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Ein Lichtbogen ist eine sich selbst erhaltende Gasentladung zwischen zwei Elektroden, die eine ausreichend hohe elektrische Spannungsdifferenz aufweisen, um die benötigte hohe Stromdichte aufrechtzuerhalten. Die Gasentladung bildet ein Plasma, in dem die Teilchen (Atome oder Moleküle) teilweise ionisiert sind. Die Ladungsträger haben zur Folge, dass das Gas elektrisch leitfähig wird. Die Plasmen sind quasi neutral, d. h. die Zahl der Ionen und Elektronen ist identisch. Da die schweren Ionen gegenüber den leichten Elektronen wesentlich langsamer sind, sind die Elektronen fast ausschließlich für den Stromtransport relevant.

Charakteristisch sind hierbei

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

Lichtbögen strahlen typischerweise intensives (infrarotes, sichtbares und ultraviolettes) Licht ab.

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 quantenmechanische Tunnels 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 erwirken sie die Freisetzung von Elektronen).

Leistungsbilanz

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

$\backslash rho\; \backslash cdot\; \backslash frac\; \{dh\}\; \{dt\}\; \backslash ,\; =\; \backslash ,\; \backslash sigma\; \backslash cdot\; E^2\; \backslash ,\; +\; \backslash ,\; div\; \backslash kappa\; \backslash cdot\; grad\; \backslash ,\; T\; \backslash ,\; -\; \backslash ,\; e\; \backslash ,\; +\; \backslash ,a$

$h$: Enthalpie

$T$: Temperatur

$\backslash rho$: Dichte

$\backslash sigma$: elektrische Leitfähigkeit

$E$: elektrisches Feld

$\backslash kappa$: Wärmeleitfähigkeit

$e$: emittierte Strahlung

$a$: absorbierte Strahlung

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

$\backslash rho\; \backslash cdot\; \backslash frac\; \{dh\}\; \{dt\}\; \backslash ,\; =\; \backslash ,\; \backslash rho\; \backslash cdot\; \backslash frac\; \{\backslash delta\; h\}\; \{\backslash delta\; t\}\; \backslash ,\; +\; \backslash ,\; \backslash rho\; \backslash cdot\; \backslash vec\; v\; \backslash cdot\; \backslash ,\; grad\; \backslash ,\; h$

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:

$\backslash sigma\; \backslash cdot\; E^2\; \backslash ,\; =\; \backslash ,\; \backslash frac\; \{1\}\; \{r\}\; \backslash ,\; \backslash frac\; \{d\}\; \{dr\}\; \backslash ,\; r\; \backslash ,\; \backslash kappa\; \backslash ,\; \backslash frac\; \{dT\}\; \{dr\}\; \backslash ,\; =\; \backslash ,\; 0$

$r$: 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.

Technische Anwendungen

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Kaskadenlichtbogen.JPG Lichtbögen wurden zuerst in der Beleuchtungstechnik genutzt. Bogenlampen sind damit die älteste elektrische Lichtquelle: 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 Kohlenstoffelektroden eingesetzt, die relativ schnell abbrannten.

In Quecksilberhochdrucklampen wird Argon mit einem Druck von einigen mbar 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 für die Scheinwerferbeleuchtung von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Xenon hat im sichtbaren Spektrum viele optische Übergänge. In Verbindung mit hohen Entladungsdrücken wird eine Linienverbreiterung erreicht, so dass eine sehr hohe Strahlungsdichte emittiert wird. Die Strahlung mit geringer räumlicher Ausdehnung kann über den Reflektor definiert fokussiert werden.

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

Eine weitere technische Anwendungen von Lichtbögen sind elektrische Schalter. In Leitungsschutzschaltern wird der Spannungsbedarf des Bogens durch Auseindanderziehen der Kontakte, Kühlen des Plasmas durch Löschbleche und magnetisches Anblasen so weit erhöht, dass der Bogen beim Stromnulldurchgang verlöscht.

In Hochspannungsleistungsschaltern wird das Schutzgas SF₆ eingesetzt, damit ein Lichtbogen- Kühlungseffekt und zusätzlich ein hoher Spannungsabfall zur Löschung des hohen Kurzschlussstromes bewirkt wird. Damit verlöscht der Abschaltlichtbogen nach wenigen Perioden.

Eine bedeutende Anwendung sind Elektrolichtbogenöfen zum Aufschmelzen von Stahlschrott in Elektrostahlwerken.

Eine Anwendung in der Zukunft könnte das Lichtbogentriebwerk sein.

Weblinks

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• IRS - Thermische Lichtbogen Triebwerke
• Die Lichtbogenlampe -vom Deutschen Museum München

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