Blitze zum Anfassen: Plasmaphysik

Jeder kennt sie aus dem Fernsehen oder hat
sie im Schaufenster schon mal gesehen:
Glaskugeln und Glasscheiben in denen Blitze
in bunten Farben züngeln. Physikalisch lässt
sich dieses Phänomen mit den Gesetzen der
Plasmaphysik beschreiben.
a
Plasmaphysik
Blitze
zum Anfassen
U RSEL FANTZ
UND
A NDREAS L OT TER
ei dem Wort Blitze denken wir sofort an Gewitter, die
besonders im Sommer ein eindrucksvolles Phänomen
darstellen. Weitere, weitaus kleinere Blitze kann man beobachten, wenn der Stromabnehmer einer Elektrolokomotive oder Straßenbahn an die Oberleitung anlegt oder ein
elektrischer Schalter ein- oder ausgeschaltet wird. Auch
durch elektrostatische Aufladungen entstehen Blitze, beispielsweise beim Laufen mit Gummisohlen über einen
Teppich oder beim Ausziehen eines Kunstfaserpullovers.
In Lampengeschäften oder hin und wieder auch im
Fernsehen sieht man verschiedenartige Glasgefäße, in denen
bunte Blitze zucken und die als „Eye-Catcher“ dienen. Diese Blitze sind in einer Kugel oder einer beliebigen anderen
Geometrie eingefangen und reagieren auf Berührungen (Abbildung 1 und 2).
Alle diese erwähnten Blitze sind Plasmen. Sie werden
mitunter auch zur Lichtgewinnung genutzt. Was ein Plasma
ist und welche Gemeinsamkeiten solche Plasmaentladungen
mit denen in den Natur haben, wollen wir in diesem Beitrag klären.
Ein Blitz entsteht immer dann, wenn ein elektrisches
Feld zwischen zwei Polen stark genug ist, um das sich dazwischen befindende
Gas
INTERNET
(meistens Luft)
zu ionisieren.
Als „Zünder“ für
Ausführlichere Messergebnisse von Plasmakugeln und Plasmaeinen Durchscheiben enthalten zwei Broschüren.
www.physik.uni-augsburg.de/epp
schlag ist eine
Vor ionisation
Weitere Informationen:
der Luft nötig,
www.dornbirn.at/naturschau/wiss.html
die durch koswww.kopfball-online.de/experimente/exp_index.phtml
mische Strahwww.powerlabs.org/plasmaglobes.htm
lung und natür-
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liche Radioaktivität zustande kommt. So werden Ladungsträger (Elektronen und Ionen) geschaffen, die dann im elektrischen Feld beschleunigt werden und weitere Luftmoleküle ionisieren können. Es entsteht ein leitender Blitzkanal, in dem die Ladung abfließt.
Die bei einem Gewitter auftretenden Blitze erreichen
Stromstärken von 10 kA bis 100 kA, die auftretende Spannung kann einige 100 MV betragen [1]. Die hohen Ströme
heizen die Luft im Blitzkanal stark auf. Es werden Temperaturen bis zu 30000 K erreicht, und wir sehen den Blitz als
bläulich-weißes Leuchten. Die rapide Erwärmung im Blitzkanal führt lokal zu einem Druck bis zu 100 bar, wodurch
sich eine Druckwelle ausbreitet, die dann als Donner zu
hören ist.
Im Gegensatz zu den in der Natur auftretenden Blitzen,
lassen sich kleinere Pendants in abgeschlossenen Glasgefäßen erzeugen, die man, nur getrennt durch das Glas, gefahrlos anfassen kann. Das Prinzip der Blitzentstehung ist
das selbe wie in der Natur: Ladungsträger werden in einem
elektrischen Feld erzeugt und beschleunigt. Dabei handelt
es sich jetzt um ein hochfrequentes Wechselfeld mit einer
Frequenz von 30 bis 40 kHz. Um die Feldstärke, die für einen Durchschlag nötig ist, zu erniedrigen, herrscht in diesen Gefäßen Unterdruck. Er liegt typischerweise bei 1 bis
100 mbar [2].
