MÖGLICHE BESCHREIBUNG DES KUGELBLITZ
(Juni 2024)
ABSTRACT
Kugelblitze sind nicht messbar, aber ähnliche atmosphärische Phänomene hängen mit der Ionisierung von Gasen zusammen: Glut, Bogenlicht und Polarlicht. In der Luft werden die Farben dieser Phänomene durch ionisierte Sauerstoff- und Stickstoffatome verursacht. Die Hauptmerkmale der Koronaentladungsglut, die durch die stationäre Stoßionisation von Luft verursacht wird und auch als Elmsfeuer bekannt ist, und der Bogenglut sind der negative Widerstand des Plasmas: Der Strom nimmt mit abnehmender Spannung zu. Somit gibt es für die Koronaentladung, wie auch für das Bogenlicht, eine Beschreibung und Stabilitätsbedingung, ohne dass ein zentrales Kraftfeld vorausgesetzt wird.
Das atmosphärische elektrische Potenzial kann mehrere zehntausend Volt pro Zentimeter betragen, wodurch Sauerstoff und Stickstoff in der Luft ionisiert werden. Das in der Blitzphysik beschriebene Phänomen, dass es farbige Ionenkanäle gibt, die von der Erde ausgehen, ist schwer zu fotografieren. Sie sind nur in Hochgeschwindigkeitskamerabildern zu erkennen, sie kollabieren, sie sind nicht Teil des Wolkenblitzes. Man nimmt an, dass die Ionenkanäle von der Erde aus die Quelle der ionisierten Sauerstoff- und Stickstoffatome sind, der fließenden Ionenwolken der Kugelblitze. Wenn der atmosphärische Druck hoch genug ist und eine ausreichende Anzahl von Ionen entstanden ist, stabilisiert sich der Ionenkanal im Zustand des negativen Widerstands, der als Glut oder Koronaentladung bezeichnet wird.
Das atmosphärische elektrische Potenzial kann mehrere zehntausend Volt pro Zentimeter betragen, wodurch Sauerstoff und Stickstoff in der Luft ionisiert werden. Das in der Blitzphysik beschriebene Phänomen, dass es farbige Ionenkanäle gibt, die von der Erde ausgehen, ist schwer zu fotografieren. Sie sind nur in Hochgeschwindigkeitskamerabildern zu erkennen, sie kollabieren, sie sind nicht Teil des Wolkenblitzes. Man nimmt an, dass die Ionenkanäle von der Erde aus die Quelle der ionisierten Sauerstoff- und Stickstoffatome sind, der fließenden Ionenwolken der Kugelblitze. Wenn der atmosphärische Druck hoch genug ist und eine ausreichende Anzahl von Ionen entstanden ist, stabilisiert sich der Ionenkanal im Zustand des negativen Widerstands, der als Glut oder Koronaentladung bezeichnet wird.
Bei der Koronaentladung verursachen die Elektronenlawinen eine Stoßionisation, einen selbsterregten Prozess, der einen negativen Widerstandszustand erzeugt, der die Intensität der Elektronenlawinen auch bei abnehmender Spannung erhöht. Ist die Atmosphärenspannung ausreichend hoch, wird der Kanal unabhängig von der äußeren Spannung, ein weiterer negativer Widerstandszustand bei höheren Atmosphärenspannungen, der durch thermische Emission gekennzeichnet ist. Die thermische Emission erhöht die Beweglichkeit der Elektronen, das Plasma beginnt frei zu schweben. Das Phänomen des negativen Widerstands des Lichtbogens erklärt die Entstehung und Stabilität von Kugelblitzen. Die thermische Emission ist im Zentrum der Kugel am stärksten, was einer der Gründe für die sich aufblähende Kugelform ist, die die sich verteilenden Teilchen auf ihrer Oberfläche rekombiniert.
// A POSSIBLE DESCRIPTION OF A BALL LIGHTNING, A ball lightning is not measurable, but similar atmospheric phenomena are related to the ionisation of gases: glowing embers, arc light and aurora. In air, the colours of the phenomenon are caused by ionised oxygen and nitrogen atoms. The main characteristics of corona discharge glow, which is the stationary collisional ionisation of air, also known as St Elmo's fire, and arc glow are that they are negative resistance states of the plasma: the current also increases as the voltage decreases. So there is a description and stability condition without assuming a central force field.
// A POSSIBLE DESCRIPTION OF A BALL LIGHTNING, A ball lightning is not measurable, but similar atmospheric phenomena are related to the ionisation of gases: glowing embers, arc light and aurora. In air, the colours of the phenomenon are caused by ionised oxygen and nitrogen atoms. The main characteristics of corona discharge glow, which is the stationary collisional ionisation of air, also known as St Elmo's fire, and arc glow are that they are negative resistance states of the plasma: the current also increases as the voltage decreases. So there is a description and stability condition without assuming a central force field.
The atmospheric electric potential can be tens of thousands of volts per centimetre, which ionises oxygen and nitrogen in the air. The phenomenon described in the physics of lightning, that there are colored ion channels emanating from the Earth, is difficult but photographic. They are only detectable in high-speed camera images, they collapse, they are not part of cloud lightning. Ion channels from the Earth are thought to be the source of ionised oxygen and nitrogen atoms, the flowing ion clouds of the globular lightning. If the atmospheric pressure is sufficiently high, and if a sufficient number of ions have been created, the ion channel stabilises in the negative-resistance state, known as a glowing ember, or corona discharge.
