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2025-09-02T13:08:25Z

Leistungsbilanz: Sprachlich überarbeitet

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Ein '''Lichtbogen''' entsteht bei ausreichend hoher [[Elektrostatik#Potential und Spannung|elektrischer Potentialdifferenz]] ([[Elektrische Spannung|Spannung]]) und [[Elektrische Stromdichte|Stromdichte]] durch [[Stoßionisation]]. Die [[Gasentladung]] bildet ein [[Plasma (Physik)|Plasma]], in dem die Teilchen ([[Atom]]e oder [[Molekül]]e) 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 [[Ion]]en und [[Elektron]]en 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 [[Elektrische Energietechnik|elektrischen Energietechnik]] bei Schalthandlungen auftretende Lichtbögen werden als [[Schaltlichtbogen]] bezeichnet. Unerwünschte Lichtbögen, die oft Schäden oder Unfälle zur Folge haben, werden als [[Störlichtbogen]] bezeichnet.

[[Datei:Lichtbogen 3000 Volt.jpg|mini|Lichtbogen zwischen zwei Stahlnägeln]]

== Geschichte ==
[[Datei:Lichtbogen.ogg|mini|Video eines Lichtbogens an einer [[Jakobsleiter (Elektrizität)|Jakobsleiter]]]]
Sir [[Humphry Davy]] entdeckte 1800 den Kurzimpuls-Lichtbogen.<ref name="anders">{{Cite journal|doi=10.1109/TPS.2003.815477 |title=Tracking down the origin of arc plasma science-II. early continuous discharges |year=2003 |author=A. Anders |journal=IEEE Transactions on Plasma Science |volume=31 |pages=1060–9 |issue=5|url=https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc785757/m2/1/high_res_d/823202.pdf |language=en }}</ref> 1801 beschrieb er das Phänomen in einem Artikel, der im ''Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts'' von [[William Nicholson (Chemiker)|William Nicholson]] veröffentlicht wurde.<ref>{{cite book |last= Ayrton |first= Hertha |title= Electric Arc (CLASSIC REPRINT) |page=94 |publisher= FORGOTTEN BOOKS |location= S.l |year=2015 |isbn= 978-1-330-18759-3 |url= https://archive.org/stream/electricarc00ayrtrich#page/94/mode/2up |language=en }}</ref> Nach heutigem Wissen beschrieb Davys eher einen Funken als einen Bogen.<ref>[https://archive.org/stream/electricarc00ayrtrich#page/20/mode/2up ''The Electric Arc'', by Hertha Ayrton, page 20]</ref> 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.<ref>{{Cite journal |last=Luckiesh |first= Matthew |authorlink= |title= Artificial light, its influence upon civilization |journal= Nature |volume= 107 |issue= 2694 |year=1920 |pages=112 |bibcode= 1921Natur.107..486. |doi= 10.1038/107486b0 |language=en}}</ref>

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.<ref>{{cite book |last=Davy |first= Humphry |title= Elements of Chemical Philosophy |year=1812 |pages=85 |isbn=978-0-217-88947-6 |url= https://archive.org/stream/elementschemica00davygoog#page/n102/mode/2up |language=en}}</ref> 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<ref name="Anders">"[https://ieeexplore.ieee.org/document/1240058/?tp=&arnumber=1240058 Tracking down the origin of arc plasma Science-II. Early continuous discharges]". by André ANDERS. IEEE ''Xplore'', ieee.org. ''IEEE Transactions on Plasma Science''. Volume: 31, issue: 5, Oct 2003.</ref> von [[Wassili Wladimirowitsch Petrow]], einem russischen Wissenschaftler, beschrieben. Petrow experimentierte mit einer [[Voltasche Säule|Voltaschen Säule]] aus 4200 Scheiben. Er beschrieb den Effekt als „Spezialflüssigkeit mit elektrischen Eigenschaften“.<ref name="Anders" /><ref>{{cite book |last=Kartsev |first=V.P. |editor= Shea, William R. |title= Nature Mathematized |year=1983 |publisher= Kluwer Academic |location= Boston, MA |isbn= 978-90-277-1402-2 |page=279 |language=en}}</ref>

== Charakteristika ==
[[Datei:2000 Volt lichtbogen.jpg|mini|Lichtbogen mit 2000 Volt Gleichspannung bei 0,7 Ampere an zwei Kohleelektroden]]
[[Datei:Elektrischer Lichtbogen.gif|mini|254x254px|Lichtbogen bei einer Wechselspannung von 4 kV und einer Stromstärke von 4 A.]]
Charakteristisch für den Lichtbogen sind:

* der im Vergleich zur [[Glimmentladung]] relativ geringe [[Glimmentladung#Räumliche Struktur der Entladungsstufen|Kathodenfall]] (in der Größenordnung des Anregungs- oder Ionisierungspotentials der beteiligten Atome, ungefähr 10 eV),
* eine bereichsweise fallende ([[Ohmsches Gesetz|nichtohmsche]]) [[Strom-Spannungs-Kennlinie]] ([[Differentieller Widerstand|negativer differentieller Widerstand]]),
* eine im Vergleich zur Glimmentladung hohe Stromdichte im Plasma,
* Gas- und Elektronentemperatur sind stark gekoppelt. Es wird meist näherungsweise das lokale [[Thermisches Gleichgewicht|thermische 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.<ref>{{Literatur |Autor=Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang |Titel=Elektrotechnik für Fachschulen: Elektrische Maschinen mit Einführung in die Leistungselektronik |Verlag=Springer-Verlag |Datum=2013 |ISBN=978-3-322-92706-4 |Online=https://books.google.com/books?id=oeWFBwAAQBAJ |Abruf=2016-07-08}}S. 120, Abschnitt 2.7.2</ref> Der Lichtbogen sendet neben hochfrequenten Wellen auch typischerweise intensive [[Infrarotstrahlung|infrarote]], [[Licht|sichtbare]] und [[Ultraviolettstrahlung|ultraviolette]] [[Elektromagnetische Strahlung|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:

* [[Edison-Effekt|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 [[Extrem ultraviolette Strahlung|XUV]]-Bereich) emittiert werden, die aufgrund des äußeren [[Photoeffekt]]es Sekundärelektronen aus der Kathode auslösen.

