Funkenerodiermaschine: Plasmaeigenschaften

Das Video zu den Eigenschaften von Plasma

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Funkenbildung unter dem Mikroskop

Abbildung 1:
Um das Überspringen deines Funkens unter dem Mikroskop beobachten zu können, habe ich diesem weitere Zusatzteile verpasst, um Bohrer und Rasierklinge halbwegs präzise aufeinander zubewegen zu können. Die beiden Führungen arbeiten dabei mit einer Vorspannung, die über eine M3er Schraube verringert werden kann, um den Bohrer nach vorne zu bewegen. Das Röhrchen mit Glasscheibe, das ich für die Unterwasser-Mikroskopie angeklebt hatte, fungiert hier als Schutzglas für das Objektiv vor umherfliegenden Metallpartikeln.
Die 3D-Dateien gibt's als Download-Paket.

Abbildung 2:
Der Bohrer besitzt einen Durchmesser von einem Millimeter und das nehmen wir hier mal als Maßstab. Die 0.1mm dicke Rasierklinge, hier rechts im Bild ist nicht mit der Schneide, sondern mit einer stumpfen Kante zum Bohrer ausgerichtet. Der Bohrer ist so gedreht, dass eine Schneide zur Rasierklinge zeigt - wie wir später sehen werden, ist das für das Überbrücken einer Lücke optimal. Der Abstand im Ausgangszustand beträgt etwa 0.5mm und hier funkt nichts.

Abbildung 3:
Bei 0.2mm passiert nichts. Auch bei 0.1mm ist weit und breit kein Funke zu sehen.

Abbildung 4:
Erst beim "Touchdown" erscheint der erwartete Blitz. Mein experimenteller Aufbau ist also nicht geeignet, die Lücke, bei welcher der Funkenüberschlag erfolgt, zu erfassen.
Habe ich nicht vom "Touchdown", also dem Berühren von Bohrer und Rasierklinge gesprochen? Nun, ich sage es mal kurz: Wenn man die beiden Objekte auf atomarer Ebene betrachten könnte, wäre da in jedem Fall noch eine Lücke zu sehen. In einem Kommentar zu einem früheren Video dieser Serie hat jemand im Zusammenhang mit meiner Maschine den Begriff "Funkenhobeln" verwendet und das trifft's ganz gut.
Auch die zeitliche Auflösung der Aufnahme war doch eher entäuschend: Der Blitz ist nur auf einem viertel Standbild zu erahnen - die Bildrate der Mikroskopkamera ist einfach viel zu niedrig, um den Funkenüberschlag zu erfassen. Es bleibt aber eine obere Grenze, die man für den Prozess abschätzen kann, nämlich die Bildwiederholrate der Kamera und damit erhalten wir 1/60 Sekunde, so man den Metadaten der Videodatei Glauben schenkt.

Abbildung 5:
Der Funke hat nicht nur das Metall der Rasierklinge, sondern auch das des Bohrers schmelzen lassen - in den vorangegangenen Videos hatte ich ja schon angesprochen, dass dieser in beide Richtungen wirkt. Die Lücke zwischen beiden Objekten nach dem Erlöschen des Funkens beträgt etwa 0.06mm. Die Kante der Rasierklinge wurde auf einer Länge von etwa 0.5mm erodiert.

Abbildung 6:
Funke ist nicht gleich Funke und nicht bei jedem "Schuss" wird Material von der Rasierklinge abgetragen. Oftmals kommt es zum Verschweißen von Bohrer und Rasierklinge.
Die Frage, warum sich der Bohrer meiner simplen Funkenerodiermaschine drehen muss, sollte hinreichend beantwortet sein.

Experimente mit Hochspannungsgenerator

20mm Stahlkugeln an Hochspannungsgenerator

Abbildung 7:
Nähern wir die beiden, mit einem Hochspannungsgenerator verbundenen Stahlkugeln von 20mm Durchmesser einander an, so springen Funken bei einem Abstand von etwa 6mm über.
Es bilden sich mehrere Kanäle aus violett leuchtendem Plasma zwischen den beiden Polen. Es bildet sich kein einzelner, stabiler Plasmakanal zwischen den am nähesten liegenden Punkten der beiden Stahlkugeln aus, stattdessen wandern die Funken ständig auf den Kugeloberflächen hin und her.

5mm Stahlkugeln an Hochspannungsgenerator

Abbildung 8:
Verändern wir als ersten Parameter den Durchmesser der Stahlkugeln auf nur noch 5mm:
Nun springen ein Funken schon bei einem Abstand von 24mm über. Wird der Abstand weiter verringert, so springen die Funken in schnellerer Abfolge über.

