Lichtbogen

Ein Lichtbogen zwischen zwei Nägeln ⓘ

Ein Lichtbogen oder eine Bogenentladung ist ein elektrischer Durchschlag eines Gases, der eine lang anhaltende elektrische Entladung erzeugt. Der Strom durch ein normalerweise nicht leitendes Medium wie Luft erzeugt ein Plasma, das sichtbares Licht erzeugen kann. Eine Bogenentladung ist durch eine niedrigere Spannung als eine Glimmentladung gekennzeichnet und beruht auf der thermionischen Emission von Elektronen aus den Elektroden, die den Lichtbogen tragen. Ein archaischer Begriff ist Voltabogen, wie er in dem Ausdruck "Voltabogenlampe" verwendet wird. ⓘ

Techniken zur Lichtbogenunterdrückung können eingesetzt werden, um die Dauer oder Wahrscheinlichkeit der Lichtbogenbildung zu verringern. ⓘ

Im späten 19. Jahrhundert war die elektrische Bogenbeleuchtung in der öffentlichen Beleuchtung weit verbreitet. Einige Niederdrucklichtbögen werden in vielen Anwendungen eingesetzt. So werden z. B. Leuchtstoffröhren, Quecksilber-, Natrium- und Halogenmetalldampflampen für die Beleuchtung eingesetzt; Xenonbogenlampen wurden für Filmprojektoren verwendet. Lichtbögen können für Fertigungsverfahren wie das Lichtbogenschweißen und Lichtbogenöfen für das Stahlrecycling genutzt werden. ⓘ

Ein Lichtbogen entsteht bei ausreichend hoher elektrischer Potentialdifferenz (Spannung) und Stromdichte durch Stoßionisation. Die Gasentladung bildet ein Plasma, in dem die Teilchen (Atome oder Moleküle) zumindest teilweise ionisiert sind. Die freien Ladungsträger haben zur Folge, dass das Gas elektrisch leitfähig wird. Die meisten Plasmen sind quasi neutral, die Zahl der positiv geladenen Ionen und Elektronen ist also identisch. Da die Ionen gegenüber den viel leichteren Elektronen wesentlich langsamer sind, sind für den Stromtransport oft fast ausschließlich die Elektronen relevant. ⓘ

In der elektrischen Energietechnik bei Schalthandlungen auftretende Lichtbögen werden als Schaltlichtbogen bezeichnet. Unerwünschte Lichtbögen, die oft Schäden oder Unfälle zur Folge haben, werden als Störlichtbogen bezeichnet. ⓘ

Geschichte

Natürliche Blitze werden heute als elektrische Funken und nicht als Lichtbogen betrachtet. ⓘ

Sir Humphry Davy entdeckte den kurzzeitigen elektrischen Lichtbogen im Jahr 1800. Im Jahr 1801 beschrieb er das Phänomen in einem Artikel, der in William Nicholsons Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts veröffentlicht wurde. Nach dem Verständnis der modernen Wissenschaft handelte es sich bei Davys Beschreibung um einen Funken und nicht um einen Lichtbogen. Noch im selben Jahr demonstrierte Davy den Effekt öffentlich vor der Royal Society, indem er einen elektrischen Strom durch zwei sich berührende Kohlestäbe leitete und sie dann ein Stück auseinanderzog. Die Demonstration erzeugte einen "schwachen" Lichtbogen, der sich nicht ohne weiteres von einem anhaltenden Funken zwischen den Kohlestiften unterscheiden ließ. Die Gesellschaft beschaffte eine leistungsfähigere Batterie mit 1.000 Platten, und 1808 demonstrierte er den großen Lichtbogen. Ihm wird die Namensgebung für den Lichtbogen zugeschrieben. Er nannte ihn Lichtbogen, weil er die Form eines nach oben gerichteten Bogens annimmt, wenn der Abstand zwischen den Elektroden nicht gering ist. Dies ist auf die Auftriebskraft des heißen Gases zurückzuführen. ⓘ

Der erste kontinuierliche Lichtbogen wurde 1802 unabhängig entdeckt und 1803 von Vasily V. Petrov, einem russischen Wissenschaftler, der mit einer aus 4200 Scheiben bestehenden Kupfer-Zink-Batterie experimentierte, als "besondere Flüssigkeit mit elektrischen Eigenschaften" beschrieben. ⓘ

