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Wie funktioniert die Lichtbogen-Lampe ? (aus 1947)

Der Lichtbogen im Kino stark gefiltert

Bei der deutschen Nachkriegsgeneration (nach 1945) war die Lichtbogenlampe mit sogenannten Kohlen (es sind runde Kohle- stäbe) nur noch beim Film und im Kino bekannt. Dort wurden extreme Helligkeiten mit möglichst "schneeweißer" Farbtemperatur benötigt. Und bevor es die Xenon-Lampe gab, war die sogenannte Bogenlampe konkurrenzlos. Wie komplex und difizil diese Technik war und ist, wurde seltenst klar. Professor Dr. Wolfgang Ernst Finkelnburg hat das bis 1947 bekannte Wissen in seinem Buch sehr ausführlich beschrieben.

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Fortsetzung
IV. Die physikalischen Eigenschaften des Hochstromkohle- (Licht-) bogens.

Jetzt sind Sie im extrem technisch wissenschatlichen Bereich angekommen. Hier wird es sehr anspruchsvoll vom Verständnis und vom Durchblick.
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A. Elektrische Eigenschaften.

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2. Anodenfall und Potentialverteilung im Bogen.

In Ergänzung der Messungen von Kennlinien, die die Abhängigkeit der gesamten Bogenspannung von der Stromstärke und den übrigen Bedingungen zeigen, geben die Messungen der Potentialverteilung Aufschluß über die Verteilung des gesamten Spannungsabfalls auf die verschiedenen Bogengebiete.

a) Die Methode der Potentialmessung.

Zur Potentialmessung haben wir (16) eine Sondenmethode benutzt, bei der der ganze Bogen mit einer Kohlensonde abgetastet und für jeden Ort die Potentialdifferenz gegen die Anode oder Kathode gemessen wurde.

Abb. 16 zeigt eine dabei von uns verwendete Anordnung, bei der die Sonde durch Schraube und Kardanwelle verschoben werden konnte. Durch Versuche wurde festgestellt, daß Größe und Form der Spitze der Kohlesonde auf das Meßresultat innerhalb der Meßgenauigkeit von ±0,5 Volt keinen Einfluß haben; selbst das Anwachsen eines Kohlepilzes (vgl. S. 129) an der Sondenspitze beeinflußte die Ergebnisse nicht merklich. Dagegen wird die Bogenentladung selbst durch das Einbringen der Sonde wohl infolge der Kühlung beeinflußt, was sich durch eine Erhöhung der gesamten Brennspannung um etwa 3 Volt anzeigte.

Keine eingehende Diskussion - nur Bemerkungen

Auf eine eingehende Diskussion, welches genaue Potential eine Sonde anzeigt, die gemäß Abb. 17 Bogengebiete verschiedenen Potentials durchsetzt, müssen wir hier verzichten und uns mit ein paar Bemerkungen begnügen. Theoretisch müßte die Sonde einen schwer zu bestimmenden Mittelwert der Potentiale von A und B anzeigen, doch glauben wir, daß der tatsächlich angezeigte Wert praktisch mit dem von A zusammenfällt, jedenfalls wenn das elektrische Leitvermögen der Sonde (wie bei uns im Beckbogen) groß ist gegenüber dem des umgebenden Plasmas.

Die Sonde wird dann nämlich das Potential desjenigen Plasmapunktes annehmen, der einerseits den besseren elektrischen Kontakt mit ihr und andererseits das höhere elektrische Leitvermögen besitzt. Letzteres ist wichtig zum Ersatz der dem Plasma durch die Sonde entzogenen Ladungsträger.

Erklärung der Potentiale von A und B

Durch beide Eigenschaften ist aber der Punkt A ausgezeichnet, weil hier einerseits die Temperatur und damit das Leitvermögen wesentlich höher ist als bei B, und weil andererseits bei A der Anodendampfstrahl durch sein Blasen einen besonders innigen thermischen wie elektrischen Kontakt zwischen Plasma und Sonde erzeugt. Sehen wir von dem später zu diskutierenden Sonderfall ab, daß die Sonde die kontrahierte Säule durchsetzt, so wird sie also stets das Potential des anodennächsten Punktes anzeigen und sich daher besonders zu Anoclenfallmessungen gut eignen.

Die mit der Sonde gegen die Klemme der Positivkohle gemessenen Potentialwerte müssen noch korrigiert werden, um wirklich die Differenz des Raumpotentials einer bestimmten Bogenstelle gegen das Potential des positiven Kraters zu geben. Erstens muß wie bei den Brennspannungs-messungen der Spannungsabt all längs der positiven Kohle abgezogen werden, und das geschieht wie auf S. 29 bereits beschrieben.

Die Potentialdifferenzen sind wichtiger als die Absolutpotentiale

Zweitens aber lädt sich die Potentialsonde in einem Plasma der Elektronentemperatur T wegen der größeren thermischen Geschwindigkeit der Elektronen verglichen mit der der Ionen um einen bestimmten Betrag negativ gegen die Umgebung auf.

Um diesen Betrag, der bei den Verhältnissen in der Anodenflamme (T = 6000° - 8000° K) 1-2 Volt beträgt, wurden die Meßwerte ebenfalls korrigiert.

