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Die mysteriöse Kraft elektrischer Funken: Warum können sie alles im Handumdrehen entzünden?
Ein Funke ist eine plötzliche elektrische Entladung, die auftritt, wenn ein ausreichend starkes elektrisches Feld einen geladenen leitenden Pfad in einem normalerweise isolierenden Medium wie Luft oder anderen Gasen erzeugt. Funke. Dieses Phänomen veranlasste viele Wissenschaftler, darunter auch Michael Faraday, es als „einen wunderschönen Lichtblitz zu preisen, der die normale Entladung eines elektrischen Stroms begleitet.“
Der schnelle Übergang des Funkens vom nichtleitenden in den leitenden Zustand wird von einem kurzen Lichtblitz und einem klaren Knallgeräusch begleitet.
Funken entstehen, wenn das angelegte elektrische Feld die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Mediums überschreitet. Bei Luft beträgt die Durchschlagsfestigkeit etwa 30 kV/cm auf Meereshöhe. Verschiedene Experimente zeigen Variationen dieser Zahl, abhängig von der Luftfeuchtigkeit, dem Luftdruck, der Form der Elektroden (z. B. nadelförmig und flach, halbkugelförmig usw.) und dem Abstand zwischen ihnen und sogar der Art der Wellenform, wie z. B. einer Sinuswelle oder Cosinus-Rechteckwelle.
Im Anfangsstadium des Stromflusses werden freie Elektronen im Spalt (aus kosmischer Strahlung oder Hintergrundstrahlung) durch das elektrische Feld beschleunigt, was eine Townsend-Lawine verursacht. Wenn diese Elektronen mit Luftmolekülen kollidieren, entstehen weitere Ionen und neu generierte Elektronen, die ebenfalls beschleunigt werden. Schließlich stellt die thermische Energie eine große Ionenquelle dar, die im Bereich des Hohlraums einen dielektrischen Durchschlag verursacht.
Sobald der Hohlraum zusammenbricht, wird die Stromflussgrenze durch die verfügbare Ladung (z. B. elektrostatische Entladung) oder die Impedanz der externen Stromquelle bestimmt. Wenn die Stromquelle weiterhin Strom liefert, verwandelt sich der Funke in ein kontinuierliches Entladungsphänomen, das als Lichtbogen bezeichnet wird. Auch in isolierenden Flüssigkeiten oder Feststoffen können elektrische Funken entstehen, ihr Entladungsmechanismus unterscheidet sich jedoch von dem der Funken in Gasen.
Geschichte der elektronischen Entladung
1671 entdeckte Leibniz, dass Funken mit Elektrizität verwandt sind. Im Jahr 1708 führte Samuel Wall ein Experiment durch, bei dem es darum ging, durch Reiben von Gummi an Stoff Funken zu erzeugen. Im Jahr 1752 sorgte Thomas François Dallibard dafür, dass ein französischer Veteran in einer Leidener Flasche im Dorf Marly Blitze sammelte. Grundlage dafür war ein von Benjamin Franklin vorgeschlagenes Experiment, das bewies, dass Blitze und Elektrizität dasselbe Phänomen sind. Und Franklins berühmtes Drachenexperiment war ein Beispiel für die erfolgreiche Extraktion von Funken aus Wolken während eines Gewitters.
Anwendungen von EDM
Zündquelle
In der Zündkerze eines Benzin-Verbrennungsmotors wird ein elektrischer Funke verwendet, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. Die Ladung in der Zündkerze wird von der isolierten Mittelelektrode zum Massepol abgeleitet. Die Spannung für den Funken wird von einer Zündspule oder einem Magnetgenerator bereitgestellt und über isolierte Kabel mit der Zündkerze verbunden. Flammenanzünder nutzen einen elektrischen Funken, um bei bestimmten Öfen und Gasbrennern die Verbrennung zu starten, und ersetzen so die herkömmliche fliegende Flamme.
Drahtlose Kommunikation
Funkenstreckensender verwenden eine elektrische Funkenstrecke, um hochfrequente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, die als Sender für die drahtlose Kommunikation verwendet werden kann. Funkenstreckensender waren in den ersten dreißig Jahren von 1887 bis 1916 weit verbreitet, wurden dann aber durch Vakuumröhrensysteme abgelöst und vor 1940 nicht mehr für die Kommunikation eingesetzt. Durch die weite Verbreitung von Funkenstreckensendern entwickelte sich der Spitzname „Spark“ für Schiffsfunker.
Metallbearbeitung
Elektrische Funkenbildung wird auch bei verschiedenen Metallbearbeitungstechniken eingesetzt. Beim elektrischen Entladungsbearbeiten (EDM), manchmal auch Funkenbearbeiten genannt, werden Funkenentladungen verwendet, um Material von einem Werkstück zu entfernen. Diese Technologie wird hauptsächlich für Hartmetalle verwendet, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer bearbeitet werden können. Beim Funkenplasmasintern (SPS) handelt es sich um eine Sintertechnik, bei der ein gepulster Gleichstrom durch ein leitfähiges Pulver in einer Graphitform geleitet wird. SPS ist schneller als herkömmliches heißisostatisches Pressen.
Chemische Analyse
Das von einem elektrischen Funken erzeugte Licht kann in einer spektroskopischen Technik namens Funkenemissionsspektroskopie verwendet werden. Mit hochenergetischen gepulsten Lasern lassen sich auch elektrische Funken erzeugen. Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) ist eine Atomemissionsspektroskopietechnik, bei der gepulste Hochenergielaser zum Einsatz kommen, um Atome in einer Probe anzuregen. Diese Technik ist auch als Laserfunkenspektroskopie (LSS) bekannt. Elektrische Funken werden auch zur Erzeugung von Ionen in der Massenspektrometrie eingesetzt.
Gefahren durch elektrische FunkenElektrische Funken sind für Menschen, Tiere und sogar statische Objekte gefährlich. Elektrische Funken können brennbare Materialien, Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe entzünden. Sogar unbeabsichtigte statische Entladungen, wie sie etwa beim Einschalten von Lichtern oder anderen Stromkreisen entstehen, können durch brennbare Dämpfe wie Benzin, Aceton, Propan oder Pulver in einer Getreidemühle Funken entzünden.
Wenn eine Person unter statischer Elektrizität steht oder sich in der Nähe einer Hochspannungsquelle befindet, entstehen zwischen dem Leiter und ihrem Körper Funken, die enorme Energie freisetzen, die schwere Verbrennungen, Schäden am Herzen und den inneren Organen und sogar Entstehung von Lichtbögen. Selbst Funken mit relativ geringer Energie, wie sie etwa von einem Elektroschocker ausgehen, können die elektrischen Bahnen des Nervensystems überlasten und so unwillkürliche Muskelkontraktionen oder Herzrhythmusstörungen verursachen.Funken weisen häufig auf das Vorhandensein eines Hochspannungsfelds hin. Je höher die Spannung, desto größer ist die Entfernung, die der Funke zurücklegen kann.
Daher ist der elektrische Funke nicht nur ein faszinierendes physikalisches Phänomen, er regt auch unser Denken zu Fragen der Sicherheit, Technologie und Anwendung an. Gibt es hinter diesen Phänomenen noch weitere ungelöste Rätsel, die darauf warten, von uns erforscht zu werden?