Im späten neunzehnten Jahrhundert wurde die Lichtbogenbeleuchtung in großem Umfang für die öffentliche Beleuchtung eingesetzt. Die Neigung der Lichtbögen zu flackern und zu zischen war ein großes Problem. 1895 schrieb Hertha Marks Ayrton eine Reihe von Artikeln für den "Electrician", in denen sie erklärte, dass diese Phänomene auf den Kontakt von Sauerstoff mit den zur Erzeugung des Lichtbogens verwendeten Kohlestäben zurückzuführen waren. Im Jahr 1899 war sie die erste Frau, die vor der Institution of Electrical Engineers (IEE) einen eigenen Vortrag hielt. Ihr Vortrag trug den Titel "The Hissing of the Electric Arc". Kurz darauf wurde Ayrton zum ersten weiblichen Mitglied der IEE gewählt; die nächste Frau, die in die IEE aufgenommen wurde, war 1958. Sie beantragte, einen Vortrag vor der Royal Society halten zu dürfen, was ihr jedoch aufgrund ihres Geschlechts verwehrt wurde, so dass John Perry 1901 an ihrer Stelle "The Mechanism of the Electric Arc" vortrug. ⓘ

Video eines Lichtbogens an einer Jakobsleiter ⓘ

Überblick

Lichtbögen zwischen der Stromschiene und den Stromabnehmern eines elektrischen Zuges nach Vereisung der Oberleitung ⓘ

Lichtbögen zwischen der Stromschiene und dem "Schuh" eines elektrischen Stromabnehmers in einem Zug der Londoner U-Bahn ⓘ

Ein Lichtbogen ist die Form der elektrischen Entladung mit der höchsten Stromdichte. Der maximale Strom durch einen Lichtbogen wird nur durch den äußeren Stromkreis begrenzt, nicht durch den Lichtbogen selbst. ⓘ

Ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden kann durch Ionisierung und Glimmentladung ausgelöst werden, wenn der Strom durch die Elektroden erhöht wird. Die Durchbruchspannung des Elektrodenspalts ist eine kombinierte Funktion des Drucks, des Abstands zwischen den Elektroden und der Art des Gases, das die Elektroden umgibt. Wenn ein Lichtbogen beginnt, ist seine Klemmenspannung viel geringer als bei einer Glimmentladung, und der Strom ist höher. Ein Lichtbogen in Gasen nahe dem Atmosphärendruck ist durch sichtbare Lichtemission, hohe Stromdichte und hohe Temperatur gekennzeichnet. Ein Lichtbogen unterscheidet sich von einer Glimmentladung unter anderem durch die ähnlichen Temperaturen der Elektronen und der positiven Ionen; bei einer Glimmentladung sind die Ionen viel kälter als die Elektronen. ⓘ

Ein gezogener Lichtbogen kann durch zwei Elektroden ausgelöst werden, die sich zunächst berühren und dann auseinandergezogen werden; auf diese Weise kann ein Lichtbogen auch ohne die Hochspannungsglimmentladung gezündet werden. Auf diese Weise beginnt ein Schweißer mit dem Schweißen einer Verbindung, indem er die Schweißelektrode kurz an das Werkstück anlegt und sie dann zurückzieht, bis sich ein stabiler Lichtbogen bildet. Ein weiteres Beispiel ist die Trennung von elektrischen Kontakten in Schaltern, Relais oder Leistungsschaltern; in Hochspannungsstromkreisen kann eine Lichtbogenunterdrückung erforderlich sein, um Schäden an den Kontakten zu vermeiden. ⓘ

Der elektrische Widerstand entlang des kontinuierlichen Lichtbogens erzeugt Wärme, die weitere Gasmoleküle ionisiert (wobei der Grad der Ionisierung von der Temperatur abhängt), und gemäß dieser Abfolge: Fest-Flüssig-Gas-Plasma, verwandelt sich das Gas allmählich in ein thermisches Plasma. Ein thermisches Plasma befindet sich im thermischen Gleichgewicht; die Temperatur ist in den Atomen, Molekülen, Ionen und Elektronen relativ homogen. Die den Elektronen zugeführte Energie wird durch elastische Stöße schnell auf die schwereren Teilchen verteilt, da diese sehr beweglich und zahlreich sind. ⓘ

Der Strom im Lichtbogen wird durch thermionische Emission und Feldemission von Elektronen an der Kathode aufrechterhalten. Der Strom kann in einem sehr kleinen heißen Punkt auf der Kathode konzentriert sein; es können Stromdichten in der Größenordnung von einer Million Ampere pro Quadratzentimeter gefunden werden. Im Gegensatz zu einer Glimmentladung weist ein Lichtbogen kaum eine erkennbare Struktur auf, da die positive Säule recht hell ist und an beiden Enden fast bis zu den Elektroden reicht. Der Kathodenabfall und der Anodenabfall von einigen Volt treten innerhalb eines Bruchteils eines Millimeters von jeder Elektrode auf. Die positive Säule hat einen geringeren Spannungsgradienten und kann bei sehr kurzen Lichtbögen fehlen. ⓘ

