Jakobsleiter (Elektrizität)

Symbolische Darstellung

Jakobsleiter mit gestartetem Lichtbogen

Lichtbogen nach ca. 1 s

Die Jakobsleiter ist eine Form von elektrischer Funkenstrecke welche primär in physikalischen Schauexperimenten Anwendung findet. Bei der Jakobsleiter wird der Lichtbogen einer elektrischen Entladung zwischen zwei nach oben auseinanderlaufenden Elektroden aufgrund des Auftriebes und magnetischer Kräfte nach oben bewegt. Benannt ist die Jakobsleiter nach der biblischen Himmelsleiter von der Jakob im Buch Genesis träumt.

Ursache der Bewegung

Der Lichtbogen einer Jakobsleiter bewegt sich nach oben:

• weil die durch die Erhitzung der Luft entstehende Thermik (Aufwind) ihn nach oben zieht
• weil magnetische Kräfte bestrebt sind, die Fläche aus Lichtbogen und Elektroden zu vergrößern

Bei der Jakobsleiter überwiegt aufgrund der relativ geringen Stromstärken die Thermik-Komponente.

Die gleichen magnetischen Kräfte führen auch bei Hornableitern von Schaltern wie Schütze oder Leitungsschutzschalter und Überspannungsableitern zum Bewegen und zur Verlängerung des Lichtbogens bzw. Schaltlichtbogens, sodass diese dort auf diese Weise zum Verlöschen gebracht werden.

Typische Parameter

Nebenstehende Anordnung wird aus einer strombegrenzten Wechselspannungsquelle mit einer Leerlaufspannung von 8 kV gespeist. Nach Zünden des Bogens sinkt die Spannung jedoch auf einige 100 V ab.

Der Strom der Entladung beträgt nur etwa 0,1 A. Die Elektroden bleiben dabei relativ kalt, die typische Begleiterscheinung eines Lichtbogens - die Bildung von Metalldampf aufgrund verdampfender Elektroden - ist also hier nicht gegeben. Die Elektroden müssen glatt sein, sodass sich keine „hot spots“ bilden, an denen der Lichtbogen ansonsten aufgrund von Glühemission verharrt. Der Lichtbogen zündet immer dann unten neu, wenn er oben abreißt und in der Folge die Spannung soweit ansteigt, dass an den unten nahe beieinander liegenden Elektroden ein elektrischer Überschlag stattfindet (Video).

Zur Speisung dient bei nebenstehenden Bildern ein Streufeldtransformator, der eigentlich als Vorschaltgerät für Leuchtröhren vorgesehen ist. Er ist kurzschlussfest. Die Elektroden im Beispiel sind ca. 300 mm lang, größere Längen sind jedoch möglich.

Gefahrenhinweis

Das Experiment ist aufgrund der freiliegenden hohen Spannungen gefährlich. Aufgrund der hohen Bogentemperaturen besteht Verbrennungs- und Brandgefahr. Beim Betrieb in Luft entsteht außerdem das sehr giftige Gas Stickstoffdioxid, das schon nach wenigen Sekunden Betrieb unter einer transparenten Kuppel an seiner braunen Färbung zu erkennen ist.

Literatur

• Kronjäger, Jochen: Das große Hochspannungs- und Hochfrequenz-Experimentier-Handbuch. Franzis, 2005, ISBN 978-3772359071, Seite 94 und 97