Koronaentladung
Eine Koronaentladung, auch Büschelentladung, ist eine elektrische Entladung, die durch Ionisation eines elektrisch nichtleitenden Fluids (Gas oder Flüssigkeit) entsteht, das einen elektrischen Leiter umgibt. Sie tritt auf, wenn die elektrische Feldstärke über dem elektrischen Leiter einen bestimmten Wert überschreitet, aber die Feldstärke noch nicht hoch genug ist, um einen Lichtbogen hervorzurufen. Koronaentladung treten unter anderem entlang mit Hochspannung betriebenen Freileitungen auf und stellen dabei einen kleineren Teil der unerwünschten Übertragungsverluste dar.
Im engeren Sinne ist die Koronaentladung ein spezieller Fall einer stillen elektrische Entladung in Luft bei Atmosphärendruck. Ähnlich wie die Glimmentladung, welche bei niedrigem Gasdruck auftritt, ist die Farbe der Koronaentlagung primär vom Fluid abhängig.
Allgemeines
Im Folgenden wird eine Koronaentladung in Luft beschrieben. Verallgemeinert kann hier aber „Luft“ jederzeit durch den Begriff „neutrales Fluid“ ersetzt werden.
Eine Korona ist ein Prozess, bei dem ein geringer Stromfluss durch Luft zwischen zwei Elektroden erzeugt werden kann, der meist im Mikroampere-Bereich liegt. Als Ladungsträger wirken dabei Ionen, die in einem Raumgebiet ausreichend hoher Feldstärke durch Feldemission oder ein Plasma um mindestens eine der Elektroden erzeugt werden. Bei Steigerung der Feldstärke kann eine Koronaentladung in einen Lichtbogen übergehen.
Üblicherweise sind diese beiden Elektroden asymmetrisch. Eine besitzt eine starke Krümmung (z. B. eine Nadelspitze oder ein sehr dünner Draht), um die Feldemission zu erleichtern. Die andere Elektrode ist meist schwächer gekrümmt (z. B. eine Platte oder die Erde). Die starke Krümmung erzeugt in ihrer unmittelbaren Umgebung ein sehr starkes elektrisches Feld, wodurch die Luftmoleküle ionisiert werden, ähnlich wie bei einem Elektrofilter.
Umgekehrt kann die Entladung durch Vergrößerung der Krümmungsradien aller Elektroden reduziert werden. Das ist der Sinn der Koronaringe und der voluminös wirkenden, metallischen Verkleidungen mit großem Krümmungsradius von Teilen, die Hochspannung führen. Eine Variante zur Vergrößerung des Krümmungsradius und Verminderung der Koronaentladungen stellen auch die Bündelleiter dar.
Eine Korona kann positiv oder negativ sein. Die Polarität der stärker gekrümmten Elektrode bestimmt die Polarität der Korona. Die physikalischen Eigenschaften der Korona hängen davon ab, ob sie positiv oder negativ ist. Diese Asymmetrie wird durch den großen Massenunterschied zwischen Elektronen und Ionen hervorgerufen. Bei üblichen atmosphärischen Bedingungen besitzen nur Elektronen die Fähigkeit zur Stoßionisation. Der Grund ist die sehr geringe Masse der Elektronen, die im elektrischen Feld auf deutlich höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden als die schweren Ionen.
Eine Koronakamera ist in der Lage, Koronaentladungen, die bei Hochspannungen auftreten können, in einem Videobild darzustellen.
Erscheinungsformen und Anwendungen von Koronaentladungen
Natürlich auftretende Koronaentladungen sind auch als Elmsfeuer bekannt.
Koronaentladungen werden bei etlichen industriellen Vorgängen bewusst erzeugt:
- Elektrische Oberflächenbehandlung von Kunststofffolien, Papier und Aluminiumfolien, um diese bedruck- und klebbar zu machen (Koronabehandlung, siehe auch stille elektrische Entladung).
- Partikelentfernung aus der Luft, in Klimaanlagen (Elektrofilter)
- Entfernung von (organischen) Verunreinigungen aus der Abluft von industriellen Prozessen
- Fotokopierer (Kopiergerät)
- Luftionisationsgeräte
- Kirlianfotografie
- Elektrostatische Antriebe und Strömungsbeeinflussung
- Stickstofflaser
- Kühlung von elektronischen Bauelementen durch Beschleunigen der abziehenden Luftmoleküle
Koronaentladungen sind generell unerwünscht bei:
- Hochspannungsfreileitungen, wo sie zu Energieverlusten, Geräuschen, Funkstörungen und zur Entstehung von Raumladungswolken mit der Folge der Aufladung der Staubteilchen in der Luft führen;
- Hochspannungsanwendungen, bei denen kein Ozon entstehen soll
- Entladungen innerhalb oder außen auf hochspannungstechnischen Bauteilen wie z. B. Transformatoren. Finden diese Entladungen im Inneren, z. B. in Hohlräumen zwischen zwei Polen, statt, werden sie auch Teilentladungen genannt.
Eine Korona kann benutzt werden, um geladene Oberflächen zu erzeugen. Dieser Effekt wird bei Fotokopierern und Laserdruckern verwendet. Man kann auch Partikel (Feinstaub) aus Luftströmen entfernen, indem man diese erst statisch auflädt und dann an einer kammförmigen Elektrode mit entgegengesetzter Polarität abscheidet.
Freie Radikale und Ionen aus einer Korona können direkt mit Schadstoffen in der Luft zu ungefährlicheren Verbindungen reagieren.
Für die Herstellung von Ozon bei hohen Konzentrationen im industriellen Maßstab ist eine Koronaentladung nur bedingt geeignet; hierfür wird bevorzugt auf die stille elektrische Entladung gesetzt.
Literatur
- Andreas Küchler: Hochspannungstechnik. 2. Auflage. Springer, ISBN 3-540-21411-9.