Какие явления происходят в дуге низкого напряжения между медным и графитовым электродами и почему результат зависит от полярности электрода?

Я играл с лабораторным блоком питания, рисуя дуги между электродами из разных материалов. Я заметил явления, которые мне показались интересными, и которые я не мог толком объяснить:

Круглый электрод представляет собой монету номиналом 5 евроцентов, которая состоит из стали с довольно толстым медным покрытием. Длинный тонкий электрод представляет собой грифель механического карандаша диаметром 0,7 мм (в основном состоящий из графита), который предварительно медленно нагревали до красна, чтобы удалить любые летучие компоненты, которые в противном случае быстро испарились бы и расщепили его на части.

Источник питания представляет собой лабораторный источник питания импульсного режима 30 В, 10 А с настраиваемыми ограничениями по напряжению и току. Оба предела установлены на свои максимальные значения.

Графитовый анод, медный катод

Когда положительный вывод подключен к графитовому электроду, он быстро сгорает в устойчивой дуге после установления контакта. На поверхности меди остается черный, хрупкий, твердый и хлопьевидный осадок, предположительно расплавившийся или подвергшийся пластической деформации графит.

CH1 – ток дуги, 1 А = 23 мВ. CH2 — падение напряжения, измеренное в менее чем идеальном месте, на клеммах источника питания. Увеличенная часть полной формы волны изображена справа.

Я нахожу это удивительным, учитывая высокую температуру плавления графита и присутствие кислорода в атмосфере. Медное покрытие на удивление мало повреждается.

Графитовый катод, медный анод

Когда отрицательный провод соединен с графитовым электродом, дуга зажигается с трудом. Вместо этого образуется омический контакт, и электрод чрезвычайно быстро нагревается до температуры накаливания. Когда дуга, наконец, зажигается при осторожном оттягивании катода, графит практически не сжигается, но на меди образуются сильные питтинги.

CH1 – ток дуги, 1 А = 23 мВ. CH2 — падение напряжения, измеренное в менее чем идеальном месте, на клеммах источника питания. Увеличенная часть полной формы волны изображена справа.

Почему система ведет себя так по-разному, когда полярность инвертирована? Из чего именно состоит черный осадок и как он откладывается?

Графит не плавится в атмосфере кислорода, а горит, причем при достаточно низких температурах. Хотя здесь может быть разница, я бы настоятельно рекомендовал повторить эксперимент в более контролируемых условиях либо в вакууме, либо в среде инертного газа, но даже это не очень хороший контроль, поскольку то, что вы здесь делаете, это вызывает выброс очень горячего газа. Полярность определяет, к какому электроду движутся атомы ионизированного газа и электроны. В вакууме не будет химических реакций, которые, по-видимому, поглощают углерод. Черное вещество, вероятно, оксид меди.
Поверхность меди практически не повреждается, когда графит является анодом (и образуется черное вещество), конечно, удаляется недостаточное количество меди, чтобы объяснить наличие остатка. Остаток также является достаточно проводящим. Я тоже скептически отношусь к фазовому переходу графита, но другого объяснения у меня нет.
Графит определенно не претерпевает фазового перехода. Вы просто сжигаете его. То, что здесь происходит, в большей степени зависит от химии, чем от физики, пока вы работаете в кислородной атмосфере. Возьми себе баллон с аргоном и проделай эксперимент, опять же, на этот раз без кислорода.

Ответы (1)

Я пока выложу это здесь - это еще не полный ответ, но он длиннее, чем комментарий. Хороший эксперимент!

Физика углеродных дуг интересна по многим причинам, одна из которых связана с производством наночастиц и наноматериалов. Фуллерены, такие как «Bukeyballs» и углеродные нанотрубки (CNT), часто производятся с использованием углеродных дуг, и физика этого процесса в настоящее время является активной областью исследований.

Пока ваш эксперимент проводится на воздухе, возможно, небольшое количество углерода соединяется с кислородом (используется) в области дуги, так что другие процессы все еще происходят. Вы можете попробовать провести эксперимент с каким-нибудь относительно инертным газом, таким как азот или гелий, или даже использовать стандартный прием с использованием спички или свечи, чтобы сначала удалить большую часть кислорода. Но будь осторожен.

Вы также не должны дышать воздухом вокруг вашего эксперимента - пожалуйста, делайте это в вытяжном шкафу!

Например, выдержка из поиска в гугле:

Аннотация: Углеродная дуга атмосферного давления в инертных газах, таких как гелий, является важным методом производства наноматериалов. Недавно было показано, что образование нагара на катоде из газообразного углерода играет решающую роль в работе дуги, достигая высоких температур, необходимых для осуществления термоэлектронной эмиссии даже с катодами с низкой температурой плавления. Основываясь на наблюдаемых скоростях абляции и осаждения, мы исследуем влияние образования отложений на энергетический баланс на поверхности катода и показываем, как работа дуги является самоорганизующимся процессом. Наши результаты показывают, что дуга может работать в двух различных режимах абляции-напыления, один из которых вносит важный вклад от скрытой теплоты в баланс катодной энергии. Этот режим характеризуется повышенной скоростью абляции, что может быть благоприятным для синтеза наноматериалов с высоким выходом. Второй режим имеет небольшую и примерно постоянную скорость абляции с пренебрежимо малым вкладом скрытого тепла.

Из: Процессы самоорганизации в углеродной дуге для наносинтеза , J. ​​Ng and Y. Raitses, J. Appl. физ. 117, 063303 (2015); http://dx.doi.org/10.1063/1.4906784

Какие явления происходят в дуге низкого напряжения между медным и графитовым электродами и почему результат зависит от полярности электрода?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v