In corona discharge, the electron avalanches cause collisional ionisation, a self-excited process that creates a negative resistive state, which increases the intensity of the electron avalanches even at decreasing voltages. If the atmospheric voltage is sufficiently high, the channel becomes independent of the external voltage, another negative resistance state, characterised by thermal emission. Thermal emission increases the mobility of the electrons, the plasma starts to float freely. The negative resistance phenomenon of arc light explains the formation and stability of spherical lightning. The thermal emission is most intense in the centre of the sphere, which is one of the reasons for the inflating spherical shape, recombining the dissipating particles on its surface.
EINLEITUNG
Das Recherchewerkzeug war eine Internetsuche, ein nettes kleines Video: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE). Es gibt viele Erklärungen* für kugelförmige Blitze, die viele Themen der Physik abdecken. Die Hypothesen gehen von zentralen Kraftfeldern oder selten vorkommenden Teilchen aus und sind keine akzeptierten Erklärungen.
Kugelblitze sind ein atmosphärisches Phänomen, von dem man annimmt, dass es durch Ionen und Elektronen in der Luft entsteht, und das durch Gasentladungsphänomene beschrieben wird. Die Koronaentladung ist eine farbenprächtige, fast kugelförmige Ionisationserscheinung in der Atmosphäre, deren Ionenquelle jedoch ortsfest ist und sich durch Glut auszeichnet. Sie wird durch Nadelelektroden künstlich erzeugt, erfordert eine hohe Spannung und wird durch Elektronenlawinen hervorgerufen. Bei höheren Spannungen (der Zündspannung) wandelt sich die Glut in eine Bogenglut um.
Literaturübersicht*: Kugelblitze sind kein seltenes Phänomen, viele nicht akzeptierte Erklärungen sind veröffentlicht worden. Zur Physik der Atmosphäre und der Blitze siehe R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, Modern Physics, Bd. 5, (S. 120, Technical Publishers, 1969. ETO 53 "19" (082)), wo die Autoren die Physik der Blitze im Kapitel "Atmospheric Electricity" zusammenfassen. Das atmosphärische elektrische Potential kann mehrere zehntausend Volt pro Zentimeter betragen, wodurch Sauerstoff und Stickstoff ionisiert werden. Der eigentliche Unterschied zwischen den Hypothesen in der Literatur liegt in der Qualität der geladenen Teilchen und dem Ursprung der zentralen Kraftfelder, die sie zusammenhalten.
Kugelblitze sind ein atmosphärisches Phänomen, von dem man annimmt, dass es durch Ionen und Elektronen in der Luft entsteht, und das durch Gasentladungsphänomene beschrieben wird. Die Koronaentladung ist eine farbenprächtige, fast kugelförmige Ionisationserscheinung in der Atmosphäre, deren Ionenquelle jedoch ortsfest ist und sich durch Glut auszeichnet. Sie wird durch Nadelelektroden künstlich erzeugt, erfordert eine hohe Spannung und wird durch Elektronenlawinen hervorgerufen. Bei höheren Spannungen (der Zündspannung) wandelt sich die Glut in eine Bogenglut um.
Literaturübersicht*: Kugelblitze sind kein seltenes Phänomen, viele nicht akzeptierte Erklärungen sind veröffentlicht worden. Zur Physik der Atmosphäre und der Blitze siehe R.P. Feynman-R.B. Leighton-M. Sands, Modern Physics, Bd. 5, (S. 120, Technical Publishers, 1969. ETO 53 "19" (082)), wo die Autoren die Physik der Blitze im Kapitel "Atmospheric Electricity" zusammenfassen. Das atmosphärische elektrische Potential kann mehrere zehntausend Volt pro Zentimeter betragen, wodurch Sauerstoff und Stickstoff ionisiert werden. Der eigentliche Unterschied zwischen den Hypothesen in der Literatur liegt in der Qualität der geladenen Teilchen und dem Ursprung der zentralen Kraftfelder, die sie zusammenhalten.
Wir suchten nach der einfachsten Hypothese und lehnten die zentralen Kohäsionskräfte ab. Schnelle Elektronen, die durch thermische Emission erzeugten Ionen, verursachen das Lichtbogenlicht. Bei ausreichend hohen Werten der atmosphärischen Spannung bildet sich ein selbsterhaltendes Plasma, ein Zustand mit negativem Widerstand, und die Mobilität der Elektronen nimmt mit abnehmender Bogenspannung innerhalb der Grenzen der Energieerhaltung zu. Die beobachtete sich aufblähende Kugelform entsteht mit steigender Temperatur und der Rekombination der Ionen an der Oberfläche.
Die Kugelform wird auch durch den Skineffekt (https://www.netfizika.hu/tudas/node/6218) verursacht, der im Plasma bei hohen Temperaturen aufgrund der Elektronenbeweglichkeit im Falle eines kugelförmigen Fadens auftritt. Bei der thermischen Ionisation kommt es zu einer radialen Strömung (höchste Temperatur im Zentrum und die Elektronen sind am beweglichsten), wobei sich die Elektronen an der Oberfläche anreichern und positive Ionen mit sich führen, so dass die Ionendichte radial nach außen hin zunimmt. Zum Zentrum hin strömen anstelle der Ionen nicht ionisierte Luftmoleküle, die - sofern die Temperatur und die Energie ausreichen - ionisieren.
