Forum: HF, Funk und Felder Wie funktioniert die Ionisierung von Atomen und warum verwendet man dafür Hochspannung?


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von Neubert (Gast)


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In diesem Video wird zwischen zwei Drähten eine Hochspannung angelegt um 
damit dann die Luft zu ionisieren.

Dazu habe ich nun aber eine Frage, und zwar besteht Luft ja aus ca. 78 % 
Stickstoff (N) und 21 % Sauerstoff (0) und der Rest aus anderen Gasen, 
die wir hier vernachlässigen können.

Die für den Stickstoff notwendige Ionisierungsenergie beträgt 14,5 eV 
und die für Sauerstoff notwendige Ionisierungsenergie beträgt 13,6 eV.
Die Einheit Elektronenvolt ist definiert als Ladung * Spannung. Für die 
Ladung nimmt man die Elementarladung e.


Nun meine Frage, wenn man nun nur um die 15 V benötigt, um ein Atom zu 
ionisieren, wozu benötigt man dann die Hochspannung?

Liegt das jetzt nur am Abstand der Kathode zur Anode, damit sich eine 
Kaskade bilden kann und der "Schaltkreis" durch die Luft leitend wird?
Falls ja, wie muss man sich das mit den Atomen vorstellen?

In einem Abstand von 10 mm gibt es bei 1 Bar Normaldruck ja sicherlich 
ein paar Millionen Stickstoff und Sauerstoffatome, wenn man nun annimmt, 
dass so ein Atom wie so eine Art Widerstand in einer Reihenschaltung 
wirkt, an dem praktisch eine Spannung in Höhe der Ionisierungsenergie 
(ca. 15 V) abfällt, dann würde das bedeuten, dass man bei einer 
Hochspannung von sagen wir mal 30000 V immer noch nur 30 kV / 15 V = 
2000 Atome ionisieren kann.
Für eine Wegstrecke von 1 cm, in der sich Millionen an Atome befinden, 
also recht wenig. Also kann das nicht die Erklärung dafür sein.
Könnte mir das jemand erklären, wie man sich das auf physikalischer 
Ebene vorstellen muss?

Meine Frage könnte somit auch lauten, welche Spannung muss man 
mindestens anlegen, dass bei einem definierten Abstand zwischen Kathode 
und Anode umgeben von einem bestimmten Gas bei 1 Bar Normaldruck genug 
Ionen bilden, damit man eine Kaskade erhält, der Stromkreis also leitend 
wird?

von Neubert (Gast)


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Jetzt habe ich doch glatt das Video vergessen, in dem Versuchsaufbau 
gezeigt wird:
https://www.youtube.com/watch?v=n3NPxhSf34E

von Neubert (Gast)


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Neubert schrieb:
> ie Einheit Elektronenvolt ist definiert als Ladung * Spannung. Für die
> Ladung nimmt man die Elementarladung e.

Kleine Korrektur, die Elementarladung e ist natürlich nur nötig, wenn 
man die Energie in Joule ausrechnen will. Bleibt man bei der Einheit 
Elektronenvolt eV, dann kann man für die Ladung praktisch eine 1 
einsetzen.

von rmu (Gast)


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Falls ich mich auf meiner Serviette nicht verkritzelt hab, gibts in 
einem m³ Luft bei Normaldruck Druck 4×10^25 Gasteilchen. In einem cm³ 
ergo 4×10^19. Die Million liegt da weit daneben.

von Neubert (Gast)


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rmu schrieb:
> Falls ich mich auf meiner Serviette nicht verkritzelt hab, gibts
> in
> einem m³ Luft bei Normaldruck Druck 4×10^25 Gasteilchen. In einem cm³
> ergo 4×10^19. Die Million liegt da weit daneben.

Ich wollte mit den Millionen jetzt eigentlich nur "eben sehr viele" 
ausdrücken. Aber danke für die Ergänzung.

von rmu (Gast)


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Neubert schrieb:
> Könnte mir das jemand erklären, wie man sich das auf physikalischer
> Ebene vorstellen muss?

Die Elektronen sind quantenmechanisch in einem Potentialtopf gefangen. 
Lege ich ein elektrisches Feld an mache ich den Topf niedriger, die 
Wahrscheinlichkeit steigt, dass ein Elektron entkommt (z.B.durchtunnelt)

> Meine Frage könnte somit auch lauten, welche Spannung muss man
> mindestens anlegen, dass bei einem definierten Abstand zwischen Kathode
> und Anode umgeben von einem bestimmten Gas bei 1 Bar Normaldruck genug
> Ionen bilden, damit man eine Kaskade erhält, der Stromkreis also leitend
> wird?

Bei Luft, trocken, Hausnummer: 2kV pro mm Abstand.

von blubb (Gast)


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Neben der Energie für die Ionasation der Molekühle brauchst Du aber auch 
noch Energie um Elektronen (und vllt auch Ionen) aus denen Elektronen 
zubeschleunigen..

Ein gewisser Herr Paschen hat das gut zusammengefasst..
https://de.wikipedia.org/wiki/Paschen-Gesetz

von W.S. (Gast)


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Neubert schrieb:
> Nun meine Frage, wenn man nun nur um die 15 V benötigt, um ein Atom zu
> ionisieren, wozu benötigt man dann die Hochspannung?

Ist dir der Unterschied zwischen einer Energie und einer Spannung klar?
1 eV ist die kinetische Energie, die man einem Elektron verleiht, wenn 
man es mit 1 Volt beschleunigt. Gewöhnliches Licht z.B. liegt in diesem 
Bereich. Zum Ionisieren brauchst du aber deutlich mehr, deswegen werden 
UV, Röntgen und Gamma auch ionisierende Strahlung genannt.

W.S.

von Neubert (Gast)


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W.S. schrieb:
> Neubert schrieb:
>> Nun meine Frage, wenn man nun nur um die 15 V benötigt, um ein Atom zu
>> ionisieren, wozu benötigt man dann die Hochspannung?
>
> Ist dir der Unterschied zwischen einer Energie und einer Spannung klar?

Die Frage weise ich nun an dich zurück.
Überleg mal, was im eV steckt, wenn du ein Elektron aus dem Atom hauen 
musst?


> Gewöhnliches Licht z.B. liegt in diesem
> Bereich. Zum Ionisieren brauchst du aber deutlich mehr, deswegen werden
> UV, Röntgen und Gamma auch ionisierende Strahlung genannt.

Selbstverständlich, die Ionisierungsenergien der verschiedenen Atome 
liegen ja auch nicht bei 1 eV, sondern eben wie z.b. oben für N bei 14,5 
eV und da ist eben die UV-Strahlung bzw. Röntgenstrahlung auch.

Hier hast du dazu ne schöne Rechnung:
https://www.youtube.com/watch?v=HkY5iaoUUNo

UV-Strahlung liegt also nicht im eV Bereich von mehreren keV, wie du 
fälschlicherweise annimmst. Das ist somit nicht die Begründung, warum 
man Hochspannung verwendet.

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