Was ist das - ein (physikaliches) "Plasma" ?
von Gert Redlich im Juni 2016 - Auf den vorangegangenen Seiten haben Sie sehr viel hochtechnisches "Zeug" über physikalische und mathematische Voraussetzungen zum Betrieb eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden gelesen.
Sie haben auch viel über die benötigte Energie, die gigantische Licht-Helligkeit, die erzeugten hohen Temperaturen und die Menge der diversen (sichtbaren und vor allem unsichtbaren) Strahlungen und Frequenzen des "Plasmas" gelesen.
Übrigens, unser "physikalisches" Plasma hat mit dem namensgleichen Blut-Plasma nichts zu tun.
.
Die korrekte physikalische Definition des Plasmas :
Das Plasma ist neben den 3 klassischen Aggregat-Zuständen (fest, flüssig und gasförmig) der vierte von weiteren Zuständen von Materie im physikalischen Sprachgebrauch. Aber diese theoretische wissenschaftliche Definition ist sehr schwer verständlich.
.
Und mit der Definition, was ein "Plasma" wirklich ist, haben sogar Diplomingenieure so ihre Probleme. Darum habe ich diese Seite hier eingefügt. Das Nachfolgende hält natürlich einer exakten wissenschaftlichen physikalischen Betrachtung nicht überall stand, soll es aber auch gar nicht. Sie sollen es verstehen können.
.
Wie kann sich der Laie ein "Plasma" vorstellen ? Beispiel :
- der Metall-Draht glüht
- im Vakuum sogar auf Dauer
- ein Stück Metall - wenn er kalt ist
Der Laie kann sich auf jeden Fall vorstellen, daß ein dünnes Stückchen Draht zwischen zwei dicken Kontakten bei entsprechend hohem durchfließenden Strom anfängt zu glühen und Wärme-Strahlung sowie Licht-Strahlung "aussendet".
Das wäre bei uns die allseits bekannte ganz normale Technik in der Glühbirne. Und damit das Stückchen Draht nicht sofort "verbrutzelt" bzw. verglüht, kommt es in eine luftleere (oder auch mit Schutzgasen - Halogenen - gefüllte) Glasblase oder Flasche rein, wir nennen das umgangssprachlich die (Glüh-) Birne. Dann glüht er eben weiter, jedenfalls solange der Strom fließt.
Auch einsichtig und verständlich ist - auch für Laien - auf jeden Fall, daß das Metall - der Metalldraht - den Strom leitet und daß bei entsprechend hohem Strom dort in diesem Stückchen Metall (-draht) die verbrauchte Leistung in Wärme und Licht umgewandelt - oder ganz korrekt - dort als Licht-Strahlung und als Wärme-Strahlung "abgestrahlt" wird. Energie kann ja nicht einfach "verschwinden".
.
Und wenn man den Strom abschaltet .....
...... und der Draht (wieder) kalt ist, kann man ihn (wenn man die Glüh-Birne zerschlagen würde) auf jeden Fall anfassen und fühlen, eben wie ein ganz normales Stück Metall.
.
Das (oder ein) "Plasma" kann man aber "nicht" ! anfassen.
In dem Lampenhaus der Lichtbogenlampe (Bild rechts) wird mit ganz viel Strom - wie in der Glühlampe - auch jede Menge Wärme und dazu ganz ganz viel helles Licht erzeugt.
Schalte ich aber bei solch einer "Lichtbogen-Lampe" den Strom ab, ist zwischen den Elektroden mit der eben noch extrem grell leuchtenden Flamme "nichts" mehr da, es ist alles (wieder) weg.
Eine "Lücke" von etwa einem Zentimeter Länge (Abstand) ist übrig, obwohl dazwischen eben noch eine ganz (extrem) hell und warm leuchtende Flamme zu sehen war.
Und diese "Lücke" kann man nicht anfassen. Doch diese "Lücke" hatte doch eben noch geglüht oder geleuchtet. - Jetzt steht der Laie vor einem Rätsel. Etwas, das ich nicht anfassen kann, glüht wie ein Stückchen Metalldraht.