Quellen der Ionen: Es gibt auch eine Art Ionenkanal von der Erde oder von Flugzeugen, der schwer nachzuweisen ist. Von der "Erdoberfläche, insbesondere von den markanten, gebirgigen Teilen, wird ebenfalls in kleinen Schritten ein Zickzack-Strom mit positivem Vorzeichen in Richtung der Wolke initiiert, der aber nie die Wolke erreicht.
Der Strom von der Erde ist durch ein violettes, rosafarbenes Licht gekennzeichnet (eine Glut, die nur in Hochgeschwindigkeitskamerabildern zu erkennen ist). In feuchter Luft ist ein elektrisches Feld von etwa 100 kV/m erforderlich, um eine Elektronenlawine auszulösen). Der Kanal aus der Wolke ist in der Regel weiß" (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). Der Ionenkanal aus der Erde, der schwer zu erkennen ist, bricht zusammen, wenn er nicht auf den Ionenkanal von oben, den Blitz, trifft.
Die bekannten Phänomene der Bogenentladung, der thermischen Emission und des negativen Widerstands erklären die Stabilität der Kugelblitze. Die Temperatur der Ionenwolke und der Skineffekt bewirken die kugelförmige Gestalt. Die Energie für die Entstehung des Phänomens wird durch das atmosphärische elektrische Potenzial bereitgestellt, aber der Kugelblitz ist nicht mehr vom atmosphärischen Potenzial abhängig und ist makroskopisch elektrisch neutral. Sein Verschwinden ist auf Rekombination und Energieerhaltung zurückzuführen.
Quellen der Ionen: Es gibt auch eine Art Ionenkanal von der Erde oder von Flugzeugen, der schwer nachzuweisen ist. Von der "Erdoberfläche, insbesondere von den markanten, gebirgigen Teilen, wird ebenfalls in kleinen Schritten ein Zickzack-Strom mit positivem Vorzeichen in Richtung der Wolke initiiert, der aber nie die Wolke erreicht.
Der Strom von der Erde ist durch ein violettes, rosafarbenes Licht gekennzeichnet (eine Glut, die nur in Hochgeschwindigkeitskamerabildern zu erkennen ist). In feuchter Luft ist ein elektrisches Feld von etwa 100 kV/m erforderlich, um eine Elektronenlawine auszulösen). Der Kanal aus der Wolke ist in der Regel weiß" (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning). Der Ionenkanal aus der Erde, der schwer zu erkennen ist, bricht zusammen, wenn er nicht auf den Ionenkanal von oben, den Blitz, trifft.
Die bekannten Phänomene der Bogenentladung, der thermischen Emission und des negativen Widerstands erklären die Stabilität der Kugelblitze. Die Temperatur der Ionenwolke und der Skineffekt bewirken die kugelförmige Gestalt. Die Energie für die Entstehung des Phänomens wird durch das atmosphärische elektrische Potenzial bereitgestellt, aber der Kugelblitz ist nicht mehr vom atmosphärischen Potenzial abhängig und ist makroskopisch elektrisch neutral. Sein Verschwinden ist auf Rekombination und Energieerhaltung zurückzuführen.
Eine zusammenfassende Beschreibung des Kugelblitzes ist, dass seine Quellen schwer zu erkennende Ionenkanäle sind, die von der Erdoberfläche ausgehen. Die Ionen stammen von der Erdoberfläche, atmosphärische Spannungen erzeugen die Kanäle, und es handelt sich um instabile Phänomene, die durch Kollisionsionisation gekennzeichnet sind. Bei Gasentladungen wird das Phänomen als Koronaentladung (Glutfeuer, Elmsfeuer, https://en.wikipedia.org/wiki/St._Elmo%27s_fire, kaltes Plasma) bezeichnet und ist durch einen negativen Widerstand gekennzeichnet.
Bei ausreichend hohen atmosphärischen Spannungen verwandelt sich der Ionenkanal in einen Lichtbogen, der durch thermische Elektronenemission und wiederum negativen Widerstand gekennzeichnet ist (siehe Abbildung unten). Der Lichtbogenzustand ist ein stabiles Phänomen für einige 10 Sekunden, unabhängig von der Erdoberfläche, gemäß den Erhaltungsgesetzen. Eine starke Aufblähung (nahe 10 000 Kelvin) und der Skineffekt kennzeichnen den Kugelblitz. Vorläuferblitze sind aufgrund ihrer Ionenkanäle von der Erde oder von Flugzeugen oder möglicherweise von anderen Quellen mit hoher Kapazität eine geeignete Quelle für Kugelblitze.
Das sekundäre Vorderlicht mit Glimmentladung (https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning#cite_ref-57)
Angenommene radiale Verteilungen: Kugelgröße, Volumen und Druck sind nahezu konstant, die Anzahl der Ionen nimmt im Laufe der Zeit aufgrund von Rekombination langsam ab. Die Temperatur nimmt sowohl radial als auch im Laufe der Zeit aufgrund von Wärmeverlusten ab. Die Oberfläche kann aufgrund der niedrigeren Temperatur und der Beobachtungen durch Elektronenleuchtkraft (Glühen) gekennzeichnet sein. Ohne eine externe Energiequelle kühlt sie sich durch Verbrauch ihrer eigenen Energie ab, hat starke elektromagnetische Verluste (Licht, Wärme) und kollabiert dann unter der Zündspannung.