Ein niederfrequenter (weniger als 100 Hz) Wechselstromlichtbogen ähnelt einem Gleichstromlichtbogen; bei jedem Zyklus wird der Lichtbogen durch einen Durchschlag ausgelöst, und die Elektroden tauschen ihre Rolle als Anode oder Kathode, wenn sich der Strom umkehrt. Mit zunehmender Stromfrequenz reicht die Zeit nicht mehr aus, um die gesamte Ionisation in jedem Halbzyklus zu zerstreuen, und der Durchschlag ist nicht mehr erforderlich, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten; die Spannung-Strom-Kennlinie wird nahezu ohmsch. ⓘ

Elektrischer Lichtbogen zwischen Drahtlitzen. ⓘ

Die verschiedenen Formen von Lichtbögen sind das Ergebnis nichtlinearer Muster von Strom und elektrischem Feld. Der Lichtbogen entsteht in dem gasgefüllten Raum zwischen zwei leitenden Elektroden (häufig aus Wolfram oder Kohlenstoff) und führt zu einer sehr hohen Temperatur, die die meisten Materialien schmelzen oder verdampfen kann. Ein Lichtbogen ist eine kontinuierliche Entladung, während die ähnliche elektrische Funkenentladung kurzzeitig ist. Ein Lichtbogen kann entweder in Gleichstromkreisen (DC) oder in Wechselstromkreisen (AC) auftreten. In letzterem Fall kann der Lichtbogen bei jedem Halbzyklus des Stroms erneut zünden. Ein Lichtbogen unterscheidet sich von einer Glimmentladung dadurch, dass die Stromdichte recht hoch und der Spannungsabfall innerhalb des Lichtbogens gering ist; an der Kathode kann die Stromdichte bis zu einem Megaampere pro Quadratzentimeter betragen. ⓘ

Bei einem Lichtbogen besteht ein nichtlineares Verhältnis zwischen Strom und Spannung. Sobald der Lichtbogen entstanden ist (entweder durch eine Glimmentladung oder durch kurzzeitiges Berühren der Elektroden und anschließendes Trennen), führt ein höherer Strom zu einer niedrigeren Spannung zwischen den Lichtbogenanschlüssen. Dieser negative Widerstandseffekt erfordert eine positive Impedanz (wie ein elektrisches Vorschaltgerät) im Stromkreis, um einen stabilen Lichtbogen zu erhalten. Diese Eigenschaft ist der Grund dafür, dass unkontrollierte Lichtbögen in Geräten so zerstörerisch sind, denn wenn ein Lichtbogen einmal gezündet ist, zieht er immer mehr Strom aus einer festen Spannungsversorgung, bis das Gerät zerstört ist. ⓘ

Lichtbogen mit 2000 Volt Gleich­spannung bei 0,7 Ampere an zwei Kohleelektroden ⓘ

Lichtbogen bei einer Wechsel­spannung von 4 kV und einer Stromstärke von 4 A. ⓘ

Lichtbögen benötigen bei Kupferleitungen eine Mindestspannung von etwa 12 V und einen Mindeststrom von etwa 0,4 A. Sie senden neben hochfrequenten Wellen auch typischerweise intensive infrarote, sichtbare und ultraviolette Strahlung aus. ⓘ

Zur Aufrechterhaltung ist eine Spannung von ungefähr 30 Volt erforderlich. ⓘ

Je nach Betriebsparametern können verschiedene Prozesse maßgeblich für die Emission der Elektronen aus dem Kathodenmaterial verantwortlich sein. Eine wichtige Kenngröße ist dabei die Austrittsarbeit, die geleistet werden muss, damit Elektronen den Festkörper verlassen können. Diese wird bei Lichtbögen durch das vorhandene externe Feld herabgesetzt (Schottky-Effekt oder auch Schottky-Erniedrigung). Weitere relevante Prozesse bei der Elektronenemission können die folgenden sein:

