EinLichtbogen entsteht bei ausreichend hoherelektrischer Potentialdifferenz (Spannung) undStromdichte durchStoßionisation. DieGasentladung bildet einPlasma, in dem die Teilchen (Atome oderMoleküle) 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 geladenenIonen undElektronen ist also identisch. Da die Ionen gegenüber den viel leichteren Elektronen wesentlich langsamer sind, sind für den Stromtransport oft fast ausschließlich die Elektronen relevant.
SirHumphry Davy entdeckte 1800 den Kurzimpuls-Lichtbogen.[1] 1801 beschrieb er das Phänomen in einem Artikel, der imJournal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts vonWilliam Nicholson veröffentlicht wurde.[2] Nach heutigem Wissen beschrieb Davys eher einen Funken als einen Bogen.[3] Im selben Jahr demonstrierte Davy öffentlich die Wirkung vor der Royal Society, indem er zwei sich berührende Kohlenstoffstäbe an eine Stromquelle angeschlossen hat und die Elektroden dann ein Stück auseinanderzog. In der Vorführung wurde ein „schwacher“ Lichtbogen zwischen Graphitstiften erzeugt, der sich nicht ohne weiteres von einem anhaltenden Funken unterscheiden ließ. Die Gesellschaft erwarb eine leistungsstärkere Batterie mit 1.000 Platten und nahm 1808 an der Demonstration eines stärkeren Lichtbogens teil.[4]
Davy wird die Benennung des Bogens zugeschrieben. Er bezeichnete die Erscheinung als Bogen, weil sich bei einem Elektrodenabstand von mindestens 4 Zoll ein heller aufsteigender Bogen ausbildet.[5] Offensichtlich müssen bei dem Versuch die Elektroden horizontal angeordnet gewesen sein und die Auftriebsströmung des heißen Plasmas erzeugt die Bogenerscheinung.
Der erste kontinuierliche Lichtbogen wurde 1802 unabhängig entdeckt und 1803[6] vonWassili Wladimirowitsch Petrow, einem russischen Wissenschaftler, beschrieben. Petrow experimentierte mit einerVoltaschen Säule aus 4200 Scheiben. Er beschrieb den Effekt als „Spezialflüssigkeit mit elektrischen Eigenschaften“.[6][7]
Lichtbogen mit 2000 Volt Gleichspannung bei 0,7 Ampere an zwei KohleelektrodenLichtbogen bei einer Wechselspannung von 4 kV und einer Stromstärke von 4 A.
Charakteristisch für den Lichtbogen sind:
der im Vergleich zurGlimmentladung relativ geringeKathodenfall (in der Größenordnung des Anregungs- oder Ionisierungspotentials der beteiligten Atome, ungefähr 10 eV),
eine im Vergleich zur Glimmentladung hohe Stromdichte im Plasma,
Gas- und Elektronentemperatur sind stark gekoppelt. Es wird meist näherungsweise das lokalethermische Gleichgewicht erreicht.
Die Gasdrücke sind relativ hoch (p > 0,1 bar).
Die Gastemperatur liegt bei 5.000 K bis 50.000 K.
Zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist eine Spannung von ungefähr 30 V erforderlich.[8] Der Lichtbogen sendet neben hochfrequenten Wellen auch typischerweise intensiveinfrarote,sichtbare undultravioletteStrahlung aus.
Je nach Betriebsparametern können verschiedene Prozesse maßgeblich für die Emission der Elektronen aus dem Kathodenmaterial verantwortlich sein. Eine wichtige Kenngröße ist dabei dieAustrittsarbeit, 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 (imUV- oderXUV-Bereich) emittiert werden, die aufgrund des äußerenPhotoeffektes Sekundärelektronen aus der Kathode auslösen.
In einem Lichtbogen wird dasPlasma durch Stöße der imelektrischen Feld beschleunigten Elektronen mit den schweren Teilchen aufgeheizt. Der Wärmetransport nach außen erfolgt durchWärmeleitung. Darüber hinaus müssen in der LeistungsbilanzEmission undAbsorption der Strahlung berücksichtigt werden. Die Leistungsbilanz lautet:
Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit eines Volumenelementes kann für dieEnthalpieänderung geschrieben werden:
Betrachtet man nun einen vertikal angeordneten stationär betriebenenzylindrischen 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 dierotationssymmetrischeWärmeleitung nach außen beschreibt:
Das Temperaturprofil des Bogens hängt vom eingesetzten Gas ab. Molekülgase werden im Lichtbogendissoziiert. In den radialen Bereichen, in denen die Dissoziation der Moleküle stark ansteigt, ist dieWärmeleitfähigkeit des Gases sehr hoch und dementsprechend ist auch derTemperaturgradient steiler als bei der Verwendung von einatomigenEdelgasen.Weiterhin kann es auch zu Entmischungseffekten (ambipolare Diffusion,Kataphorese) kommen.