Oberhalb der Zündspannung ist eine thermische Ionisierung im Inneren des Lichtbogens typisch. Die Rekombination an der Oberfläche ist typisch, die Abkühlung, die Temperaturverteilung ergibt eine symmetrische Kugelform. Die radiale Dichteverteilung der Ionen bis zum und in der Nähe des Halbbogens kann maximal sein, je nachdem, wie weit die noch nicht vereinigten Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle von außen, von der Oberfläche, eindringen.
Innerhalb des kugelförmigen Glühfadens dominieren die freien Weglängen von Elektronen und positiven Ionen mit Elektronenweglängen von etwa dem 5,5-fachen. Die Kollisionen verringern die Energie der Elektronen und Ionen, und der Energieverlust durch die Kollisionen verlangsamt die Bewegung der Teilchen.
Oberhalb der Zündspannung ist eine thermische Ionisierung im Inneren des Lichtbogens typisch. Die Rekombination an der Oberfläche ist typisch, die Abkühlung, die Temperaturverteilung ergibt eine symmetrische Kugelform. Die radiale Dichteverteilung der Ionen bis zum und in der Nähe des Halbbogens kann maximal sein, je nachdem, wie weit die noch nicht vereinigten Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle von außen, von der Oberfläche, eindringen.
Innerhalb des kugelförmigen Glühfadens dominieren die freien Weglängen von Elektronen und positiven Ionen mit Elektronenweglängen von etwa dem 5,5-fachen. Die Kollisionen verringern die Energie der Elektronen und Ionen, und der Energieverlust durch die Kollisionen verlangsamt die Bewegung der Teilchen.
ÜBER DAS POLARLICHT
Der Ursprung der geladenen Teilchen des Polarlichts: Wenn die Sonnenwinde hochenergetische Elektronen und Protonen in die Nähe der Erde bringen, lenkt das Magnetfeld der Erde diese geladenen Teilchen in Richtung der Pole, wodurch sich die Richtung der Teilchen ändert. Die geladenen Teilchen folgen den magnetischen Kraftlinien in die obere Atmosphäre, wo sie mit Gasatomen (vor allem Sauerstoff und Stickstoff) zusammenstoßen; durch die Zusammenstöße werden die Gasatome angeregt (kaltes Plasma), wodurch die Gasatome Licht aussenden. Die Farbe des Polarlichts hängt von der Art des Gases und der Höhe ab, in der die Kollisionen stattfinden, z. B. ist die Farbe der Sauerstoffionen in großer Höhe anders (grün) als in geringer Höhe (gelblich, seltener rot).
Wenn wir die Farben den Temperaturen und Wellenlängen zwischen 1800K und 5600K Grad zuordnen:
Der Ursprung der geladenen Teilchen des Polarlichts: Wenn die Sonnenwinde hochenergetische Elektronen und Protonen in die Nähe der Erde bringen, lenkt das Magnetfeld der Erde diese geladenen Teilchen in Richtung der Pole, wodurch sich die Richtung der Teilchen ändert. Die geladenen Teilchen folgen den magnetischen Kraftlinien in die obere Atmosphäre, wo sie mit Gasatomen (vor allem Sauerstoff und Stickstoff) zusammenstoßen; durch die Zusammenstöße werden die Gasatome angeregt (kaltes Plasma), wodurch die Gasatome Licht aussenden. Die Farbe des Polarlichts hängt von der Art des Gases und der Höhe ab, in der die Kollisionen stattfinden, z. B. ist die Farbe der Sauerstoffionen in großer Höhe anders (grün) als in geringer Höhe (gelblich, seltener rot).
Wenn wir die Farben den Temperaturen und Wellenlängen zwischen 1800K und 5600K Grad zuordnen:
Farbtemperaturen (https://hu.wikipedia.org/wiki/Sz%C3%ADnh%C5%91m%C3%A9rs%C3%A9klet)
DIE KRONENTREFFEN
Um die Entstehung von Kugelblitzen physikalisch zu modellieren, nutzen wir ein bekanntes Phänomen, die Koronaentladung, die durch einen schwer fassbaren Ionenkanal aus der Erde verursacht wird (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge). Koronaentladung ist die lokale Ionisierung von Luft, und Koronaentladung tritt an Orten auf, an denen das elektrische Feld (Potentialgradient) die Durchschlagfestigkeit der Luft übersteigt, wobei letztere stark von der Luftfeuchtigkeit abhängt. Sie ist oft als bläuliches Glühen in der Luft sichtbar (St. Elmo-Feuer).
Es gibt zwei Arten, positive und negative Koronen. Die physikalische Funktionsweise der beiden Arten von Koronaentladungen ist grundlegend verschieden. Der Grund dafür ist, dass die Masse und die Beweglichkeit der Elektronen und der positiv geladenen Ionen sehr unterschiedlich sind. Wenn Elektronen eine Kollisionsionisation verursachen, können bei ausreichend großen Spannungsunterschieden leichter Elektronenlawinen entstehen. In einer positiven Korona bewegen sich alle Elektronen nach innen in die Ionenwolke und die Ionen werden nach außen abgestoßen, in einer negativen Korona ist das Gegenteil der Fall. Das Licht in der Korona wird durch die Rekombination von Elektronen mit positiven Ionen zu neutralen Atomen verursacht; wenn das Elektron auf sein ursprüngliches Energieniveau zurückkehrt, sendet es Photonen aus.
