Weiss jemand genaueres über den Verlauf der Entladung entgegengesetzt geladener Kugeln?
Nehmen wir zwei Metallkugeln von 10 cm Durchmesser und laden z.B. die eine auf +10'000 und die andere auf -10'000 Volt. Gemäss [1] entsteht dann ein Funkendurchschlag, wenn die Kugeln auf etwa 6.1 mm einander angenähert werden.
Wie lange dauert so ein Funke im Normalfall?
Um wieviel Volt entladen sich die Kugeln während des Funkens?
Wie lässt sich das experimentell messen?
Gruss, Wolfgang
[1]
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Tab. 4.2, Ungefährer Abstand (in cm) für einen elektrischen Durchschlag zwischen zwei identischen Kugeln diverser Durchmesser ("Approximate Gap Spacing (in cm) For Electrical Breakdown Between two Identical Spheres of Varying Diameters").
Moment, die L=F6schspannung einer solchen Entladung liegt deutlich niedriger als die Z=FCndspannung. Ich w=FCrde eher auf einige Hundert Volt tippen. Gruss Harald
Kommt natürlich drauf an, vorallem auf die Kapazität die dahinter steckt. Kleine dielektrisch behinderte Entladungen (=kleine Kapazität) können schon nach 5 ns zu Ende sein.
Das halte ich für zu hoch gegriffen. Irgendwo habe ich mal einen Film gesehen von einem außer Kontrolle geratenem Fehlschluß in einem Umspannwerk. Da hatte der Lichtbogen durchaus an die 10m Länge. Ich glaube jedoch nicht, dass man dort mit vielen Megavolt hantiert. Überhaupt erlischt der Lichtbogen bei Wechselspannung schneller, weil ja 100 mal pro Sekunde der Strom abgeschaltet ist. Bei Gleichstrom gibt's keine solche Unterbrechung. Gut, in dem gegebenen Gedankenexperiment wäre der Lichtbogen nach einer 100stel Sekunde auch schon längst weg.
Ich würde eher schätzen, dass die Spannung auf eine Hand voll Volt pro Millimeter herunter geht.
Naja, ich hätte gesagt, ein "Maulvoll". Klingt uriger!
Es hängt rein davon ab, ob der Funken die Gaserwärmung (= Ionisation) aufrecht erhalten kann.
Im Funken selbst beträgt der Widerstand nur wenige mOhm. Je kürzer die Funkenstrecke, desto mehr Strom kann kurzzeitig fließen, desto mehr Gas bildet den Funkenkanal und desto länger dauert selbst beim Nachlassen des Stromes (und der ist wegen Schwingkreiswirkung verlängert) die Deionisation.
Letzteres hängt auch vom Gas ab. Wasserstoff verkürzt die Funkendauer (= schnellere Deionisierung). Auch wenn der Strom und die Restspannung fast schon weg sind, ist also noch ein leitfähiger Kanal vorhanden. Hierdurch herrscht kaum ein Unterschied zwischen Gleichstrom und schnellem Wechselstrom = Nachschwingung.
Bei einer herkömmlichen Kfz-Zündung rechne ich mit einer Dauer des Funkenkopfes (Anstieg, Überschlag, stark gedämpfte Schwingung) von ca. 1 ysek und etwa 1 msek Nachbrennen (!Lichtbogen") mit etwa 300 Volt. Dann sinkt der Lichtbogen stark ab, schwingt evrl. noch eine Halbwelle negativ. Aber da herrschen auch keine normalen Bedingungen, da besonders zum Schluß noch einmal eine sehr gedämpfte Wechselstromschwingung als Funkenschwanz auftritt und allgemein höhere Temperaturen herrschen.
Wenn man einen Versuch mit einem Speicheroszilloskop macht, muß auf den niedrigen Funkenwiderstand geachtet werden, sonst sind die Ergebnisse irreal. Außerdem: Ich habe schon mal sonn Ding dabei lahmgelegt.
Ánsonsten empfehle ich die vergriffenen Bände der "Impulstechnik" von Früngel. Der hat sich zum Bau seiner Funkenstroboskope (Hamburg) intensiv damit beschäftigt. In seinen Büchern stecken Jahrzehnte Forschung auf diesem Gebiet.
Ich sprach von zwei Metallkugeln mit Durchmesser 10 cm und Potential- differenz von 20 kVolt. Die Kapazität so einer isoliert liegenden Kugel [1]:
Kapazität = 1.1 * 10^-11 Coulomb/Volt
Bei einem Durchmesser von 10 cm beträgt der Abstand zum vom Funken am weiten entferntesten Punkt 15.7 cm (halber Umfang). Da Strom mit etwa 20 cm/ns fiesst, sollte sich die Funkenbildung innerhalb von t < 1 Nanosekunde auf der ganzen Kugel ausgewirkt haben. Irgendwie naheliegend, vor allem wegen der Symmetrien, ist auch die Annahme, dass der Funke nicht länger dauern kann als diese Zeitdauer t, somit nicht einmal eine Nanosekunde.