Eine Blitz- oder Plasmakugel besteht immer aus einer inneren und einer äußeren Glaskugel. Die Einkopplung eines
hochfrequenten elektrischen Feldes geschieht innerhalb
der inneren Glaskugel, die mit Metall beschichtet oder mit
Stahlwolle gefüllt ist. An den Kanten der Stahlwolle treten
hohe Felder auf, die dann als Ausgangspunkt für die Blitze
dienen. Da die Feldstärke mit zunehmendem Radius abnimmt, ist zwischen innerer und äußerer Glaskugel eine Potentialdifferenz vorhanden. Die anliegende Spannung an der
PLASMAPHYSIK
b
inneren Kugel beträgt 5 bis 10 kV, die an der äußeren Kugel 0,5 bis 2 kV, abhängig vom Durchmesser der Kugeln.
Durch die perfekte Symmetrie bilden sich keine Vorzugsrichtungen für die Blitze aus.
Die beiden Kugeln bilden einen Kondensator, der für
Wechselstrom durchlässig ist. Somit kann ein dauerhafter
Strom zwischen den beiden Kugeln fließen. Die Blitze sind
deshalb eine langlebige Erscheinung – im Gegensatz zu den
anfangs diskutierten Entladungen. Der Strom und damit der
Blitz, sucht sich den Weg des geringsten Widerstands und
fließt deshalb dort, wo bereits Ladungsträger vorhanden
sind.
Durch das Auflegen der Hand wird die äußere Kugel lokal geerdet, das heißt, die dort an der Kugeloberfläche anliegende Spannung ist Null (Abbildung 2). Damit wird die
Potentialdifferenz zur inneren Kugel vergrößert, und ein
Blitz bildet sich zur Hand aus. Durch die Verwendung eines
hochfrequenten Feldes wird ein Strom an die Oberfläche eines Leiters gedrängt (Skin-Effekt). Deshalb fließt bei
Berühren der Kugel der Strom von etwa 5 mA nicht durch
den Körper, sondern an der Oberfläche der Haut ab, und
man erhält keinen Stromschlag.
scheint: Es ist quasineutral. Die Anzahl der freien Ladungsträger zu den noch vorhandenen neutralen Teilchen (Atome oder Moleküle) wird Ionisationsgrad genannt und kann
stark variieren.
So ist zum Beispiel die Sonne ein Plasma, genauso wie
die Sonnenkorona, Sterne und interstellare Gaswolken. Auf
der Erde findet man natürliche Plasmen als Blitze und Funken. Technische Anwendung finden Plasmen im täglichen
Leben in Leuchtstoffröhren, aber auch in Xenon-Bogenlampen (Kinolampen, Autoscheinwerfer) und in Zukunft
wohl immer öfter in Plasmabildschirmen. Auch die Erzeugung von neuen Materialien oder Herstellung von Diamantschichten zählen zur Plasmatechnologie. In der Fusionsforschung möchte man Plasmen wie in der Sonne
erzeugen und zur Energiegewinnung verwenden. Charakterisiert wird ein Plasma durch die sogenannten Plasmaparameter wie Temperatur und Dichte, die für jede Teilchensorte (Elektronen, Ionen und neutrale Teilchen) unterschiedlich sein kann. Anhand der Vielfalt erkennt man, dass
Plasmen in einem großen Parameterbereich existieren können: Während die Sonne heiß ist, ist eine Leuchtstoffröhre
kalt.
Eine typische Erscheinung, an der man den Unterschied
zwischen einem Gas und einem Plasma erkennen kann, ist
das Leuchten des Plasmas. Dieses entsteht durch spontane
Emission angeregter Teilchen und aus der Rekombination
von Elektronen und Ionen. Die Farbe des Leuchtens wird
von der Gassorte und dem Grad der Anregung bestimmt
(siehe „Ein Plasma leuchtet“, S. 17).
Aus dem Leuchten lässt sich Information über das Plasma erhalten. Untersucht wurden hierzu typische Ausführungen von Plasmakugel und Plasmascheibe, wie sie jeder erwerben kann. Das Licht wurde mit einem Glasfaserkabel von der Kugel oder der Scheibe zu einem Spektrometer geführt. Die so erhaltenen Spektren zeigt Abbildung
3. Der für das menschliche Auge sichtbare Bereich liegt etwa zwischen 400 nm und 700 nm.
Bei der Plasmakugel (Abbildung 3, oben) lassen sich die
Spektrallinien eindeutig den Edelgasen Neon und Xenon
zuordnen, das heißt die Kugel ist mit diesen Gasen gefüllt.
