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Spannungsdurchschlag


Physik


Basiswissen


Zwischen zwei Polen einer Spannungsquelle befindet sich ein elektrischer Isolator oder Vakuum. Ab einer gewissen Spannung springt ein Funke über oder es entsteht ein dauerhafter Lichtbogen (blitzartig). Dieses Phänomen nennt man Spannungsdurchschlag, kurz auch nur Durchschlag[1] oder auch Durchbruch[2]. Das ist hier näher erklärt.

Bei Luft als Isolator


Man stelle sich zwei Metallplatten im Abstand von 1 Zentimeter vor. Zwischen ihnen befindet sich Luft bei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von einem Bar. Liegt zwischen den Platten keine oder eine geringe elektrische Spannung (Volt) an, sind die Luftmoleküle elektrisch neutral. Sie können damit nicht als Ladungsträger (Stromteilchen) wirken. Aber einer gewissen Spannung, hier etwa 30 Tausend Volt für jeden Zentimeter Abstand, entsprechen einer elektrischen Feldstärke von etwa 3 Millionen Newton pro Coulomb[2, Seite 504], werden die Elektronen von den Luftmolekülen gelöst und plötzlich gibt es freie Ladungsträger. Damit kein ein Strom zwischen den Platten fließen, der oft als Funker oder Lichtbogen sichtbar wird. Die kleinste Spannung, bei der das passiert ist die Durchschlagspannung.

Als Vakuumdurchschlag


Auch im Vakuum kann ein elektrischer Durchschlag zwischen zwei benachbarten metallischen Leitern mit hoher Potentialdifferenz auftreten. Da im Vakuum kein Isolationsmaterial zwischen den Leitern vorhanden ist, das ionisiert werden könnte, wird der Durchschlag von Elektronen eingeleitet, die die Potentialbarriere (Austrittsarbeit) aus dem Metall zufolge der hohen elektrischen Feldstärke zwischen den Leitern überwinden (Feldemission). Diese Energien liegen bei Kupfer bei etwa 4,5 eV – dies entspricht elektrischen Feldstärken von ungefähr 1 MV/mm. Dies ist eine obere Grenze und nur bei ideal glatten Oberflächen des elektrischen Leiters der Fall. Siehe auch unter Feldemission ↗

Reale Unfälle


Am 10. Juni 2021, gegen 19.00 Uhr abends hörte ein Passant am Nürnberger Rangierbahnhof laute Schreie: ein 12-jähriges Mädchen war auf das Dach eines Eisenbahnwaggons geklettert. Darüber befand sich eine Hochspannungsleitung mit einer elektrischen Spannung von 15 Tausend Volt. Es kam zu einem Spannungsdurchschlag, das Mädchen wurde vom Dach auf den Gleisschotter geschleudert. Mit lebensgefährlichen Verbrennungen wurde es später per Hubschrauber in eine Klinik nach München transportiert. Eine Annäherung von bereits einem Meter kann lebensgefährlich sein[3]. Immer wieder kommt es zu ähnlichen solchen Unfällen, nicht selten mit tödlichem Ausgang[4].

Fußnoten




Luft wird plötzlich leitend, hier zwischen einer selbtgebauten Teslaspule und einer Neonleuchte: Luft hat eine Durchschlagfestigkeit von rund 0,1 kV pro mm. Bei einer geschätzen Funkenläne von etwa 200 Millimetern muss die Spannung in der Größenordnung von 20 Tausend Volt liegen. Teslaspulen können Spannung zu einigen Megavolt erzeugen, die Schätzung ist damit plausibel. AirArcs (Wikimedia)