Bei ausreichend hohen atmosphärischen Spannungen wird der Prozess selbsterregt und unabhängig von der externen Spannung (negativer Widerstandszustand: der Strom ist konstant oder nimmt zu, während die Spannung abnimmt oder konstant ist), was eine Voraussetzung für die Stabilität eines selbsterhaltenden Plasmas.
Bei der Zündspannung der Luft sind die Elektronen bereits so energiereich, dass sie thermische Emission abgeben können (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_ionization), es entsteht der Lichtbogen. Der Lichtbogen ist durch thermische Elektronenemission gekennzeichnet, das Plasma kann mehrere ionisierte Atome enthalten und seine Temperatur steigt sprunghaft an (bis zu 10 000 K Grad).
Wenn ein kleiner Spannungsabfall (- Δ U) von einem steigenden Δ lg I Strom begleitet wird (lg bezeichnet einen Logarithmus in Zehnerschritten), handelt es sich um einen "negativen Widerstandsabschnitt" der Kennlinie. Der erste Abschnitt mit negativem Widerstand befindet sich in der Übergangsphase, in der der Strom nicht unbegrenzt ansteigt, da die Bildung positiver Ionen bei hohen Temperaturen ein energieintensiver Prozess ist. In der zweiten Stufe mit negativem Widerstand wird der ansteigende Strom nur durch die Erhaltungssätze begrenzt.
Die Stabilität des Kugelblitzes für kurze Zeiträume (≈ einige 10 Sekunden) lässt sich durch die zweite Phase des negativen Widerstands erklären, in der eine große Anzahl thermischer Elektronen gebildet und durch Rekombination im Gleichgewicht gehalten wird. Ein wesentlicher Schritt in der Argumentation ist die Analyse der Koronaentladung, die das Phänomen des negativen Widerstands im Falle der Stoßionisation leicht interpretierbar macht.
Negativer (differentieller oder dynamischer) Widerstand ist ein Phänomen in Plasmen und Halbleitern und tritt bei Vorspannungen auf, d. h. er existiert nicht bei U ≈ 0.
Spannungs-Strom-Verhältnis der elektrischen Entladung: Die selbsterhaltende Entladung ist durch Elektronenlawinen gekennzeichnet. Bei niedrigeren Spannungen gibt es keine Lichtemission (Übergangsphase, Dunkelentladung), gefolgt von einer Glimmentladung mit kollisionalen Elektronenlawinen (Glüh- und Koronaentladung: Licht wird von angeregten neutralen Atomen emittiert). Der Vorblitz ist mit einem Glühen verbunden, abnehmende Spannung mit zunehmendem Strom, negativer Widerstand mit kollisionaler Elektronenleitung, ein Ionenkanal, kein Kugelblitz. Der Prozess findet bei atmosphärischem Druck statt.
Bei ausreichend hohem Atmosphärendruck ionisieren alle Ladungsträger durch thermische Emission und entladen sich zu einer selbsterhaltenden Bogenentladung. Der Kontakt mit dem Boden wird unterbrochen, die Intensität des Stroms nimmt zu.
Die Temperatur ist ausreichend für die thermische Emission von Elektronen aus den Gasmolekülen, die Aufblähung der Kugelform oberhalb der Zündspannung und die Rekombination der Ionen an der Oberfläche. Dies ist die Phase der Hochtemperaturbogenentladung, der warme Plasmazustand, siehe Video: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
Dann, ohne externe Energiequelle, kühlt es sich ab, indem es seine eigene Energie verbraucht, der elektromagnetische Verlust (Licht, Wärme) ist stark, die Teilchen rekombinieren, die Bogenkugel kollabiert.
Negativer (differentieller oder dynamischer) Widerstand ist ein Phänomen in Plasmen und Halbleitern und tritt bei Vorspannungen auf, d. h. er existiert nicht bei U ≈ 0.
Spannungs-Strom-Verhältnis der elektrischen Entladung: Die selbsterhaltende Entladung ist durch Elektronenlawinen gekennzeichnet. Bei niedrigeren Spannungen gibt es keine Lichtemission (Übergangsphase, Dunkelentladung), gefolgt von einer Glimmentladung mit kollisionalen Elektronenlawinen (Glüh- und Koronaentladung: Licht wird von angeregten neutralen Atomen emittiert). Der Vorblitz ist mit einem Glühen verbunden, abnehmende Spannung mit zunehmendem Strom, negativer Widerstand mit kollisionaler Elektronenleitung, ein Ionenkanal, kein Kugelblitz. Der Prozess findet bei atmosphärischem Druck statt.
Bei ausreichend hohem Atmosphärendruck ionisieren alle Ladungsträger durch thermische Emission und entladen sich zu einer selbsterhaltenden Bogenentladung. Der Kontakt mit dem Boden wird unterbrochen, die Intensität des Stroms nimmt zu.
Die Temperatur ist ausreichend für die thermische Emission von Elektronen aus den Gasmolekülen, die Aufblähung der Kugelform oberhalb der Zündspannung und die Rekombination der Ionen an der Oberfläche. Dies ist die Phase der Hochtemperaturbogenentladung, der warme Plasmazustand, siehe Video: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE.