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

:<math> \rho \cdot \frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = \sigma \cdot E^2 + \operatorname{div} \kappa \cdot \operatorname{grad} T - e + a</math>

:<math>h </math>: [[Enthalpie]]

:<math>t </math>: [[Zeit]]

:<math>T</math>: [[Temperatur]]

:<math>\rho </math>: [[Dichte]]

:<math>\sigma</math>: [[elektrische Leitfähigkeit]]

:<math>E</math>: [[elektrisches Feld]]

:<math>\kappa</math>: [[Wärmeleitfähigkeit]]

:<math>e</math>: [[Schwarzkörperstrahlung|emittierte Strahlung]]

:<math>a</math>: [[Absorption (Physik)|absorbierte Strahlung]]

Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit eines Volumenelementes kann für die [[Enthalpie]]änderung geschrieben werden:

:<math>\rho \cdot \frac{\mathrm{d}h}{\mathrm{d}t} = \rho \cdot \frac{\partial h}{\partial t} + \rho \cdot \vec v \cdot \operatorname{grad} h</math>

Betrachtet man nun einen vertikal angeordneten stationär betriebenen [[Zylinder (Geometrie)|zylindrischen]] Lichtbogen, dann kann die Leistungsbilanz einfacher dargestellt werden. Werden die Strömung, in diesem Fall die Aufwärtsbewegung eines Volumenelementes und die Strahlungsterme vernachlässigt, erhält man eine Leistungsbilanz, die die Aufheizung und die [[Rotationssymmetrie|rotationssymmetrische]] [[Wärmeleitung]] nach außen beschreibt:

:<math>\sigma \cdot E^2 = \frac{1}{r} \, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}r} \, r \kappa \, \frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}r} = 0</math>

:<math>r</math>: [[Kreiskoordinate]]

Das Temperaturprofil des Bogens hängt vom eingesetzten Gas ab. Molekülgase werden im Lichtbogen [[Dissoziation (Chemie)|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 [[Edelgase]]n.
Weiterhin kann es auch zu Entmischungseffekten (ambipolare Diffusion, [[Kataphorese]]) kommen.

== Technische Anwendungen ==

=== Leuchtmittel ===
Lichtbögen wurden zuerst in der Beleuchtungstechnik genutzt: [[Kohlebogenlampe|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 [[Kohlenstoff|Graphitelektroden]] eingesetzt, die relativ schnell abbrannten.

In [[Quecksilberhochdrucklampe]]n wird [[Argon]] mit einem Druck von einigen Millibar und Quecksilber eingesetzt. Die Lampe zündet durch einen [[Hochspannung]]simpuls 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 [[Elektromagnetisches Spektrum|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 [[Kollimation|kollimiert]] werden.

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

=== Schweißen ===
{{Hauptartikel|Schweißlichtbogen}}
Lichtbögen unterschiedlichster Art dienen beim Lichtbogenschweißen als Wärmequelle, ebenso beim [[Spleißen (Fernmeldetechnik)#Spleißen von Glasfasern|Glasfaserspleißen]].

=== Stahlherstellung ===
Eine bedeutende Anwendung ist der [[Lichtbogenofen]] zum Herstellen von Stahl in [[Elektrostahlwerk]]en.

=== Salpetersäure ===
Vor der Erfindung des wesentlich effizienteren [[Ostwald-Verfahren]]s (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-[[Physikalische Gasphasenabscheidung|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 [[Titannitrid]]schichten auf [[Schneidwerkzeug]]en eingesetzt.

=== Chemische Analyse ===
Eine klassische Anwendung erfährt der Lichtbogen in der [[Spektroskopie|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 [[Optisches Emissionsspektrometer|optischen Emissionsspektrometer]] (OES). Hauptsächlich werden Gleichstrombögen mit Kohle- oder [[Graphit]]elektroden angewandt.

=== Antriebsmittel ===
[[Lichtbogentriebwerk]]e 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 [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] genutzt, um [[Bahnregelung|Bahnerhalt- und Bahnänderungsmanöver]] durchzuführen. Der erzeugbare [[Schub]] ist deutlich geringer als bei chemischen Verbrennungstriebwerken, der [[Spezifischer Impuls|spezifische Impuls]] hingegen deutlich besser, wenn auch nicht so hoch wie bei [[Ionentriebwerk]]en.

=== 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)|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.<ref>{{Literatur |Autor=Manfred Dworschak |Titel=Heiß wie die Sonne |Sammelwerk=Der Spiegel |Nummer=16 |Datum=2007 |Seiten=166 |Online=https://www.spiegel.de/spiegel/print/d-51211803.html}}</ref>

==== 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 ThO<sub>2</sub> dotiert, Anode aus Kupfer) wird ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlepartikeln bei kurzen Kontaktzeiten (wenige ms) zur Reaktion gebracht, durch [[Quenchen (Chemie)|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.<ref>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.</ref> 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 ==
{{Commonscat|Electric arc|Lichtbogen}}
{{Wiktionary}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4035598-6}}

[[Kategorie:Plasmaphysik]]
[[Kategorie:Elektromagnetische Störquelle]]
[[Kategorie:Elektrische Lichtquelle]]
[[Kategorie:Elektrowärme]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]

Lichtbogen - Versionsgeschichte

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