Was ist Plasma?

Unter Plasma versteht man ein Gas, das leuchtet, und es ist überall in Natur und Technik zu finden. Beispiele hierfür sind unsere Sonne, Blitze, Plasmalampen, Energiesparlampen und Plasmabildschirme. Ein Plasma entsteht immer denn, wenn man einem Gas so viel Energie zuführt, dass eine kritische Anzahl von Elektronen die Atomhüllen verlässt.

Plasma: ein heißes, leuchtendes Gas

Das Ergebnis ist ein Gemisch aus positiv geladenen Ionen, umgeben von freien Elektronen. Werden die freien Elektronen von den Ionen wieder eingefangen, geben diese die zuvor aufgenommene Energie in Form von Strahlung ab. Infolgedessen beginnt das Plasma ganz wunderbar zu leuchten. Was Plasma genau ist, welche Farbe es annehmen kann und wie es entsteht, erfahren Sie im Folgenden:

Plasma als der vierte Aggregatzustand
Welche Farbe kann Plasma annehmen?
Wie entsteht Plasma?
Die Erfindung der Geißler-Röhre und der Plasmalampe
Plasma in der Natur: Polarlichter und Blitze
Plasma in der Technik: Plasma-Bildschirme und Neonröhren
Video zu Polarlichtern von National Geographic

Der vierte Aggregatzustand

Plasma wird häufig als der vierte Aggregatzustand bezeichnet, da die so zerlegte Materie eine Vielzahl neuer Eigenschaften besitzt. Ein solches ionisiertes Gas ist insbesondere elektrisch leitfähig. Tatsächlich ist Plasma sogar viel häufiger anzutreffen als die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig. Der Grund: Sterne bestehen überwiegend aus Plasma – und damit fast die gesamte sichtbare Materie im Universum.

Welche Farbe kann Plasma annehmen?

Die Farbe des Plasmas hängt davon ab, welche Gase beziehungsweise Elemente vorliegen. Die Elemente Sauerstoff und Stickstoff leuchten zum Beispiel grünlich und rot sowie blau und violett. Dies kann man schön an Polarlichtern beobachten. Dazu gibt es ein wunderschönes Video weiter unten. In Plasmakugeln hingegen kommen vorwiegend Edelgase zum Einsatz, die ebenfalls charakteristische Leuchtfarben aufweisen. Beispiele für verschiedene Edelgase mit den dazugehörigen Leuchtfarben sind etwa:

Helium – Leuchtfarbe gelb-orange
Xenon – Leuchtfarbe violett
Argon – Leuchtfarbe blau
Krypton – Leuchtfarbe gelb-grün
Neon – Leuchtfarbe orange-rot

Auch in Leuchtröhren wird ein Gas zum Leuchten angeregt. Ein altbekanntes Beispiel sind orangerote Neonleuchten, die man früher wie heute zu Reklamezwecken einsetzt. Sieht man bei einem Gewitter einen Blitz am Himmel aufleuchten, so schaut man ebenfalls auf Plasma. Die Farbe eines Blitzes erleben wir normalerweise als bläulich-weiß. Der Grund: Die Atmosphäre der Erde besteht zu fast 80 Prozent aus Stickstoff, dessen Leuchtfarbe bläulich-violett ist. Hinzu kommen die extrem hohen Temperaturen, die in einem Blitz entstehen können. Dies verschiebt das Farbspektrum in Richtung weiß(-glühend).

Wie entsteht Plasma?

Wird ein Gas „gezündet“, so dass Strom durch dieses hindurchfließt, spricht man auch von „Gasentladung“. Es gibt verschiedene Wege, Gas so viel Energie zuzuführen, dass es zündet bzw. ionisiert. Man kann es etwa extrem erhitzen. Dies geschieht zum Beispiel in Sternen. So ist auch unsere Sonne nichts anderes als ein gigantischer Plasmaball.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Hochspannung anzulegen. Ein Beispiel aus der Natur sind Blitze. Hier entsteht Plasma durch einen Potenzialunterschied zwischen Erde und Wolken von mehreren zehn Millionen Volt. Ein Beispiel, in dem Plasma durch hohe Spannungen künstlich entsteht, ist die Jacob’s Ladder. Für praktische Anwendungen kann man auch eine hochfrequente Wechselspannung verwenden wie etwa bei einer Plasmalampe. Mehr zum Thema Plasmalampe sind auf dieser Seite zu finden.

Je nach Vorkommen bzw. Entstehung sowie vorherrschender Temperatur und Druck lassen sich dabei verschiedene Plasmen unterscheiden.  So spricht man etwa von Nieder-, Hoch- und Atmosphärendruckplasma sowie von heißem und kalten Plasma.

Verrückte Experimente dazu, etwa wie man Plasma in der Mikrowelle selbst herstellen kann, sind auf dieser Seite zu finden.

Die Erfindung der Geißler-Röhre und der Plasmalampe

Besonders verdient gemacht um das Thema Gasentladung hatte sich Mitte bis Ende des 19. Jahrhunderts der Glasbläser und Apparatebauer Johann Heinrich Geißler (1814 bis 1879).  Schon früher hatte es Forschung auf dem Gebiet der Gasentladung gegeben, etwa durch den englischen Naturforscher Michael Faraday.