• Thermoemission (auch thermionische Emission, glühelektrischer Effekt, Edison-Effekt, Richardson-Effekt oder auch Edison-Richardson-Effekt genannt),
• Feldemission: Das vorhandene elektrische Feld ermöglicht den Elektronen quantenmechanisches Tunneln aus dem Festkörper heraus.
• Thermionische Feldemission: Starke elektrische Felder führen zu weiteren Effekten, die durch die obigen Punkte nicht abgedeckt werden.
• Sekundärelektronenemission: Durch den Kathodenfall werden positive Ionen zur Kathode hin beschleunigt. Bei ihrem Auftreffen bewirken sie die Freisetzung von Elektronen. Ebenso können durch angeregte Atome oder Ionen hochenergetische Photonen (im UV- oder XUV-Bereich) emittiert werden, die aufgrund des äußeren Photoeffektes Sekundärelektronen aus der Kathode auslösen. ⓘ

Verwendet

Ein elektrischer Lichtbogen kann Kalziumoxid schmelzen ⓘ

In der Industrie werden Lichtbögen zum Schweißen, Plasmaschneiden, zur Funkenerosion, als Bogenlampe in Filmprojektoren und als Scheinwerfer in der Bühnenbeleuchtung eingesetzt. Elektrische Lichtbogenöfen werden zur Herstellung von Stahl und anderen Stoffen verwendet. Kalziumkarbid wird auf diese Weise hergestellt, da es eine große Menge an Energie benötigt, um eine endotherme Reaktion (bei Temperaturen von 2500 °C) auszulösen. ⓘ

Kohlebogenlampen waren die ersten elektrischen Lampen. Sie wurden im 19. Jahrhundert für Straßenbeleuchtungen und bis zum Zweiten Weltkrieg für Spezialanwendungen wie Suchscheinwerfer verwendet. Heute werden Niederdrucklichtbögen in vielen Anwendungen eingesetzt. So werden z. B. Leuchtstoffröhren, Quecksilber-, Natrium- und Halogenmetalldampflampen für Beleuchtungszwecke eingesetzt; Xenonbogenlampen werden für Filmprojektoren verwendet. ⓘ

Die Bildung eines intensiven Lichtbogens, ähnlich einem kleinen Lichtbogen, ist die Grundlage für Sprengzünder mit Drahtbrücken. ⓘ

Eine wichtige verbleibende Anwendung ist der Einsatz in Hochspannungsschaltanlagen für Hochspannungsnetze. Moderne Geräte verwenden Schwefelhexafluorid unter hohem Druck in einem Düsenstrom zwischen getrennten Elektroden innerhalb eines Druckbehälters. Der Fehlerwechselstrom wird am Stromnullpunkt unterbrochen, indem die hoch elektronegativen SF6-Ionen freie Elektronen aus dem abklingenden Plasma absorbieren. Eine ähnliche Technologie auf Luftbasis wurde weitgehend ersetzt, weil viele geräuschvolle Einheiten in Reihe erforderlich waren, um ein Wiederzünden des Stroms unter ähnlichen Supernetzbedingungen zu verhindern. ⓘ

Elektrische Lichtbögen wurden für den elektrischen Antrieb von Raumfahrzeugen untersucht. ⓘ

Im Labor werden sie für die Spektroskopie eingesetzt, um durch starke Erhitzung einer Materieprobe Spektralemissionen zu erzeugen. ⓘ

Visuelle Unterhaltung

Eine Langzeitbelichtung einer Jakobsleiter ⓘ

Eine Demonstration der Jakobsleiter ⓘ

Jakobsleiter bei der Arbeit ⓘ

Eine Jakobsleiter (oder besser gesagt ein wandernder Hochspannungslichtbogen) ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer kontinuierlichen Folge von Lichtbögen, die nach oben steigen. Die Funkenstrecke wird von zwei Drähten gebildet, die annähernd senkrecht verlaufen, aber nach oben hin allmählich in einer engen V-Form auseinanderlaufen. Sie wurde nach der in der Bibel beschriebenen "Himmelsleiter" benannt. ⓘ

Wird an den Spalt eine Hochspannung angelegt, bildet sich an der Unterseite der Drähte, wo sie einander am nächsten sind, ein Funke, der rasch in einen Lichtbogen übergeht. Die Luft bricht bei etwa 30 kV/cm zusammen, je nach Feuchtigkeit, Temperatur usw. Abgesehen von den Spannungsabfällen an Anode und Kathode verhält sich der Lichtbogen fast wie ein Kurzschluss, der so viel Strom zieht, wie das Stromnetz liefern kann. ⓘ

