Limning som gör grafit ledande
Varje kolatom i ett grafitskikt använder tre av sina fyra valenselektroner för att bilda sigmabindningar med tre grannar i ett plant hexagonalt arrangemang, sp2-konfigurationen. Den fjärde elektronen upptar en delokaliserad pi-orbital som sträcker sig över och under lagret, och dessa elektroner är fria att röra sig genom arket. Detta är ursprunget till den elektriska ledningsförmågan hos grafit: den beter sig som en halvmetall snarare än en isolator, och det är anledningen till att en grafitelektrod kan passera en bågström som skulle förstöra en keramisk ledare.
Anisotropi av det skiktade gittret
Eftersom skikten är starkt bundna i planet och endast svagt bundna mellan plan, är nästan varje egenskap hos grafit riktad. Elektrisk resistivitet är mycket lägre längs lagren än över dem, värmeledningsförmågan visar samma mönster, och mekanisk styrka och termisk expansion skiljer sig också med riktning. I en tillverkad elektrod är kokspartiklarna inriktade i större eller mindre grad genom extrudering, så att elektroden i sig själv är anisotropisk. Det är därför som specifikationer anger om en egenskap mättes parallellt eller vinkelrätt mot axeln, och varför nålkoks, som riktar sig kraftigt, ger en låg-expansionselektrod.
Termiskt beteende och sublimering
Grafit smälter inte vid vanligt tryck. Under en skyddande atmosfär sublimerar den vid ungefär 3 650 grader Celsius, vilket är långt över de 3 000 till 3 500 grader Celsius som mäts i en stålbåge, så elektroden förblir solid medan laddningen smälter. Den höga värmeledningsförmågan hos grafit, i intervallet cirka 100 till 150 watt per meter kelvin vid arbetstemperatur, sprider bågvärmen bort från spetsen och begränsar topptemperaturen i kroppen. Kombinationen av en mycket hög sublimeringspunkt och hög konduktivitet är den termiska grunden för hela produkten.
Resistivitet och Joule-uppvärmning
Även en bra ledare genererar värme när den bär ström. Den elektriska resistiviteten för elektrodgrafit är typiskt runt 5 till 9 mikro-ohmmeter, och den ohmska förlusten i kolonnen är proportionell mot denna resistivitet och mot kvadraten på strömmen. Eftersom strömmen är mycket stor, höjer även en liten ökning av resistiviteten elektrodens temperatur avsevärt, och en skadad fog med högt kontaktmotstånd blir en het punkt. Kemi och bearbetning ställer in resistiviteten: högre grafiteringstemperatur och bättre kristallordning sänker den.
Kemisk stabilitet och oxidationsstart
Grafit är kemiskt inert mot de flesta smälta metaller och slagg, varför det kan sitta i ett stålbad utan att reagera. Dess svaghet är syre. I luft börjar mätbar oxidation vid cirka 450 till 600 grader Celsius och över den temperaturen reagerar kol med syre, koldioxid och vattenånga för att bilda kolmonoxid och koldioxid. Detta är mekanismen för sidoväggsförlust i en ugn. Reaktionen är långsam vid låg temperatur och snabb vid hög temperatur, så ugnspraktik som håller elektroden svalare och skyddar den med skumslagg förlänger elektrodens livslängd direkt.
Vanliga frågor
F: Varför är grafit elektriskt ledande?
Eftersom varje kolatom bidrar med en delokaliserad elektron till en pi-orbital som sträcker sig över lagret, vilket tillåter laddning att röra sig fritt inom de hexagonala arken.
F: Vad är sublimeringstemperaturen för grafit?
Ungefär 3 650 grader Celsius vid atmosfärstryck, långt över 3 000 till 3 500 grader Celsius i en stålbåge, så elektroden förblir solid i drift.
F: Varför är grafit anisotropisk?
Starka kovalenta bindningar verkar inom lagren medan endast svaga van der Waals-krafter verkar mellan dem, så konduktivitet, styrka och termisk expansion skiljer sig alla åt med riktning.
F: Vad är den elektriska resistiviteten för elektrodgrafit?
Vanligtvis 5 till 9 mikro-ohmmeter, med ultra-höga-effektgrader i den lägre delen. Lägre resistivitet betyder mindre Joule-uppvärmning inuti kolonnen.
F: Vid vilken temperatur börjar grafit oxidera?
I luft börjar mätbar oxidation vid ungefär 450 till 600 grader Celsius. Ovanför det reagerar syre och koldioxid med kol och sidoväggen försvinner sakta.
F: Reagerar grafit med smält stål eller slagg?
Det är kemiskt inert mot de flesta smälta metaller och slagg, varför det kan leda ström direkt in i badet utan att förbrukas av kemiska angrepp.