Die Linien des Neons sind stark im roten Spektralbereich,
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Der Blitz als Plasma
Wie schon erwähnt, handelt es sich bei einem Blitz um ein
Plasma. Unter einem Plasma versteht man in der Physik ein
ionisiertes Gas, das sich aus freien Elektronen und Ionen sowie Neutralteilchen zusammensetzt und manchmal als vierter Aggregatzustand der Materie bezeichnet wird. Aufgrund
des Vorhandenseins von freien Ladungsträgern ist das Plasma elektrisch leitend und sowohl durch elektrische Felder
als auch durch Magnetfelder beeinflussbar. Die Anzahl der
negativen Ladungen ist dabei aber immer gleich der Anzahl
der Positiven, so dass ein Plasma nach außen neutral er-
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BLITZE
< Abb. 1. Plasmaentladungen
(a) in einer Kugel
und (b) in einer
Scheibe.
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Allen Plasmen gemeinsam ist das
Leuchten. Die vorhandenen freien Elektronen können aufgrund ihrer hohen
Geschwindigkeit die neutralen Teilchen
(aber auch die Ionen) durch Elektronenstoß anregen. Durch spontane Emission
werden diese Teilchen wieder abgeregt
und senden Licht aus. Die Wellenlänge
dieses Lichtes hängt von der Energiedifferenz der beteiligten Niveaus ab:
∆E = hc/λ. Die Intensität hängt von der
Anzahl der neutralen Teilchen und von
der Temperatur der Elektronen ab. Die
Überlagerung verschiedener Übergänge
führt somit zu einer Farbe, die charakteristisch für das Gas ist. Weiterhin kann
auch Rekombinationsstrahlung auftreten, die aber in Niederdruckplasmen,
wie sie in der Plasmatechnologie
typisch sind, gering ist.
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Abb. 2. Durch
das Berühren der
Kugel lassen sich
die Blitze steuern.
Abb. 4. Kügelchen in der Plasmascheibe (a)
sichtbar ohne
Plasma. Die Vergrößerung (b)
zeigt den rosafarbenen Plasmafaden und die
fluoreszierenden
Kügelchen.
die des Xenons im Blauen und
nahen Infraroten. Das wahrgenommene Licht müsste dann die
Mischung aus Blau und Rot ergeben: ein rosa Farbton der eine
Tendenz zum Roten hat, da hier
mehr Linien vorhanden sind.
Diese Farbe erkennt man auch
an der Oberfläche der inneren
Glaskugel und an den Enden des
Blitzes auf der Innenfläche der
äußeren Glaskugel (Abbildung
1a).
Wieso zeigen die Blitze selber aber eine bläuliche Farbe?
Dort leuchtet nur das Xenon, nicht das Neon. Der Grund
liegt in den unterschiedlichen Energien, die notwendig sind,
um das Atom zum Leuchten zu bringen. Bei Xenon ist diese Energie deutlich niedriger. An den Oberflächen der beiden Glaskugeln bildet sich eine energiereichere Randschicht aus, so dass dort auch das Neon angeregt wird,
während dazwischen nur das Xenon leuchtet. Eine genaue
Analyse der Spektrallinien zeigte, dass die untersuchte Kugel etwa hundertmal mehr Neon als Xenon enthält.
Das Spektrum der Plasmascheibe (Abbildung 3, unten)
unterscheidet sich von dem der Kugel. Man erkennt, dass
hier nur das Edelgas Xenon vorhanden ist und ein Kontinuum im Blauen erscheint. Der Aufbau der Scheibe unterscheidet sich von der Kugel insofern, als der Raum zwischen
den beiden Glasscheiben mit kleinen Kügelchen gefüllt ist
(Abbildung 4a). Bei genauerer Betrachtung, sieht man, dass
es diese Kügelchen sind, die blau leuchten und als „Blitz“
zu erkennen sind. Zwischen den Kügelchen windet sich
ein sehr dünner rosafarbener Plasmafaden (Abbildung 4b),
dessen Leuchten von den Spektrallinien des Xenons
stammt.
