Lichtbogen

Ein Lichtbogen ist eine sich selbst erhaltende Gasentladung zwischen zwei Elektroden, die eine ausreichend hohe elektrische Potentialdifferenz (= Spannung) aufweisen, um durch Stoßionisation die benötigte hohe Stromdichte aufrechtzuerhalten. 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, d. h., die Zahl der Ionen und Elektronen ist 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 zufolge haben, werden als Störlichtbogen bezeichnet.

Lichtbogen zwischen zwei Stahlnägeln

Charakteristika

Video eines Lichtbogens an einer Jakobsleiter.

Charakteristisch sind hierbei

• der im Vergleich zur Glimmentladung relativ geringe Kathodenfall (in der Größenordnung des Anregungs- oder Ionisierungspotentials der beteiligten Atome, ungefähr 10 eV),
• eine bereichsweise fallende (nicht ohmsche) Strom-Spannungs-Kennlinie,
• eine im Vergleich zur Glimmentladung hohe Stromdichte in der Entladung,
• Gas- und Elektronentemperatur sind stark gekoppelt. Es wird meist näherungsweise das lokale thermische Gleichgewicht erreicht.
• Die Gasdrücke sind relativ hoch (p > 0,1 bar).
• Die Gastemperatur liegt bei 5.000 K bis 50.000 K.

Das Phänomen des elektrischen Bogens wurde unmittelbar nach der Herstellung der ersten leistungsfähigen Stromquellen (Voltasche Säule von Alessandro Volta, 1800) etwa zeitgleich durch den Briten Humphry Davy und den Russen Petrov entdeckt. Davy hielt zwei Kohlestifte, die jeweils mit einem Pol einer Voltaschen Säule verbunden waren, zusammen und zog sie nach Beginn des Stromflusses langsam auseinander. Bei waagerechter Anordnung der Stifte, die als Elektroden dienen, brennt das Plasma durch seinen thermischen Auftrieb in Form eines charakteristischen Bogens, der dieser Gasentladung ihren Namen gab. Siehe auch Jakobsleiter.

Lichtbögen benötigen bei Kupferleitungen eine Mindestspannung von etwa 12 V und einem Mindeststrom von etwa 0,4 A. Sie senden typischerweise intensive infrarote, sichtbare und ultraviolette Strahlung aus.

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.

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

ρ: Dichte

σ: elektrische Leitfähigkeit

E: elektrisches Feld

κ: 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 auch 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

Leuchtmittel

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 wurden Graphitelektroden eingesetzt, die relativ schnell abbrannten.

In Quecksilberhochdrucklampen wird Argon mit einem Druck von einigen Millibar und Quecksilber eingesetzt. Die Lampe zündet durch einen Hochspannungsimpuls und bildet erst eine Glimmentladung aus. Mit steigender Temperatur verdampft das Quecksilber, der Druck nimmt entsprechend dem Quecksilberdampfdruck zu und die Entladung geht in eine Bogenentladung über. Im Spektrum des Lichtbogens dominieren die starken Quecksilberlinien.

Die Xenon-Kurzbogenlampe wird in Kinoprojektoren und starken Scheinwerfern eingesetzt. Xenon hat im sichtbaren Spektrum viele optische Übergänge. In Verbindung mit hohen Entladungsdrücken wird eine starke Linienverbreiterung 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 Linsen kollimiert werden.

Außerdem sind verschiedene Varianten von Lichtbögen als Strahlungsstandards für bestimmte Wellenlängenbereiche etabliert worden.

Elektroschweißen

Beim WIG-Schweißverfahren (Wolfram-Inert-Gas-Schweißen) werden gas- oder wassergekühlte Wolfram-Elektroden eingesetzt, und es wird ein Argon-Schutzgasplasma erzeugt. Der Schweißzusatzstoff wird über das Plasma eines Langlichtbogens abgeschmolzen, das gleichzeitig die Kanten des Grundwerkstoffes aufschmilzt.

Beim Elektroschweißen ist der Abbrand des Elektrodenwerkstoffes dagegen erwünscht. Elektrode und die Kanten des Grundwerkstoffes werden beim Schweißen aufgeschmolzen und bilden die Schweißnaht.

Stahlherstellung

Eine bedeutende Anwendung sind Lichtbogenofen zum Herstellen von Stahl in Elektrostahlwerken.

Erzeugung dünner metallischer Schichten

Eine weitere Anwendung ist die Erzeugung dünner metallischer Schichten mittels Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD). Hierbei wird mittels der kinetischen Energie der Elektronen des Lichtbogens Atome bzw. Moleküle aus einen festen Material (Target) herausgelöst und auf einen 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.

Zukunftsanwendungen

Antriebsmittel

Eine Anwendung in der Zukunft könnte das Lichtbogentriebwerk sein.

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 Grad Celsius werden erreicht, an den Wänden der Kammer sind es noch 1700 Grad. 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.^[1]

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.^[2] 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.

Weblinks

 Commons: Lichtbogen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Vorlesungsmanuskript über Gasentladungsphysik (PDF-Datei; 346 kB)
• Wissenschaftliches zur Lichtbogenentladung

Einzelnachweise

1. ↑ Manfred Dworschak: Heiß wie die Sonne. In: DER SPIEGEL. 16, 2007, S. 166.
2. ↑ Harald Brachold, Cornelius Peukert und Hans Regner: Lichtbogen-Plasma-Reaktor für die Herstellung von Acetylen aus Kohle, Chem. -Ing.-Tech. 65 (1993), Nr. 3, S. 293-297