Die erhitzte ionisierte Luft steigt auf und nimmt den Strompfad mit sich. Je länger der Ionisierungspfad wird, desto instabiler wird er und bricht schließlich ab. Die Spannung an den Elektroden steigt dann wieder an, und der Funke bildet sich am Boden des Geräts neu. ⓘ

Dieser Zyklus führt zu einem exotisch anmutenden Schauspiel aus weißen, gelben, blauen oder violetten Lichtbögen, das oft in Filmen über verrückte Wissenschaftler zu sehen ist. Das Gerät war in den 1950er- und 1960er-Jahren in Schulen und auf Wissenschaftsmessen sehr beliebt. Es wurde in der Regel aus einer Model-T-Funkenspule oder einer anderen Hochspannungsquelle im Bereich von 10 000 bis 30 000 Volt, z. B. einem Leuchtreklametransformator (5-15 kV) oder einem Fernsehbildröhrenschaltkreis (Rücklauftransformator) (10-28 kV), und zwei V-förmig angeordneten Kleiderbügeln oder Stangen gebaut. Für größere Leitern werden häufig in Reihe geschaltete Mikrowellenherd-Transformatoren, Spannungsvervielfacher und umgekehrt betriebene Transformatoren (Polmolche) verwendet. ⓘ

Medien im Zusammenhang mit Jakobsleitern auf Wikimedia Commons ⓘ

Lenkung des Lichtbogens

Wissenschaftler haben eine Methode entdeckt, um den Weg eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden zu steuern, indem sie Laserstrahlen auf das Gas zwischen den Elektroden schießen. Das Gas wird zu einem Plasma und lenkt den Lichtbogen. Indem man die Plasmabahn zwischen den Elektroden mit verschiedenen Laserstrahlen konstruiert, kann der Lichtbogen in gekrümmte und S-förmige Bahnen gebracht werden. Der Lichtbogen kann auch auf ein Hindernis treffen und sich auf der anderen Seite des Hindernisses neu bilden. Die lasergesteuerte Lichtbogentechnologie könnte sich als nützlich erweisen, wenn es darum geht, einen elektrischen Funken an einer bestimmten Stelle zu erzeugen. ⓘ

Unerwünschte Lichtbogenbildung

Eine Verbrennung in einem Stecker, die durch einen elektrischen Lichtbogen während eines Kurzschlusses verursacht wird. ⓘ

Unerwünschte oder unbeabsichtigte Lichtbögen können schädliche Auswirkungen auf Stromübertragungs- und -verteilungssysteme sowie elektronische Geräte haben. Zu den Geräten, die Lichtbögen verursachen können, gehören Schalter, Leistungsschalter, Relaiskontakte, Sicherungen und schlechte Kabelabschlüsse. Wenn ein induktiver Stromkreis ausgeschaltet wird, kann der Strom nicht sofort auf Null springen: Es bildet sich ein transienter Lichtbogen über den Trennkontakten. Schaltgeräte, die anfällig für Lichtbögen sind, sind in der Regel so konstruiert, dass sie einen Lichtbogen eindämmen und löschen können, und Dämpfungsschaltungen können einen Pfad für transiente Ströme bereitstellen und so Lichtbögen verhindern. Wenn ein Stromkreis eine ausreichende Stromstärke und Spannung aufweist, um einen Lichtbogen außerhalb eines Schaltgeräts aufrechtzuerhalten, kann der Lichtbogen Schäden an den Geräten verursachen, wie z. B. das Schmelzen von Leitern, die Zerstörung der Isolierung und Feuer. Ein Lichtbogen beschreibt ein explosives elektrisches Ereignis, das eine Gefahr für Menschen und Geräte darstellt. ⓘ

Unerwünschte Lichtbögen in elektrischen Kontakten von Schützen, Relais und Schaltern können durch Vorrichtungen wie Kontaktlichtbogenunterdrücker und RC-Dämpfer oder durch Techniken wie:

• Eintauchen in Transformatorenöl, dielektrisches Gas oder Vakuum
• Lichtbogenschächte
• magnetische Blasen
• pneumatische Ausblasung
• Opferkontakte ("Lichtbögen")
• Dämpfungsmaterialien zur Absorption der Lichtbogenenergie, entweder thermisch oder durch chemische Zersetzung ⓘ