Lichtbögen wurden zuerst in der Beleuchtungstechnik genutzt:Bogenlampen sind die ältesten elektrischen Lichtquellen. Davy machte seine ersten dahingehenden Beobachtungen vermutlich bereits um 1802, veröffentlichte diese aber erst später (1812). Die Lichtbögen wurden zuerst offen in Luft betrieben. Es wurdenGraphitelektroden eingesetzt, die relativ schnell abbrannten.
InQuecksilberhochdrucklampen wirdArgon mit einem Druck von einigen Millibar und Quecksilber eingesetzt. Die Lampe zündet durch einenHochspannungsimpuls und bildet erst eineGlimmentladung aus. Mit steigender Temperatur verdampft das Quecksilber, der Druck nimmt entsprechend dem Quecksilberdampfdruck zu und die Entladung geht in eine Bogenentladung über. ImSpektrum des Lichtbogens dominieren die starken Quecksilberlinien.
DieXenon-Kurzbogenlampe wird in Kinoprojektoren und starken Scheinwerfern eingesetzt. Xenon hat im sichtbaren Spektrum viele optische Übergänge. In Verbindung mit hohen Entladungsdrücken wird eine starkeLinienverbreiterung erreicht, so dass zusammen mit der Kontinuumsemission der freien Elektronen insgesamt ein recht kontinuierliches, tageslichtähnliches Spektrum emittiert wird. Die Strahlungsquelle hat eine geringe räumliche Ausdehnung und kann daher gut mit Reflektoren und Linsenkollimiert werden.
Außerdem sind verschiedene Varianten von Lichtbögen als Strahlungsstandards für bestimmte Wellenlängenbereiche etabliert worden.
Vor der Erfindung des wesentlich effizienterenOstwald-Verfahrens (ab 1908) wurde Salpetersäure über die Herstellung von Stickoxiden durch Luftverbrennung im Lichtbogen (Birkeland-Eyde-Verfahren) erzeugt.
Eine weitere Anwendung ist die Erzeugung dünner metallischer Schichten mittelsLichtbogenverdampfen (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 verschleißminderndenTitannitridschichten aufSchneidwerkzeugen eingesetzt.
Eine klassische Anwendung erfährt der Lichtbogen in derSpektralanalyse 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 einemoptischen Emissionsspektrometer (OES). Hauptsächlich werden Gleichstrombögen mit Kohle- oderGraphitelektroden angewandt.
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 anSatelliten genutzt, umBahnerhalt- und Bahnänderungsmanöver durchzuführen. Der erzeugbareSchub ist deutlich geringer als bei chemischen Verbrennungstriebwerken, derspezifische Impuls hingegen deutlich besser, wenn auch nicht so hoch wie beiIonentriebwerken.
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 alsFeuerzeug.
Die US-Firma Startech betreibt inBristol,Connecticut, eine Pilotanlage zurPlasmavergasung 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.[9]
Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung vonEthin 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, durchQuenchen 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.[10] 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.
↑A. Anders:Tracking down the origin of arc plasma science-II. early continuous discharges. In:IEEE Transactions on Plasma Science. 31. Jahrgang,Nr.5, 2003,S.1060–9,doi:10.1109/TPS.2003.815477 (unt.edu [PDF]).
↑V.P. Kartsev:Nature Mathematized. Hrsg.: Shea, William R. Kluwer Academic, Boston, MA 1983,ISBN 978-90-277-1402-2,S.279.
↑Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang:Elektrotechnik für Fachschulen: Elektrische Maschinen mit Einführung in die Leistungselektronik. Springer-Verlag, 2013,ISBN 978-3-322-92706-4 (google.com [abgerufen am 8. Juli 2016]).
↑Manfred Dworschak:Heiß wie die Sonne. In:Der Spiegel.Nr.16, 2007,S.166 (spiegel.de).
↑Harald Brachold, Cornelius Peukert, Hans Regner:Lichtbogen-Plasma-Reaktor für die Herstellung von Acetylen aus Kohle. In:Chem. -Ing.-Tech. 65, 1993, Nr. 3, S. 293–297.