Die Kügelchen bestehen aus einem fluoreszierenden
Material, das durch ultraviolettes Licht des Plasmas zum
Leuchten angeregt wird, ähnlich wie dies auch bei Leuchtstoffröhren funktioniert. Dieses Leuchten ist dann als Kontinuum im Spektrum sichtbar. Durch Verwendung anderer
fluoreszierender Materialien lassen sich andere Farben erzeugen. Das anregende UV-Licht kann übrigens nicht durch
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ABB. 3
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Emissionsspektrum der Plasmakugel aus Abbildung 1a und
der Scheibe aus Abbildung 1b.
die Glasscheibe entweichen und deshalb auch nicht nachgewiesen werden.
Warum sind die Blitze in den Kugeln und Scheiben nicht
heiß, so dass man sie gefahrlos berühren kann? Ganz allgemein kann die Temperatur als ungeordnete, zufällige Brownsche Bewegung von Atomen oder Molekülen betrachtet
werden, egal ob es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder
einen festen Stoff handelt. Je schneller die Bewegung ist, desto wärmer ist ein Stoff. Da die an der Bewegung beteiligten Atome oder Moleküle nicht sonderlich verschiedene
Massen besitzen, stellen sich unter ihnen ähnliche Geschwindigkeiten und somit eine einheitliche Temperatur
für die beteiligten Teilchen ein. In einem Plasma ist dieser
Sachverhalt etwas anders, denn die Elektronen sind im Vergleich zu den Ionen und Neutralteilchen sehr leicht und
können sich deutlich schneller bewegen. Aus diesem Grund
gibt man getrennte Temperaturen an.
Die Plasmen in der Kugel und in der Scheibe sind typische Niederdruckplasmen, bei denen Elektronen- und
Schwerteilchentemperatur stark differieren. Die Elektronentemperatur kann beispielsweise aus der Emissionsspektroskopie gewonnen werden (siehe „Wie misst man eine Plasmatemperatur?“, S. 19). Sie liegt hier um 23000 K
(entsprechend etwa 2 eV), ist also relativ hoch. Wegen ih-
PLASMAPHYSIK
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Die Messungen wurden an einer Kugel (d = 50 cm) mit roten
und blauen Blitzen (Abbildung 1) ausgeführt.
Hochfrequenzentladung:
Spannung an der inneren Kugel:
Spannung an der Kugeloberfläche:
Feldstärke in 1 m Entfernung:
Strom zwischen innerer und
äußerer Kugel:
Gassorten:
Druck:
Mischung:
Temperatur der neutralen Teilchen:
Dichte der neutralen Teilchen:
Dichte der Elektronen:
Ionisationsgrad:
Temperatur der Elektronen:
(in der Randschicht):
f = 37 kHz
U = 7,5 kV
U = 600 V
E = 500 V/m
I = 5 mA
Neon und Xenon
p = 10 mbar
n (Ne) = 100 · n (Xe)
Tn ≅ 300 K
nn = 1023 m-3
ne = 1015 m-3
α = 10-8
Te = 1,2 eV ≅ 14 000 K
Te = 2,2 eV ≅ 25 000 K
Rotes Leuchten von Neon, blaues Leuchten von Xenon.
Andere Farben können durch Verwendung anderer Gase, wie
Argon, Stickstoff oder Krypton, erreicht werden.
In der untersuchten Plasmascheibe ist nur Xenon enthalten, das intensive Blau wird durch fluoreszierende Kügelchen
erreicht, der eigentliche Plasmafaden ist rosa. Durch andere
fluoreszierende Materialien lassen sich verschiedene Farbeffekte erzielen. Xenon oder Argon werden häufig verwendet, um das Zünden zu vereinfachen (geringe Ionisierungsenergie sowie Ramsauer-Effekt).
rer geringe Masse und der damit verbundenen großen Beweglichkeit, können die Elektronen dem hochfrequenten
elektrischen Feld folgen und werden stark beschleunigt.
