Ein elektrischer Lichtbogen ist ein Gerät, bei dem ein elektrischer Strom (ein Fluss von Elektronen) zwischen zwei durch ein Gas getrennten Punkten fließt.. Die beiden Punkte werden Elektroden genannt. Derjenige, von dem der Strom stammt, ist die Kathode. Die Elektrode, zu der Elektronen fließen, ist die Anode., Der Begriff Lichtbogen bezieht sich sowohl auf das Gerät selbst als auch auf die elektrische Entladung, die innerhalb des Geräts stattfindet. Bögen können hohe, atmosphärische oder niedrige Drücke verwenden und eine Vielzahl von Gasen enthalten. Sie haben breite Verwendungen als leuchtende Lampen; als Öfen; zum Heizen, Schneiden und Schweißen; und als Werkzeuge für bestimmte Arten der chemischen Analyse.
Elektrische Leitfähigkeit in Gasen
Gase sind normalerweise schlechte Stromleiter. Die Atome oder Moleküle, aus denen sie bestehen, enthalten normalerweise keine freien Elektronen, die für den Stromfluss benötigt werden., Dieser Zustand kann sich jedoch ändern. Wenn dem Gas genügend Energie zugeführt wird, zerfallen seine Atome oder Moleküle (ionisieren) in geladene Teilchen. Wenn ein Funke beispielsweise durch einen Behälter mit Sauerstoffgas geleitet wird, ionisieren Sauerstoffmoleküle, um einige positiv geladene Sauerstoffionen und einige negativ geladene Sauerstoffionen zu bilden. Diese geladenen Teilchen ermöglichen es dann, dass das Gas leitfähig wird.
Lichtbogenkonstruktion
In einem Lichtbogen kommt die Energie, die zur Erzeugung der Ionisation benötigt wird, von einer externen Quelle wie einem elektrischen Generator., Ein intensiver Strom von Elektronen fließt in die Kathode und dann über den gasgefüllten Spalt zur Anode. Wenn diese Elektronen das Gas passieren, verursachen sie eine Ionisation. Dabei gebildete Ionen erleichtern den Stromfluss zwischen Elektroden noch. Für jedes Gas wird eine minimale Energiemenge benötigt
)
zur Erzeugung von Ionisation bei gegebener Temperatur und Druck., Diese Energie wird als Abbaupotential des Gases bezeichnet.
Ein Beispiel für einen Lichtbogen ist ein Blitz. In der Natur können zwei Wolken als Elektroden wirken oder elektrischer Strom kann zwischen einer Wolke und der Erdoberfläche fließen. In beiden Fällen fließt Strom durch die Luft, ionisierende Moleküle von Sauerstoff, Stickstoff und anderen Gasen in der Atmosphäre.
Das mit dem Blitz verbundene Licht und der Schall sind ein Beweis für eine wichtige Veränderung, die im Gas zwischen den Elektroden auftritt. Der Fluss von elektrischem Strom erwärmt das gas auf hohe Temperaturen., Das mit dem Blitz verbundene Licht ist ein Beweis für diese Veränderung. Das Klatschen des Donners ist ein weiteres Zeichen der Veränderung—die erhitzte Luft um den Blitz dehnt sich schnell aus und erzeugt eine Schallwelle.
Der einfachste Lichtbogen besteht aus zwei Elektroden, die aus einem leitenden Material bestehen und nicht weit voneinander entfernt sind. Luft ist das in diesem Lichtbogen verwendete Gas. Diese Art von Lichtbogen wurde erstmals 1808 vom englischen Physiker und Chemiker Humphry Davy (1778-1829) untersucht.,
Verschiedene Arten von elektrischen Bögen unterscheiden sich in zweierlei Hinsicht voneinander: der Druck, mit dem sie arbeiten, und die Materialien, aus denen sie hergestellt sind. Elektrische Bögen können in Glas-oder Kunststoffbehältern eingeschlossen sein, aus denen Luft abgepumpt wurde (Vakuumbögen) oder denen Luft oder ein anderes Gas zugesetzt wurde (Hochdruckbögen).
Das von einem Lichtbogen erzeugte Licht hängt sowohl vom Material ab, aus dem die Elektroden hergestellt werden, als auch vom Gas, das sie trennt. Einige Elektroden haben keine andere Funktion als einen elektrischen Strom in und aus dem Lichtbogen zu leiten., Andere Elektroden werden gewählt, weil sie dazu neigen, zu verdampfen, wenn der Lichtbogen verwendet wird, wodurch die erzeugte Entladung verändert wird. Verschiedene Gase werden für den Einsatz in elektrischen Bögen ausgewählt, da sie auch die erzeugten Entladungen beeinflussen. Zum Beispiel erzeugt jedes chemische Element seine eigene charakteristische Farbe, wenn es ionisiert wird.
Verwendung von elektrischen Bögen
Es gibt viele Arten von Bögen mit jeweils eigenen Anwendungen. Zum Beispiel werden Lichtbogenschweißer zum Schweißen verwendet (wo ein Metall verschmolzen und in einer Verbindung hinzugefügt wird). In einigen Fällen besteht die einzige Funktion des Lichtbogens darin, Wärme zu liefern., In anderen Fällen kann das Metall von einer Elektrode tatsächlich zum Formen der Schweißnaht verwendet werden. Plasmabrenner werden zum Schneiden, Sprühen und Gasheizen verwendet. Plasma ist ein Begriff für heiße, ionisierte Gase. Das Schneiden eines Metalls mit einem Plasmabrenner kann mittels eines Lichtbogens erfolgen, der zwischen dem Metall selbst und einer Elektrode des Brenners gebildet wird.
Elektrische Lichtbögen werden aufgrund der Lichtmenge, die sie erzeugen, oft als Lampen verwendet. Dieses Licht kommt von heißen, glühenden Elektroden (Kohlenstoffbögen) und manchmal von erhitzten Gasen (Flammenbögen)., Der Kohlenstoffbogen, in dem zwei Kohlenstoffstäbe als Elektroden dienen, war das erste praktische kommerzielle Beleuchtungsgerät. Es bleibt eine der hellsten Lichtquellen und wird immer noch in Theaterfilmprojektoren, großen Suchscheinwerfern und Leuchttürmen verwendet. Flammenbögen werden in der Farbfotografie und in photochemischen Prozessen verwendet, da sie dem natürlichen Sonnenschein nahe kommen. Der Kohlenstoff ist mit Chemikalien gesättigt, die leicht abkochen. Diese Chemikalien werden leuchtend, wenn sie verdampfen und durch den Lichtbogen erhitzt werden.,
Die Farbe der Flammenbögen hängt vom Material ab, aus dem die Elektroden bestehen. Zum Beispiel geben Calciumbögen einen roten Schimmer ab, während Bariumbögen einen grünen Schimmer abgeben. In einigen Flammenbögen liegt die erzeugte Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs. Quecksilberbögen bei hohem Druck erzeugen ultraviolette Strahlung. Sie können auch sichtbares Licht in einem Niederdruckrohr erzeugen, wenn die Innenwände des Rohrs mit einem fluoreszierenden Material beschichtet sind, das als Leuchtstoff bekannt ist. Der Phosphor emittiert sichtbares Licht, wenn er von ultravioletter Strahlung des Quecksilbers getroffen wird.