5mm Stahlkugeln an Hochspannungsgenerator mit kleinem Abstand

Abbildung 9:
Bei einem Abstand von nur noch 12mm bildet sich ein stabiler Plasmakanal zwischen den Kugeln, der weiterhin auf den Oberflächen hin und her wandert.

Stahlkugeln und Drahtspitze in Hochspannung

Abbildung 10:
Ersetzen wir die Kugeln durch angespitzte Drähte, so kann sogar eine Lücke von 35mm übersprungen werden.
Umgekehrt bedeutet das, dass der Funke eher auf einen Bereich mit einer scharfen Kante überspringt als auf einen Bereich mit einem größeren Radius. Hier bildet sich das Plasma bevorzugt zwischen der rechten Stahlkugel und der linken Drahtspitze aus, obwohl die Lücke zur zweiten Stahlkugel nur etwa halb so groß ist.

Abbildung 11:
Als witeres Experiment bringe ich ein Metallpartikel in Form einer M3er Mutter zwischen die beiden 20mm Kugelelektroden. Nun springt der Funke auch schon bei einem Abstand von mehr als 10mm über, ohne dass die Mutter eine der beiden Elektroden berührt - das simulierte Metallpartikel erweitert die maximal mögliche Funkenstrecke um den Durchmesser der Mutter.
Verunreinigungen spielen beim Funkenerodieren daher eine nicht zu vernachlässigende Rolle.

Widerstands-Schätzung

Abbildung 12:
Um den Strom zu messen, habe ich einen Widerstand von 10 Ohm in den Stromkreis eingebaut. Mit der daran abfallenden Spannung von 0.07V ergibt sich ein Strom von 7mA bei einem Elektrodenabstand von 5mm. Nähern wir die Drahtspitzen einander an, so steigt der Strom.
Wird der Abstand wieder auf 5mm gebracht und der Stromsensor durch einen 20 Ohm Widerstand ausgetauscht, so werden 0.13V, also ebenfalls etwa 7mA gemessen. Mit einem 100 Ohm Widerstand kommen wir auf in etwa den gleichen Strom der sich auch bei einem 1000 Ohm Widerstand nicht wirklich ändert.
Demzufolge muss der Widerstand des Plasmas unter der Annahme, dass der Hochspannungsgenerator eine konstante Ausgangsspannung liefert, deutlich höher sein.

Abbildung 13:
Grenzen wir diesen also von Oben ein, indem wir einen 1 Megaohm Widerstand parallel zum Plasma schalten. Es ist keine Änderung zu sehen - folglich muss der Widerstand des Plasmas deutlich kleiner sein. Auch bei einem parallelen 500 Kiloohm Widerstand bleibt der Plasmabogen erhalten.
Erst der 240 Kiloohm Widerstand unterbricht das Plasma und raucht dabei ab. Der Widerstand des 5mm langen Plasmabogens muss also im Bereich von 200 Kiloohm liegen.
Jaaa ich weis, die beiden Experimente lassen nur eine sehr grobe Abschätzung des tatsächlichen Widerstands zu, da die Spannungsquelle nun wirklich keine Gleichspannung frei von jeglichem Innenwiderstand liefert, ich möchte das aber an dieser Stelle nicht ausdiskutieren. Wir halten fest, dass der Widerstand der Lücke zwischen den Elektroden mit Auftreten eines Funkens deutlich sinkt, aber eben nicht Null wird.

Draht erodieren

Abbildung 14:
Bringen wir als nächstes Experiment zwei dünne Drähte an den Polen des Hochspannungsgenerators an und schalten den Strom ein:
Nun ist tatsächlich zu beobachten, dass die rechte, mit Masse verbundene Drahtspitze zu glühen beginnt und abschmilzt. Bei einem Abstand von etwa 10mm bleibt die Lücke konstant, an dem rechten Draht hat sich eine Kugel aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Metall gebildet. In einem vorangegangenen Experiment haben wir gesehen, dass der fließende Strom sinkt, wenn die von dem Plasma überbrückte Strecke größer wird. Je länger der Abstand, um so niedriger die elektrische Leistung, die über die Funkenstrecke abfällt, denn die Leistung sinkt ja proportional mit dem fließenden Strom, sofern wir die Spannung als konstant ansehen. Auch wird die Energie des Plasmas auf ein größeres Volumen verteilt, womit mehr Energie an die umgebende Luft und somit weniger an die Drahtenden abgegeben wird- Ferner wird die Energie von dem dicken Metalltropfen auf ein größeres Volumen verteilt, was ebenfalls dafür sorgt, dass der Draht nicht weiter abschmilzt.

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