Ein Lichtbogen kann auch entstehen, wenn sich ein Kanal mit geringem Widerstand (Fremdkörper, leitfähiger Staub, Feuchtigkeit usw.) zwischen Stellen mit unterschiedlicher Spannung bildet. Der leitfähige Kanal kann dann die Bildung eines Lichtbogens begünstigen. Die ionisierte Luft hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die der von Metallen nahe kommt, und kann extrem hohe Ströme leiten, die einen Kurzschluss verursachen und Schutzeinrichtungen (Sicherungen und Schutzschalter) auslösen. Eine ähnliche Situation kann eintreten, wenn eine Glühbirne durchbrennt und die Bruchstücke des Glühfadens einen Lichtbogen zwischen den Leitungen im Inneren der Glühbirne ziehen, was zu einem Überstrom führt, der den Schutzschalter auslöst. ⓘ

Ein elektrischer Lichtbogen über die Oberfläche von Kunststoffen führt zu deren Zersetzung. In der Lichtbogenspur bildet sich eine leitfähige, kohlenstoffreiche Spur, die so genannte "Kohlenstoffspur", die sich negativ auf die Isolationseigenschaften auswirkt. Die Lichtbogenanfälligkeit oder der "Leiterbahnwiderstand" wird gemäß ASTM D495 mit Punktelektroden und kontinuierlichen und intermittierenden Lichtbögen geprüft; sie wird in Sekunden gemessen, die erforderlich sind, um unter Hochspannungsbedingungen mit niedrigem Strom eine leitfähige Leiterbahn zu bilden. Einige Materialien sind weniger anfällig für Degradation als andere. Polytetrafluorethylen zum Beispiel hat eine Lichtbogenbeständigkeit von etwa 200 Sekunden (3,3 Minuten). Von den duroplastischen Kunststoffen sind Alkyd- und Melaminharze besser als Phenolharze. Polyethylene haben eine Lichtbogenbeständigkeit von etwa 150 Sekunden; Polystyrole und Polyvinylchloride haben eine relativ geringe Beständigkeit von etwa 70 Sekunden. Kunststoffe können so formuliert werden, dass sie Gase mit lichtbogenlöschenden Eigenschaften abgeben; diese werden als lichtbogenlöschende Kunststoffe bezeichnet. ⓘ

Bei einigen Arten von Leiterplatten führt ein Lichtbogen, möglicherweise aufgrund von Rissen in den Leiterbahnen oder dem Versagen eines Lötmittels, dazu, dass die betroffene Isolierschicht leitfähig wird, da das Dielektrikum aufgrund der hohen Temperaturen verbrennt. Diese Leitfähigkeit verlängert die Lichtbogenbildung aufgrund eines kaskadenartigen Versagens der Oberfläche. ⓘ

Lichtbogenunterdrückung

Die Lichtbogenunterdrückung ist eine Methode, mit der versucht wird, einen elektrischen Lichtbogen zu reduzieren oder zu beseitigen. Es gibt mehrere mögliche Anwendungsbereiche für Lichtbogenunterdrückungsmethoden, darunter Metallschichtabscheidung und Sputtern, Schutz vor Lichtbögen, elektrostatische Verfahren, bei denen Lichtbögen nicht erwünscht sind (z. B. Pulverlackierung, Luftreinigung, Polieren von PVDF-Folien), und Lichtbogenunterdrückung bei Kontaktstrom. Bei der Entwicklung von Industrie-, Militär- und Unterhaltungselektronik wird die letztgenannte Methode im Allgemeinen für Geräte wie elektromechanische Leistungsschalter, Relais und Schütze angewandt. In diesem Zusammenhang wird bei der Lichtbogenunterdrückung ein Kontaktschutz verwendet. ⓘ

Ein Teil der Energie eines elektrischen Lichtbogens bildet neue chemische Verbindungen in der Luft, die den Lichtbogen umgibt: Dazu gehören Stickstoffoxide und Ozon, wobei letzteres an seinem charakteristischen scharfen Geruch zu erkennen ist. Diese Chemikalien können durch Hochleistungskontakte in Relais und Motorkommutatoren erzeugt werden und wirken korrosiv auf nahe gelegene Metalloberflächen. Durch Lichtbögen werden auch die Oberflächen der Kontakte abgetragen, wodurch sie sich abnutzen und ein hoher Kontaktwiderstand beim Schließen entsteht. ⓘ

Gesundheitsgefahren

Der Kontakt mit einem Lichtbogen erzeugenden Gerät kann die Gesundheit gefährden. Ein in der Luft entstehender Lichtbogen ionisiert Sauerstoff und Stickstoff, die sich dann zu reaktiven Molekülen wie Ozon und Stickoxid umwandeln können. Diese Produkte können schädlich für die Schleimhäute sein. Auch Pflanzen sind anfällig für Ozonvergiftungen. Diese Gefahren sind am größten, wenn der Lichtbogen kontinuierlich und in einem geschlossenen Raum, z. B. einem Zimmer, entsteht. Ein Lichtbogen, der im Freien entsteht, ist weniger gefährlich, da die erhitzten ionisierten Gase in die Luft aufsteigen und sich in der Atmosphäre verflüchtigen. Funkenstrecken, die nur zeitweise kurze Funkenausbrüche erzeugen, sind ebenfalls wenig gefährlich, da das Volumen der erzeugten Ionen sehr gering ist. ⓘ