Bei 10^4 Volt beträgt die Ladung einer Kugel 1.1 * 10^-7 Coulomb. Wenn nun ein wesentlicher Teil dieser Ladungsmenge (abängig von der Löschspannung) innerhalb von t von der einen zur anderen Kugel fliesst, ergibt sich im Funken eine mittlere Stromstärke in der Grössenordnung von 100 Ampère. Also wenn Peter Prucker mit der Aussage "Im Funken selbst beträgt der Widerstand nur wenige mOhm" [2] recht hat, dann dürfte der Funken selber keinen Flaschhals für den Stromfluss darstellen, oder aus anderen Gründen doch?
Leider gibt es noch ein Problem. Die Kapazität der Kugeln lässt sich nur dann einfach berechnen, wenn sie weit genug voneinander entfernt sind. Sonst haben sie wie normale Kondensatorplatten eine höhere Kapazität. Und wie bei Kondensatorplatten nimmt die Spannung ab, wenn sie schon geladen einander angenähert werden.
Aber wenn obige Gedankengänge/Rechnungen richtig sind, dann müsste es möglich sein, zwei Kugeln, oder andere spiegelsymmetrische, zu zweit einen elektrischen Dipol bildende, Metall(hohl)körper innerhalb einer Nanosekunden zu einem wesentlichen Teil zu entladen.
Für alle bisherigen (und zukünftigen) Beiträge dankend grüsst, Wolfgang
Uwe Hercksen in news: snipped-for-privacy@mew.uni-erlangen.de :
Willst du damit sagen, dass der Funken als "optische Erscheinung" länger als 1 ns dauert? Oder spielst du auf die Teilentladungen und die dazwischen liegenden Ruhezeiten an (siehe unten)?
Wenn die beiden Kugeln vor Entstehung eines Funkens mit plus und minus
10 kVolt geladen sind, lassen sich folgende Fälle unterscheiden:
1) Ein Funkenstromfluss tritt wegen der zu kleinen Ladungsmengen auf den Kugeln nicht auf. 2) Der Funkenstromfluss bricht ab, bevor die Kugeln ganz entladen sind. 3) Der Funkenstromfluss bricht (wegen Induktion) erst ab, nachdem die ursprünglich negative Kugel (leicht) positiv geladen ist. 4) Es kommt zu Schwingungen, und der Strom wechselt mindestens ein mal im Funken die Richtung.
Gegen das Nicht-Auftreten des Funkens spricht, dass die Entstehung eines Durchschlags nur von lokalen Faktoren abhängig sein sollte, d.h. nur von den Ladungen, die sich in der Nähe des zu bildenden Funken- durchschlags befinden. Leider ist es mir nicht gelungen, Informationen über den exakten zeitlichen Verlauf der Funkenentstehung zu finden.
Für Blitze gilt, dass "die Dauer einer mächtigen Teilentladung 0,0002 Sekunden nicht übersteigt" [1]. Die Annahme, dass sich auch kleine Funken aus Teilentladungen zusammensetzen und die Dauer dieser Teilentladungen (so wie auch die Durchschlagsspannung) in etwa proportional zur räumlichen Länge der Blitze bzw. Funken ist, scheint nicht abwegig. Dann würde folgen, dass Teilentladungen von 6-mm- Funken in der Grössenordnung von 10^-10 bis 10^9 Sekunden liegen [2].
Dann stellen sich die Fragen: Wieviel Prozent der Ladung wird bei der ersten Teilentladung von der einen zur anderen Kugel transferiert? Wie lange ruht der Stromfluss zwischen den Teilentladungen?
Kann jemand Aufwand und Unkosten der experimentellen Klärung dieser Frage abschätzen?
Gruss, Wolfgang
[1]
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"Der durchschnittliche Zeitabstand zwischen den aufeinander folgenden Teilentladungen beträgt 0,02 Sekunden". Da in einem Leiter Strom in 0,02 Sekunden etwa 4000 km weit fliessen würde, scheint der Schluss naheliegend, dass der Stomfluss innerhalb der Wolken wesentlich langsamer vor sich geht. [2] Wenn die Teilentladungen eines Blitzes von 6 km Länge 0,2 msek dauern, dann würde folgen, dass die eines 6 mm Funken 0,2 nsek dauern.
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