Wenn es im Labor funkt
Funken sind die kleinen Brüder der Blitze. Doch selbst eine Superzeitlupe stößt bei ihnen an ihre Grenzen.
Die räumliche Ausbreitung von Blitzen kann man mit Hochgeschwindigkeits-Videos sehr gut beobachten – sofern man einen Blitz gerade erwischt. Im Labor lassen sich die kleineren Brüder der Blitze, die Funken, zwar kontrolliert erzeugen, ihre Beobachtung ist aber wegen der schnelleren zeitlichen Entwicklung schwierig.
Eine von dem britischen Erfinder James Wimshurst 1878 entwickelte Maschine erzeugt sehr effizient Blitze. Abhängig von der Luftfeuchtigkeit sprühen bei Spannungen bis etwa 120 kV bis 10 cm lange Funken. Da die Längenskala gegenüber den natürlichen Blitze um einen Faktor 10000 verringert ist, gilt dies analog auch für die Zeitskala, das heißt, wir erwarten Funkendauern in der Größenordnung von etwa 20 µs. Bei einer Bildwiederholrate von 50 000 fps (Bildern pro Sekunde) sollte im Mittel also nur ein einziges Bild den Funken zeigen.
Hochgeschwindigkeits-Video eines Funkens in einer Wimshurst-Maschine, aufgenommen mit einer Bildrate von 2000 fps.
Wir haben dies mit verschiedenen Aufnahmen von 20 000 fps bis hin zu 60 000 fps überprüft. Noch höhere Bildwiederholraten führen leider zu sehr kleinen Bildausschnitten, sodass es uns nicht möglich war, die Blitzdauer exakt zu bestimmen. Ebenso waren wir nicht in der Lage, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Funkens über die Strecke von 10 cm zu detektieren. Bei einer Geschwindigkeit von 2•105 m/s würde sie auch nur noch 0,5 µs betragen und wäre somit erst bei Bildwiederholraten von über 2•106 fps sichtbar, was unsere Kamera nicht gestattet.
Bei unseren Versuchen mit bis zu 60 000 fps wurden Funken niemals auf mehr als zwei direkt aufeinanderfolgenden Bildern gefunden. Ihre genaue zeitliche Entwicklung ist selbst bei dieser hohen Videogeschwindigkeit nicht zu erkennen.
Der Versuchsaufbau kann aber auch genutzt werden, um die spektrale Verteilung des Lichts im Funken zu ermitteln. Die Spektren des Lichts von Blitzen sind durch die Bestandteile der Atmosphäre festgelegt, das heißt, es sind Spektrallinien von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen, Atomen und Ionen zu erwarten.
Eine Darstellung des Spektrums ist einfach möglich, indem der Funken durch ein Transmissionsgitter aufgenommen wird. Die Abbildung zeigt ein Beispiel einer Momentaufnahme mit 2000 fps (um einen größeren Bildausschnitt darstellen zu können).
Abb. zeitaufgelöstes Funkenspektrum.
Deutlich sind der Temperaturstrahlung des Bogens eine Vielzahl von Spektrallinien überlagert, die im Wesentlichen auf N, O, N+, O+, einige auch auf N2, O2, N2+ sowie auf weitere schwächere Spezies zurückzuführen sind. Funken besitzen also prinzipiell dasselbe Spektrum wie Blitze, allerdings können die relativen Linienstärken je nach Temperatur im Entladungskanal verschieden sein.
Michael Vollmer, Klaus-Peter Möllmann, FH Brandenburg
Der vollständige Artikel mit weiteren Ausführungen zu Blitzen ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen (frei nur mit Online-Abo).