Die schwereren Teilchen dagegen sind aufgrund ihrer Masse träge, und eine Impulsübertragung von den Elektronen
ist ineffektiv. Die Schwerteilchentemperatur ist deswegen
wesentlich geringer und vergleichbar mit der Raumtemperatur. Entscheidend für das Temperaturgefühl der aufliegenden Hand ist aber die Schwerteilchentemperatur und
man spürt deshalb nur eine leichte Erwärmung. Die heißen
Elektronen sind wegen ihrer kleinen Masse und wegen des
geringen Drucks und damit auch Dichte nicht spürbar. Die
leichte Erwärmung des Blitzkanals führt außerdem dazu,
dass die Blitze langsam nach oben steigen, vergleichbar mit
warmer aufsteigender Luft (siehe „Eigenschaften einer Plasmakugel“, S. 19).
Zum Abschluss noch ein weiterer schöner Effekt, der
durch das Hochfrequenzfeld zustande kommt. Bringt man
eine Leuchtstoffröhre (am besten ein kurze) in die Nähe des
Feldgenerators von Kugel oder Scheibe, so beginnt diese zu
leuchten. Das Licht ist recht blass, nicht so hell wie beim
normalen Betrieb der Lampe. Legt man die Finger auf die
Röhre, brennt das Licht nur zwischen den Fingern und
einem Röhrenende. Fährt man nun mit den Fingern an
W I E M I S S T M A N E I N E PL A S M AT E M PE R AT U R ?
Zur Bestimmung der Plasmatemperatur
aus spektroskopischen Messungen muss
man die Besetzungsmechanismen der
Atomniveaus kennen. Da die Eigenschaften von Niederdruckplasmen vergleichbar sind mit denen der Sonnenkorona, findet das so genannte Koronagleichgewicht seine Anwendung. Bilanziert wird hierbei die Anregung durch
Elektronenstoß mit der Abregung durch
spontane Emission:
BLITZE
|
auf die Elektronendichte geschlossen
werden. Zwei Linien unterschiedlicher
Gassorten geben einem dann das Verhältnis der Neutralteilchendichten.
BESETZUNGSMODELL
Niveau m
nm
nnneXem (Te) = εL
Durch Messung der Linienstrahlung
εL kann bei Kenntnis der Neutralteilchendichte nn und der Elektronendichte
ne sowie der Anregungswahrscheinlichkeit Xem (Te) auf die Elektronentemperatur Te geschlossen werden. Misst man
dagegen zwei Linien einer Gassorte, die
unterschiedlich stark von der Temperatur abhängen, genügt auch eine Verhältnismessung.
Kennt man hingegen die Temperatur, kann aus der Strahlung einer Linie
|
Niveau k
∆E = hν
Linienstrahlung
εL
Elektronenstoß
∼ nn · ne · Xnm
Grundzustand nn
Besetzungsmechanismus atomarer
Niveaus nach dem Koronamodell.
der Röhre entlang, so kann man wie von Zauberhand den
leuchtenden Teil der Röhre – sehr zum Verblüffen von Zuschauern – vergrößern und verkleinern.
Aktuell zum Thema
Literatur
[1] A. P. Speiser, Physik in unserer Zeit 1999, 30, 211.
[2] N. R. Guilbert, The Physics Teacher 1999, 37, 11.
Die Autoren
Ursel Fantz, geb. 1963, Studium der Physik in Stuttgart, danach Promotion an der Fakultät Elektrotechnik in Stuttgart. Seit 1995 am Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik in Augsburg. Derzeit
habilitiert sie über die spektroskopische Diagnostik
von Atomen und Molekülen von Niederdruckplasmen und Fusionsplasmen. Der Lehrstuhl kooperiert
eng mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
(Garching).
Andreas Lotter, geb. 1974, Studium der Physik in
Augsburg.
Anschrift: Dr.-Ing. Ursel Fantz, Andreas Lotter, Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, Institut für
Physik, Universität Augsburg, Universitätsstraße 1,
86135 Augsburg: [email protected]
Nr. 1 33. Jahrgang 2002
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Low Temperature
Plasma Physics,
Fundamental
Aspects and
Applications,
R. Hippler, S. Pfau,
M. Schmidt, 523 S.,
geb. 159,– f,
Wiley-VCH, Berlin
2001. ISBN
3-527-28887-2
Physik in unserer Zeit
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