sauerstoffs zu entfernen. Aber sei vorsichtig.

Du solltest die Luft um dein Experiment auch nicht einatmen - bitte in einer Abzugshaube!

Zum Beispiel ein Abstract aus einer Google-Suche:

Zusammenfassung: Der Atmosphärendruck-Kohlenbogen in Edelgasen wie Helium ist eine wichtige Methode zur Herstellung von Nanomaterialien. Kürzlich wurde gezeigt, dass die Bildung der Kohlenstoffablagerung auf der Kathode aus gasförmigem Kohlenstoff eine entscheidende Rolle beim Betrieb des Lichtbogens spielt, wobei selbst bei Kathoden mit niedrigem Schmelzpunkt die hohen Temperaturen erreicht werden, die für die thermionische Emission erforderlich sind. Basierend auf beobachteten Ablations- und Abscheidungsraten untersuchen wir die Auswirkungen der Ablagerungsbildung auf die Energiebilanz an der Kathodenoberfläche und zeigen, wie der Betrieb des Lichtbogens ein selbstorganisierter Prozess ist. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass der Lichtbogen in zwei unterschiedlichen Ablations-Abscheidungs-Regimen arbeiten kann, von denen eines einen wichtigen Beitrag von latenter Wärme zum Kathodenenergiegleichgewicht leistet. Dieses Regime ist gekennzeichnet durch die erhöhte Ablationsrate, was für eine Synthese von Nanomaterialien mit hoher Ausbeute günstig sein kann. Das zweite Regime hat eine kleine und ungefähr konstante Ablationsrate mit einem vernachlässigbaren Beitrag von latenter Wärme.

Aus: Selbstorganisationsprozesse im Kohlenstoffbogen für die Nanosynthese , J. Ng und Y. Raitses, J. Appl. Phys. 117, 063303 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4906784

Welche Phänomene treten bei einem Niederspannungslichtbogen zwischen Kupfer- und Graphitelektroden auf und warum ist das Ergebnis abhängig von der Elektrodenpolarität?
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