Dann, ohne externe Energiequelle, kühlt es sich ab, indem es seine eigene Energie verbraucht, der elektromagnetische Verlust (Licht, Wärme) ist stark, die Teilchen rekombinieren, die Bogenkugel kollabiert.
Kennlinie einer elektrischen Entladung (In Neongas über einen weiten Strombereich. Der Druck beträgt 1 Torr, der Elektrodenabstand 50 cm, https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases)
A: Zufallsimpulse durch kosmische Strahlung
B: Sättigungsstrom
C: Avalanche-Townsend-Entladung
D: selbsterhaltende Townsend-Entladung
E: instabiler Bereich: Koronaentladung (und F: der Strom steigt auch, wenn die Spannung sinkt!)
F: subnormale Glimmentladung
G: normale Glimmentladung
H: anormale Glimmentladung
I: instabiler Bereich: Glühlichtbogenübergang (und Punkt J: der Strom steigt auch, wenn die Spannung sinkt!)
J: Lichtbogen
K: elektrischer Lichtbogen
B: Sättigungsstrom
C: Avalanche-Townsend-Entladung
D: selbsterhaltende Townsend-Entladung
E: instabiler Bereich: Koronaentladung (und F: der Strom steigt auch, wenn die Spannung sinkt!)
F: subnormale Glimmentladung
G: normale Glimmentladung
H: anormale Glimmentladung
I: instabiler Bereich: Glühlichtbogenübergang (und Punkt J: der Strom steigt auch, wenn die Spannung sinkt!)
J: Lichtbogen
K: elektrischer Lichtbogen
Der Bereich A-D wird als Dunkelentladung bezeichnet; es findet eine gewisse Ionisierung statt, aber der Strom liegt unter 10 Mikroampere und es wird keine nennenswerte Strahlung erzeugt.
Der Bereich F-H ist eine Glimmentladung; das Plasma strahlt ein schwaches Glühen aus, das fast das gesamte Volumen der Röhre einnimmt; das meiste Licht wird von angeregten neutralen Atomen emittiert.
Der Bereich I-K ist ein Bereich der Bogenentladung; das Plasma konzentriert sich in einem schmalen Kanal in der Mitte der Röhre; es wird eine große Menge an Strahlung erzeugt, (https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases).
Der Bereich F-H ist eine Glimmentladung; das Plasma strahlt ein schwaches Glühen aus, das fast das gesamte Volumen der Röhre einnimmt; das meiste Licht wird von angeregten neutralen Atomen emittiert.
Der Bereich I-K ist ein Bereich der Bogenentladung; das Plasma konzentriert sich in einem schmalen Kanal in der Mitte der Röhre; es wird eine große Menge an Strahlung erzeugt, (https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_discharge_in_gases).
*Literaturübersicht (Liste): Kugelblitze sind kein ungewöhnliches Phänomen, und es wurden zahlreiche - wenn auch manchmal unsichere - Beobachtungen veröffentlicht:
- Geschichte der Beobachtungen Keul, A. G.: A brief history of ball lightning observations by scientists and trained professionals, Hist. Geo Space Sci., 12, 43-56, https://doi.org/10.5194/hgss-12-43-2021, 2021.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning,
- https://hu.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6mbvill%C3%A1m,
- https://anyanyelvcsavar.blog.hu/2018/07/20/a_villamok_nepi_osztalyozasa_kulonos_tekintettel_a_gombvillamra
- https://www.britannica.com/story/does-ball-lightning-exist.
- Koronaentladung (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge): Die Koronaentladung (oder stille Entladung) ist eine Form des elektrischen Stroms, die in Gasen bei normalem Atmosphärendruck in Gegenwart eines starken, inhomogenen elektrischen Feldes auftritt, wenn der Spannungsgradient an einem Punkt der elektrisch geladenen Oberfläche den Wert übersteigt, der erforderlich ist, um das Gas unter den spezifischen Bedingungen zu ionisieren, aber nicht die Durchbruchspannung übersteigt (im letzteren Fall eine "laute" Entladung: Funkenbildung oder Lichtbogen). Bei einer Koronaentladung wird das Gas in unmittelbarer Nähe ionisiert und elektrisch leitfähig, es entsteht ein so genanntes "kaltes Plasma"; das weiter entfernte Gas bleibt in seinem ursprünglichen Zustand. Eine typische Begleiterscheinung ist das schwache, glühende Licht (eine bläulich-weiße oder rötliche Farbe in der Erdatmosphäre, je nach Polarität, meist nur im Dunkeln sichtbar) und ein zischendes, tiefes Knistern (https://hu.wikipedia.org/wiki/Koronakis%C3%BCl%C3%A9s). Elektrische Merkmale sind geringe Stromstärke bei relativ hoher elektrischer Spannung und keine Funkenbildung https://hu.wikipedia.org/wiki/Szent_Elmo_t%C3%BCze (im Gegensatz dazu ist ein elektrischer Funke ein scharfes, blendendes Licht und ein lautes Geräusch - siehe z. B. Blitz).
- Nicola Tesla hat möglicherweise Kugelblitze (https://en.wikipedia.org/wiki/Colorado_Springs_Notes,_1899%E2%80%931900) mit Hilfe von Hochspannungs- und Hochfrequenzgeräten erzeugt.