Geißler jedoch perfektionierte die Gasentladungslampen, die nach ihm noch heute Geißler-Röhren genannt werden. Sie bestehen aus einer evakuierten Glasröhre, die man unter niedrigem Druck mit einem Gas befüllt. An den Enden der Glasföhre befindet sich jeweils eine Elektrode. Legt man an diese eine Hochspannung an, entsteht ein Plasma und das Gas beginnt zu leuchten. Auf dem Foto ist ein Beispiel für eine Geissler-Röhre zu sehen. Sie ist jüngeren Datums und stammt vom Glasapparatebaumeister Lutz Neumann aus Cursdorf.

Fachliche Unterstützung erhielt Geißler vom Mathematiker und Physiker Julius Pflücker (1801 – 1868). Dessen Forschungsschwerpunkt lag ab 1857 auf dem Thema elektrische Entladung und so entstand in diesen Jahren in Bonn ein reger Austausch zwischen Geißler und Pflücker. Eine erste Veröffentlichung Pflückers zum Thema Gasentladung und Geißler-Röhre erschien 1858 unter dem Titel: „Ueber die Einwirkung des Magneten auf die elektrischen Entladungen in verdünnten Gasen“. Geißlers Verdienste werden darin ausführlich gewürdigt.

Geißler selbst hatte offenbar Spaß an seinen Gasentladungslampen, denn er setzte allerlei Gase ein, variierte die Drücke und stellte seine Röhren in den verschiedensten Formen her. Das war Ende des 19. Jahrhunderts. Die Geißler-Röhren dienten damals vorwiegend Unterhaltungszwecken und wurden schon nach kurzer Zeit wie auch Geißler selbst über Deutschlands Grenzen hinaus berühmt. Damals wie heute war Niederdruckplasma ein Phänomen, das durch seine Schönheit begeistert.

Eine weitere wichtige Erfindung im Kontext der Geißler-Röhre stammte vom Physiker Nikola Tesla. Er hatte den Tesla-Transformator entwickelt, mit dem sich hochfrequente Wechselspannung erzeugen lässt. So konnte er Geißler-Röhren drahtlos zum Leuchten bringen. Das war damals eine Sensation. Eine berühmte erste Vorführung dieses Effektes vor größeren Publikum fand 1891 an der Columbia University in New York statt. Man könnte dies die Geburtsstunde der heutigen Plasmalampe nennen.

Plasma in der Natur: Was sind Polarlichter und wie entstehen Blitze?

In dem Video von National Geographic sind Polarlichter zu sehen (s. unten). Sie wurden in Norwegen aufgenommen – es handelt sich also um Nord- (Aurora borealis) und nicht um Südlichter (Aurora australis). Das Himmelsleuchten wird durch die Sonnenwinde verursacht, denen die Erde beständig ausgesetzt ist. Diese Sonnenwinde sind nichts anderes als Plasma, bestehend aus Elektronen und Protonen. Die Teilchen treffen auf das Erdmagnetfeld auf und regen hauptsächlich an den Polkappen die Luftmoleküle der oberen Erdatmosphäre an und ionisieren sie. Werden Sauerstoffatome angeregt, leuchten sie grün oder rot. Stickstoffatome senden blaues oder violettfarbenes Licht aus.

Plasma in der Technik: Plasma-Bildschirme und Neonröhren

In Plasmabildschirmen verwendet man verschiedenfarbig leuchtende Gase, um Fernsehbilder zu erzeugen. Der Bildschirm besteht aus einer Vielzahl kleinster Kammern. Sie enthalten verschiedene Gase, die bei Anregung entweder rot, grün oder blau leuchten. Drei dieser Farbkammern ergeben jeweils einen Bildpunkt, der durch Überlagerung der drei Grundfarben jede beliebige Farbe annehmen kann. Die Gase werden ionisiert, indem man sie für bestimmte Zeitabstände zündet.

Nicht viel anders funktionieren übrigens Neonröhren. Sie benötigen zum Zünden eine hohe Spannung. Danach sinkt der elektrische Widerstand des Gases etwas, sodass der Strom auch bei einer geringeren Spannung aufrechterhalten bleibt. Es herrscht dann ein Gleichgewicht zwischen Elektronen, die von Atomen durch Stoßionisation emittiert und dann wieder eingefangen werden. In solchen Leuchtröhren wird neben Neon auch Helium und andere Edelgase eingesetzt. In Leuchtröhren und Plasmalampen liegt ein kaltes Plasma vor.

Quellen zum Text „Was ist Plasma?“:

Seite „Polarlicht“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 27. Februar 2023, 11:39 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Polarlicht&oldid=231301382 (Abgerufen: 9. März 2023, 12:48 UTC)

Seite „Leuchtröhre“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 23. Dezember 2022, 14:17 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Leuchtr%C3%B6hre&oldid=229125717 (Abgerufen: 9. März 2023, 12:57 UTC)

Seite „Plasma (Physik)“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 29. Januar 2023, 14:56 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_(Physik)&oldid=230335111 (Abgerufen: 9. März 2023, 13:06 UTC)

Dörfel, G., Müller, F. 1857 – Julius Plücker, Heinrich Geißler und der Beginn systematischer Gasentladungsforschung in Deutschland. N.T.M. 14, 26–45 (2006). https://doi.org/10.1007/s00048-005-0225-3

Zusammensetzung der Atmosphäre beim DWD
Videos (s. oben)