Lichtbögen können auch ein breites Spektrum von Wellenlängen erzeugen, das sowohl das sichtbare Licht als auch das unsichtbare ultraviolette und infrarote Spektrum umfasst. Sehr intensive Lichtbögen, die z. B. beim Lichtbogenschweißen erzeugt werden, können erhebliche Mengen an ultravioletter Strahlung erzeugen, die für die Hornhaut des Betrachters schädlich ist. Diese Lichtbögen sollten nur durch spezielle Dunkelfilter beobachtet werden, die die Lichtbogenintensität reduzieren und die Augen des Beobachters vor den ultravioletten Strahlen abschirmen. ⓘ

Leistungsbilanz

In einem Lichtbogen wird das Plasma durch Stöße der im elektrischen Feld beschleunigten Elektronen mit den schweren Teilchen aufgeheizt. Der Wärmetransport nach außen erfolgt durch Wärmeleitung. Darüber hinaus müssen in der Leistungsbilanz Emission und Absorption der Strahlung berücksichtigt werden. Die Leistungsbilanz lautet:

$\rho \cdot {\frac {\mathrm {d} h}{\mathrm {d} t}}=\sigma \cdot E^{2}+\operatorname {div} \kappa \cdot \operatorname {grad} T-e+a$ ⓘ

$h$: Enthalpie ⓘ

$T$: Temperatur ⓘ

$\rho$: Dichte ⓘ

$\sigma$: elektrische Leitfähigkeit ⓘ

$E$: elektrisches Feld ⓘ

$\kappa$: Wärmeleitfähigkeit ⓘ

$e$: emittierte Strahlung ⓘ

$a$: absorbierte Strahlung ⓘ

Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit eines Volumenelementes kann für die Enthalpieänderung geschrieben werden:

$\rho \cdot {\frac {\mathrm {d} h}{\mathrm {d} t}}=\rho \cdot {\frac {\partial h}{\partial t}}+\rho \cdot {\vec {v}}\cdot \operatorname {grad} h$ ⓘ

Betrachtet man nun einen vertikal angeordneten stationär betriebenen zylindrischen Lichtbogen, dann kann die Leistungsbilanz einfacher dargestellt werden. Wird die Strömung (in diesem Fall die Aufwärtsbewegung eines Volumenelementes) und die Strahlungstermen vernachlässigt, erhält man eine Leistungsbilanz, die die Aufheizung und die rotationssymmetrische Wärmeleitung nach außen beschreibt:

$\sigma \cdot E^{2}={\frac {1}{r}}\,{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} r}}\,r\kappa \,{\frac {\mathrm {d} T}{\mathrm {d} r}}=0$ ⓘ

$r$: Kreiskoordinate ⓘ

Das Temperaturprofil des Bogens hängt vom eingesetzten Gas ab. Molekülgase werden im Lichtbogen dissoziiert. In den radialen Bereichen, in denen die Dissoziation der Moleküle stark ansteigt, ist die Wärmeleitfähigkeit des Gases sehr hoch und dementsprechend ist auch der Temperaturgradient steiler als bei der Verwendung von einatomigen Edelgasen. Weiterhin kann es auch zu Entmischungseffekten (ambipolare Diffusion, Kataphorese) kommen. ⓘ

Technische Anwendungen

Schweißen

Lichtbögen unterschiedlichster Art dienen beim Lichtbogenschweißen als Wärmequelle, ebenso beim Glasfaserspleißen. ⓘ

Stahlherstellung

Eine bedeutende Anwendung ist der Lichtbogenofen zum Herstellen von Stahl in Elektrostahlwerken. ⓘ

Salpetersäure

Vor der Erfindung des wesentlich effizienteren Ostwald-Verfahrens (ab 1908) wurde Salpetersäure über die Herstellung von Stickoxiden durch Luftverbrennung im Lichtbogen (Birkeland-Eyde-Verfahren) erzeugt. ⓘ