- Am Max-Planck-Institut (https://phys.org/news/2006-06-physicists-ball-lightning-lab.html) wurde ein Plasma mit einem Hochstrombogen erzeugt, allerdings nur für eine sehr kurze Zeit im Vergleich zur Lebensdauer eines Kugelblitzes.
- Forscher in Brasilien und Neuseeland haben mit der Verdampfung von Silizium experimentiert (https://index.hu/tudomany/villam070112/, http://aparadox.hupont.hu/19/05-brazil-gombvillam). Es wurden auch Experimente zur Erzeugung von Mikrowellen durchgeführt (https://www.nature.com/articles/srep28263).
- Geschichte der Beobachtungen Keul, A. G.: A brief history of ball lightning observations by scientists and trained professionals, Hist. Geo Space Sci., 12, 43-56, https://doi.org/10.5194/hgss-12-43-2021, 2021.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning,
- https://hu.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6mbvill%C3%A1m,
- https://anyanyelvcsavar.blog.hu/2018/07/20/a_villamok_nepi_osztalyozasa_kulonos_tekintettel_a_gombvillamra
- https://www.britannica.com/story/does-ball-lightning-exist.
- Koronaentladung (https://en.wikipedia.org/wiki/Corona_discharge): Die Koronaentladung (oder stille Entladung) ist eine Form des elektrischen Stroms, die in Gasen bei normalem Atmosphärendruck in Gegenwart eines starken, inhomogenen elektrischen Feldes auftritt, wenn der Spannungsgradient an einem Punkt der elektrisch geladenen Oberfläche den Wert übersteigt, der erforderlich ist, um das Gas unter den spezifischen Bedingungen zu ionisieren, aber nicht die Durchbruchspannung übersteigt (im letzteren Fall eine "laute" Entladung: Funkenbildung oder Lichtbogen). Bei einer Koronaentladung wird das Gas in unmittelbarer Nähe ionisiert und elektrisch leitfähig, es entsteht ein so genanntes "kaltes Plasma"; das weiter entfernte Gas bleibt in seinem ursprünglichen Zustand. Eine typische Begleiterscheinung ist das schwache, glühende Licht (eine bläulich-weiße oder rötliche Farbe in der Erdatmosphäre, je nach Polarität, meist nur im Dunkeln sichtbar) und ein zischendes, tiefes Knistern (https://hu.wikipedia.org/wiki/Koronakis%C3%BCl%C3%A9s). Elektrische Merkmale sind geringe Stromstärke bei relativ hoher elektrischer Spannung und keine Funkenbildung https://hu.wikipedia.org/wiki/Szent_Elmo_t%C3%BCze (im Gegensatz dazu ist ein elektrischer Funke ein scharfes, blendendes Licht und ein lautes Geräusch - siehe z. B. Blitz).
- Nicola Tesla hat möglicherweise Kugelblitze (https://en.wikipedia.org/wiki/Colorado_Springs_Notes,_1899%E2%80%931900) mit Hilfe von Hochspannungs- und Hochfrequenzgeräten erzeugt.
- Am Max-Planck-Institut (https://phys.org/news/2006-06-physicists-ball-lightning-lab.html) wurde ein Plasma mit einem Hochstrombogen erzeugt, allerdings nur für eine sehr kurze Zeit im Vergleich zur Lebensdauer eines Kugelblitzes.
- Forscher in Brasilien und Neuseeland haben mit der Verdampfung von Silizium experimentiert (https://index.hu/tudomany/villam070112/, http://aparadox.hupont.hu/19/05-brazil-gombvillam). Es wurden auch Experimente zur Erzeugung von Mikrowellen durchgeführt (https://www.nature.com/articles/srep28263).
- Kapitza (Kapitza, P. L., Doklady, U.S.S.R. (1955) und https://www.nature.com/articles/185449a0) beschreibt sphärische Blitze als elektromagnetische stehende Wellen, die Resonanz einer leitenden ionisierten Plasmakugel, die auftritt, wenn die Wellenlänge der Strahlung etwa das Vierfache des Durchmessers des Feuerballs beträgt. Der Ursprung des Kraftfeldes, das die Ionen zusammenhält, ist nach Kapitza eine elektromagnetische stehende Welle, die im Durchschnitt ein virtuelles Potentialminimum erzeugt. Kapitzas Idee wurde in den letzten 70 Jahren nicht allgemein akzeptiert, zu seinem Leben siehe https://tudosnaptar.kfki.hu/k/a/kapica/kapica.html. Zur Berechnung des Potentialminimums siehe z.B. (Silberg, P.A. On the formation of ball lightning. Il Nuovo Cimento C4, 221-235 (1981), https://doi.org/10.1007/BF02507400 und https://pubs.aip.org/aip/jap/article-abstract/32/1/30/162547/On-the-Question-of-Ball-Lightning?redirectedFrom=fulltext).
- Tibor Neugebauer (Fizikai Szemle, The Theory of Ball Lightning / NeugebauerTibor = Vol. 25, 1975, S. 49) beschreibt eine quantentheoretische Idee, die auf der Austauschwechselwirkung beruht, die aber nicht allgemein akzeptiert wurde und schwer zugänglich ist,
- Es gibt auch eine Reihe von Ideen, die nicht ernst genommen werden können und sollten.