Also - während es geleuchtet bzw. "geglüht" hatte, muß es doch Eigenschaften wie ein Metall gehabt haben, sonst könnte da doch kein Strom fließen.
Und das bedeutet, irgendwie ist die Luft (-Strecke) zwischen den beiden Elektroden "metallisiert" worden, der Physiker (oder der Fachmann) spricht von "ionisiert".
.
Ein "Plasma" ist also ionisierte Luft (in unserem Fall), die den Strom leitet - und dabei leuchtet.
- Die beiden Elektroden in einer Xenon-Lampe
- Der Glaskolben einer 15 Kilowatt Xenon-"Birne"
In den ganzen wissenschaftlichen Betrachtungen lesen Sie, daß da bei etwa 40 bis 80 Volt Gleichspannung ganz dicke Ströme von 50 Ampere bis fast 1.000 Ampere fließen, durch diese Luft, also durch das Plasma hindurch.
Sie lesen auch, daß diese in das Plasma "eingespeiste" Energie (also die verbrauchte Leistung) abgestrahlt wird. Irgendwohin müssen diese 1000 oder 2000 Watt oder sogar 10.000 Watt Leistung ja hin "gehen". Die können ja nicht einfach verschwinden.
Sie lesen auch, daß solch ein Plasma die "eingespeiste" Engerie in einem großen Bereich der unsichtbaren Wellen und der sichtbaren Wellen (leider nur zu etwa 5%) abstrahlt.
Und jetzt sind wir endlich bei der Lichtbogen- Lampe angekommen. Im Kino und bei den Schweinwerfern war das bis etwa 1954 der "Stein der Weisen". Danach kam die technologisch sehr ähnliche Xenon-Lampe, bei der der Lichtbogen in einer gekapselten Xenon-Gas-Umgebung (es ist eine Schutzgas-Umgebung) brennt.
.
Was die Ingenieure sich 1948 nicht mal zu träumen gewagt hatten, ist, daß man natürlich auch hörbare Wellenlängen (also Audio-Frequenzen) - aber mit relativ geringer (akustischer) Leistung - "abstrahlen" kann. Das war dann der geniale "sogannte" Ionenhochtöner von Otto Braun oder auch der (gleiche aber umbenannte) Plasma Strahler von Magnat und anderen Herstellern.
Dort "brennt" natürlich kein Hochstrom-Lichtbogen mit mehreren tausend Watt. Es wird ja auch nur wenig Energie gebraucht.
Über die Randerscheinungen wie die starken anderen abgestrahlten Frequenzen im UV Bereich (in der Intensität sind die nicht gerade gesund) machte man sich damals keine großen Gedanken. Heute ist das völlig anders. Es gibt keine Zulassung mehr dafür.
.
Und damit sind wir beim elektrischen Schweißen
Ähnlich wie beim Ionenhochtöner ist der Lichtbogen beim Schweißen ein fürchterlicher Wackelkandidat. Während das "Wackeln" des Lichtbogens beim Ionenhochtöner durch die gezielte Modulation mit der Musik gewollt ist, ist es beim Schweißen überaus lästig.
Auch soll dort eigentlich nur die gigantische Hitze an der metallnen Schweißelektrode ausgenutzt werden, um die zu (ver-)schweißenden Metalle zu verflüssigen.
Die anderen Strahlungen sind unvermeidlich und werden durch sogenannte Schweißbrillen mit speziellen Filterscheiben und durch Schutzschilde abgefangen. Sonst wäre der Schweißer in kurzer Zeit dunkelbraun gebräunt oder sogar erblindet.
.
Beim Plasma des Kino-Lichtbogens ist es umgekehrt.
Dieser Lichtbogen bzw. diese Flamme soll möglichst hell sein und vor allem möglichst gleichmäßig bzw. konstant brennen (besser : leuchten bzw. strahlen).
Das Plasma wird mit allen nur möglichen Tricks der Physik und der Chemie über die beiden Kohle-Elektroden stabilisiert und im sichtbaren Bereich intensiviert, jedenfalls soweit es geht.
Mehr steht hier bei der Kino-Bogenlampe II.
.