Erzeugung dünner metallischer Schichten

Eine weitere Anwendung ist die Erzeugung dünner metallischer Schichten mittels Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD). Hierbei werden mittels der kinetischen Energie der Elektronen des Lichtbogens Atome bzw. Moleküle aus einem festen Material (Target) herausgelöst und auf einem Substrat abgeschieden. Dieses Verfahren wird unter anderem bei verschleißmindernden Titannitridschichten auf Schneidwerkzeugen eingesetzt. ⓘ

Chemische Analyse

Eine klassische Anwendung erfährt der Lichtbogen in der Spektralanalyse zur Bestimmung von Haupt- und Spurenbestandteilen hauptsächlich von Feststoffen. Das zu analysierende Material wird im Lichtbogen verdampft, wobei die entsprechenden Spektrallinien angeregt werden. Die Bestimmung der chemischen Elemente über deren emittierte Linien und die Bestimmung ihres Anteils an der Probe mittels der Intensität der Emission erfolgt in einem optischen Emissionsspektrometer (OES). Hauptsächlich werden Gleichstrombögen mit Kohle- oder Graphitelektroden angewandt. ⓘ

Antriebsmittel

Lichtbogentriebwerke nutzen einen Lichtbogen, um ein Schubgas stark zu erhitzen und dadurch aus einer Düse mit hoher Geschwindigkeit (> 4 km/s) zu beschleunigen. Lichtbogentriebwerke werden als Triebwerk an Satelliten genutzt, um Bahnerhalt- und Bahnänderungsmanöver durchzuführen. Der erzeugbare Schub ist deutlich geringer als bei chemischen Verbrennungstriebwerken, der spezifische Impuls hingegen deutlich besser, wenn auch nicht so hoch wie bei Ionentriebwerken. ⓘ

Anzündhilfe

Vorrichtungen zur Erzeugung eines kleinen Lichtbogens, entweder als kurzer Impuls oder im Sekundenbereich, finden Anwendung zum Entzünden von Gasflammen in Herden oder Gasfeuerzeugen oder direkt als Feuerzeug. ⓘ

Zukunftsanwendungen

Müllentsorgung

Die US-Firma Startech betreibt in Bristol, Connecticut, eine Pilotanlage zur Plasmavergasung von Müll durch Lichtbogen. Ins Innere des Reaktionskessels ragen zwei Elektroden, die unter Hochspannung stehen. Die hohe Spannung verwandelt die Luft dazwischen in elektrisch leitendes Plasma. Bis zu 17.000 °C werden erreicht, an den Wänden der Kammer sind es noch 1700 °C. Die Moleküle der eingebrachten Stoffe zerfallen in ihre Atome: Die anorganischen Bestandteile des Mülls schmelzen und sammeln sich am Boden des Reaktors. Die organischen Stoffe dagegen (z. B. Kunststoffe) verpuffen zu Gas. Neben Wasserstoff ist darin vor allem Kohlenmonoxid enthalten. ⓘ

Problematisch an dem Verfahren ist der exorbitant hohe Energieverbrauch. In nächster Zukunft dürfte es lediglich bei der Sondermüllbeseitigung wirtschaftlich sein. ⓘ

Lichtbogen-Plasma-Reaktor

Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Ethin aus Kohle. ⓘ

Das Verfahren wurde 1980 als Gemeinschaftsprojekt der Firma Hüls AG (Chemiepark Marl) mit der DMT-Gesellschaft zur Gewinnung von Acetylen entwickelt. Die Kohle muss vor der Reaktion sehr klein gemahlen (Teilchengröße: 100 μm) werden. Bei sehr hohen Temperaturen 1000–2000 K im Lichtbogenplasma (Kathode aus Wolfram mit ThO₂ dotiert, Anode aus Kupfer) wird ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlepartikeln bei kurzen Kontaktzeiten (wenige ms) zur Reaktion gebracht, durch Quenchen mit Wasser entsteht Ethin. Der Kohledurchsatz der Pilotanlage betrug etwa 350–500 kg/h bei einem Kohleumsatz von 50 %, einer Acetylenausbeute von 20/100 kg Kohle, einer Stromstärke von 1000 A, einer Spannung von 1250 V. Im Produktgemisch befindet sich neben Acetylen (Gew. 25,0 %) noch ein erheblicher Anteil Kohlenmonoxid (Gew. 19,9 %) und Wasserstoff (Gew. 33,6 %). ⓘ

Das Verfahren ist bei Vorliegen von preisgünstiger Kohle und billigem Strom in einigen Regionen der Welt möglicherweise zur Herstellung von Kohlenwasserstoffverbindungen interessant. ⓘ