- (https://web.archive.org/web/20050224120205/http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2000/0015/21.html)
- Tibor Neugebauer (Fizikai Szemle, The Theory of Ball Lightning / NeugebauerTibor = Vol. 25, 1975, S. 49) beschreibt eine quantentheoretische Idee, die auf der Austauschwechselwirkung beruht, die aber nicht allgemein akzeptiert wurde und schwer zugänglich ist,
- Es gibt auch eine Reihe von Ideen, die nicht ernst genommen werden können und sollten.
- (https://web.archive.org/web/20050224120205/http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2000/0015/21.html)
**Überwachte Merkmale (Liste, https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning):
- Video: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE,
- Schweben auf einer unregelmäßigen Umlaufbahn, ("Wurm"), Trudeln, Rollen,
- Wracks, wenn auch nicht immer,
- tritt oft in Gewittern auf, aber nicht ausschließlich, wenn auch häufiger in Gewittern,
- kann sich gegen den Wind bewegen, Geschwindigkeiten von 1-2 m/sec,
- brennt ein Loch in Trennwände, geht manchmal spurlos durch.
- Kugelblitze werden durch transparente, opalisierende undurchsichtige Ränder beschrieben. Sie werden als mehrfarbige, gleichmäßig leuchtende, strahlende Flammen, Fäden oder Funken beschrieben, die in ihrer Form von kugelförmig, oval, tropfenförmig und selten scheibenförmig variieren,
- Sie verschwinden plötzlich, lösen sich allmählich auf oder werden von einem Objekt verschlungen, "knallen", explodieren laut, platzen sogar mit Wucht und verursachen schwere Schäden. Die Berichte über ihre angebliche Gefährlichkeit für den Menschen variieren ebenfalls, von tödlich bis harmlos. Häufig wird von Gerüchen berichtet, die an Ozon, brennenden Schwefel oder Stickoxide erinnern.
- Sie haben einen Durchmesser von 1 bis 100 cm, meist jedoch um die 10 cm,
- Es wurde ein breites Farbspektrum beobachtet, wobei die häufigsten Farben rot, orange und gelb sind, selten bläulich, meist opalisierend.
- Ihre Lebensdauer beträgt zwischen einer Sekunde und mehr als einer Minute, und die Helligkeit bleibt während dieser Zeit relativ konstant,
- Video: https://www.youtube.com/watch?v=1bBNeyrMOJE,
- Schweben auf einer unregelmäßigen Umlaufbahn, ("Wurm"), Trudeln, Rollen,
- Wracks, wenn auch nicht immer,
- tritt oft in Gewittern auf, aber nicht ausschließlich, wenn auch häufiger in Gewittern,
- kann sich gegen den Wind bewegen, Geschwindigkeiten von 1-2 m/sec,
- brennt ein Loch in Trennwände, geht manchmal spurlos durch.
- Kugelblitze werden durch transparente, opalisierende undurchsichtige Ränder beschrieben. Sie werden als mehrfarbige, gleichmäßig leuchtende, strahlende Flammen, Fäden oder Funken beschrieben, die in ihrer Form von kugelförmig, oval, tropfenförmig und selten scheibenförmig variieren,
- Sie verschwinden plötzlich, lösen sich allmählich auf oder werden von einem Objekt verschlungen, "knallen", explodieren laut, platzen sogar mit Wucht und verursachen schwere Schäden. Die Berichte über ihre angebliche Gefährlichkeit für den Menschen variieren ebenfalls, von tödlich bis harmlos. Häufig wird von Gerüchen berichtet, die an Ozon, brennenden Schwefel oder Stickoxide erinnern.
- Sie haben einen Durchmesser von 1 bis 100 cm, meist jedoch um die 10 cm,
- Es wurde ein breites Farbspektrum beobachtet, wobei die häufigsten Farben rot, orange und gelb sind, selten bläulich, meist opalisierend.
- Ihre Lebensdauer beträgt zwischen einer Sekunde und mehr als einer Minute, und die Helligkeit bleibt während dieser Zeit relativ konstant,
- Beobachter berichten selten von einem Hitzegefühl, aber sie verbrennt jeden Gegenstand, mit dem sie in Berührung kommt. In einigen Fällen wurde das Verschwinden der Sphäre von der Freisetzung starker Hitze begleitet.
- Einige Kugeln werden von Metallobjekten angezogen und bewegen sich entlang von Leitern wie Drähten oder Metallzäunen.
- Einige sind ohne Vorwarnung in Gebäuden aufgetaucht und durch geschlossene Türen und Fenster hindurchgegangen, und sie sind in Metallflugzeugen aufgetaucht und haben diese ohne Schaden wieder verlassen.
- Mögliche Spektren: Silizium-, Kalzium-, Eisen-, Stickstoff- und Sauerstoff-Emissionslinien wurden bei einer chinesischen Spektralmessung aus großer Entfernung beobachtet, wahrscheinlich teilweise durch Verschmutzung.
- Einige sind ohne Vorwarnung in Gebäuden aufgetaucht und durch geschlossene Türen und Fenster hindurchgegangen, und sie sind in Metallflugzeugen aufgetaucht und haben diese ohne Schaden wieder verlassen.
- Mögliche Spektren: Silizium-, Kalzium-, Eisen-, Stickstoff- und Sauerstoff-Emissionslinien wurden bei einer chinesischen Spektralmessung aus großer Entfernung beobachtet, wahrscheinlich teilweise durch Verschmutzung.