Zur Plasmadynamik in wandstabilisierten Lichtbögen

Abstract

Seit der Entdeckung des elektrischen Lichtbogens um das Jahr 1808 ist dieses Phänomen zu einem sehr wichtigen Untersuchungsobjekt und Hilfsmittel für viele Gebiete der Physik geworden. Während sich in der ersten Zeit das Interesse besonders auf die technischen Anwendungsmöglichkeiten des Bogens als sehr intensive Lichtquelle und als Gerät zum Schmelzen von Stoffen mit hohem Schmelzpunkt konzentriertet ging der Trend später darauf hinaus, den Lichtbogen zur Prüfung und Erprobung der verschiedensten Meßmethoden und Theorien der Plasmaphysik zu benutzen. Dies ist durch die Tatsache zu erklären, dass bisher der Lichtbogen die einzige Anordnung darstellt, die es erlaubt, Plasmen von hoher Temperatur und relativ einfacher Geometrie stationär für längere Zeiten herzustellen. In diesem Sinne ist auch die starke Ausweitung der verschiedenen Betriebsparameter zu verstehen. Dabei wurden schon kurzzeitig Bogentemperaturen von 100 0000 K erreicht. Neben der Plasmaphysik besitzt der Lichtbogen aber auch für die Astrophysik eine große Bedeutung, da sich stellenweise Vorgänge im Weltall in einem Lichtbogen simulieren lassen. Weiter kann der Lichtbogen dazu benutzt werden, die charakteristischen Größen und Materiälfunktionen der verschiedensten Gase bei hohen Temperaturen und verschiedenen Drücken zu bestimmen. Nachdem die Vorgänge vor allem in der Säule des Bogens einer quantitativen Behandlung zugänglich geworden sind, und eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment erzielt werden kann, wollen wir uns in dieser Arbeit mit der Wechselwirkung der thermischen, elektrischen und dynamischen Größen in Lichtbögen mit einfacher Geometrie beschäftigen. Der Lichtbogen, der im allgemeinen zu extrem instabilem Verhalten neigt, soll dabei durch den Einfluß von gekühlten Wänden stabilisiert werden. Alle Fragen, die in diesem Zusammenhang auftreten,sind von großer Wichtigkeit für die Physik der plasmaantriebe und der sog. Bogenheißgaserzeuger (arc heaters), die zum Testen von Flugkörpern bei hohen Enthalpiedichten, wie sie beim Eintauchen von Satelliten in die Atmosphäre von Planeten (re-entry) auftreten, benutzt werden. Dazu werden heute schon Lichtbögen bis zu 150 MW elektrisch zugeführter Leistung und 6 m Länge gebaut. Dabei finden die verschiedensten Bogentypen und Geometrien Verwendung. Ohne auf die Vielfalt der verschiedenen Anordnungen einzugehen, sollen in dieser Arbeit die prinzipiellen Vorgänge untersucht und berechnet werden.