Lichtbogen
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Einordnung: Elektrotechnik
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Ein Lichtbogen ist eine sich selbst erhaltende Gasentladung zwischen zwei Elektroden, die eine ausreichend hohe elektrische Spannungdifferenz aufweisen, um die benötigte hohe Stromdichte aufrechtzuerhalten.
Charakteristisch sind hierbei
- der im Vergleich zur Glimmentladung relativ geringe Kathodenfall (in der Größenordnung des Anregungs- oder Ionisierungspotentials der beteiligten Atome, ungefähr 10eV),
- eine fallende (nicht ohmsche) Strom-Spannungs-Kennlinie sowie
- eine hohe (wieder im Vergleich zur Glimmentladung) Stromdichte in der Entladung.
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, was dieser Gasentladung ihren Namen gab.
Lichtbögen strahlen typischerweise intensives (sichtbares + infrarotes + ultraviolettes) Licht ab und werden deshalb u.a. 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).
Lichtbögen können in Gasen unterschiedlichsten Drucks (vom Vakuum bis zu vielfachem Atmosphärendruck) und Zusammensetzung erzeugt werden. Die sich in der Entladung abspielenden physikalischen Prozesse können daher von sehr unterschiedlicher Natur sein.
Durch thermische Belastung kommt es zum Abbrand der Elektroden. Beim Elektroschweißen ist dieser Effekt gewünscht, das Elektrodenmaterial wird zur Bildung der Schweissnaht genutzt; dagegen ist er bei Lichtbögen, die zur Beleuchtunng dienen, eher hinderlich, da er die Lebensdauer der Lampe begrenzt. Als Elektrodenmaterial kommen aus naheliegenden Gründen vor allem Materialien mit hohem Schmelz- oder Siedepunkt in Betracht, beispielsweise Wolfram, Kohlenstoff oder Tantal.
Je nach Betriebspapametern 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 oder Richardson-Effekt genannt),
- Feldemission (das vorhandene elektrische Feld emöglicht 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 (bereits emittierte Elektronen erzeugen auf verschiedenen Wegen weitere freie Ladungsträger).
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