Wegen der trotzdem gegen die Sondenmethode vielleicht noch bestehenden Bedenken sei betont, daß es sich bei unseren Messungen weniger um die Bestimmung von Absolutpotentialen als vielmehr von Potentialdifferenzen zwischen verschiedenen Bogengebieten oder um Änderungen von Potentialdifferenzen bei Änderung der Stromstärke handelt.

Diese Differenzen aber dürften, da die verglichenen Plasmatemperaturen um weit weniger als 8ooo° verschieden sind, mit Sicherheit auf ± 1 Volt genau erfaßt werden.

b) Die Potentialverteilung im Bogen.

Abb. 18 zeigt an einem Beispiel die durch Sondenmessungen ermittelte Potentialverteilung in einem Beckbogen nach Messungen im Siemens-Schuckert-Werk in Nürnberg. Als wesentlichstes Ergebnis interessiert die zuerst vom Verfasser (16) gefundene Tatsache, daß die gesamte Anodenflamme innerhalb der Meßgenauigkeit gleiches Potential besitzt, und zwar in diesem speziellen Fall 35 Volt negativ gegen die Anode.

Der Hauptteil dieser Potentialdifferenz liegt über einer unmeßbar kleinen Strecke dicht vor dem positiven Krater, stellt also den Anodenfall des Bogens dar. In den an das Anodenfallgebiet anschließenden nächsten Millimetern der Anodenflamme ist nach unseren Messungen aber auch noch ein einem Gradienten von 30-50 Volt/cm entsprechender Spannungsabfall vorhanden. Dieser Teil der Anodenflamme ist ja nach S. 15 an der Stromleitung beteiligt und bildet die turbulente Säule.

In der ganzen Bogensäule nimmt dann das Potential in Richtung auf die Kathode hin ständig zu, während dicht vor der negativen Spitze wieder ein Potentialsprung (Kathodenfall) liegt, dessen Größe wregen der hier durch das Einbringen der Sonde bewirkten beträchtlichen Störung noch nicht genau gemessen werden konnte. Nach Heatly und Soanes (44) soll er etwa 14 Volt betragen, doch scheint uns dieser Wert sehr hoch. Zur Messung des Spannungsabfalls je cm Säulenlänge, d. h. des Säulengradienten eignet sich unsere Sondenmethode wegen der Empfindlichkeit der kontrahierten Säule nicht gut.

Messungen der Bogenspannung in Abhängigkeit von der Bogenlänge scheinen hier ein besseres Bild zu geben (vgl. Abb. 109). Genauere Untersuchungen sind aber über Kathodenfall und Säulengradient dringend erforderlich.

c) Ergebnisse der Anodenfallmessungen.

Von besonderem Interesse ist die Größe des als Anodenfall bezeichneten Potentialsprungs dicht vor dem positiven Krater, weil von ihm die dem Krater je Sekunde zugeführte Energie abhängt.

Nach S. 35 sollte dieser Anodenfall ja auch für den Anstieg der Kennlinie, d. h. der gesamten Bogenspannung, verantwortlich sein. Es wurden deshalb Messungen des Anodenfalls in Abhängigkeit von der Stromstärke für verschiedenartige Hochstromkohlen mit der S. 36 beschriebenen Sondenanordnung ausgeführt.

Dabei stellte sich heraus, daß die Dicke des Anodenfallgebiets sicher unter 1mm liegt, ihr genauer Wert aber mit der verwandten Methode nicht ermittelt wrerden kann.

Einige Ergebnisse von Anodenfallmessungen an drei verschiedenen Beckkohlen und einer positiven Homogenkohle sind, jeweils in Abhängigkeit von der Belastung, in Abb. 19 dargestellt.

Dabei bedeutet Kurve b den gemäß S. 37 gemessenen und reduzierten Anodenfall, Kurve a die Stromspannungskennlinie, d. h. die gesamte zu der betreffenden Positivkohle gehörende Bogenbrennspannung, und Kurve c die Differenz von a und b, d. h. den Spannungsabfall zwischen den Kohlen abzüglich des Anodenfalls.

Resume aus den Kurven

Aus den Kurven folgt in allen vier Fällen eindeutig, daß die Brennspannung aller Hochstrombögen nach Abzug des Anodenfalls nicht mit der Stromstärke zunimmt, Säulengradient und Kathodenfall also bei Änderung der Stromstärke im wesentlichen konstant bleiben.

Die geringen Änderungen der Kurven c dürften darauf beruhen, daß mit zunehmender Verdampfung des Anodenmaterials die zunächst in Luft stattfindende Entladung allmählich zu einer Dampfentladung wird.

Der S. 31 behandelte und für den Hochstromkohlebogen charakteristische Anstieg der Kennlinien ist also ausschließlich durch die Zunahme des Anodenfalls mit der Stromstärke bedingt. Der S. 30 erwähnte Zusammenhang zwischen dem Anstieg der Brennspannung, der Anodenverdampfung und der Bogenstrahlung ist also in Wirklichkeit ein Zusammenhang dieser beiden letzten Größen mit dem Anodenfall.

Über den Anstieg des Anodenfalls und die Strahlungseigenschaften

Die entscheidenden Erscheinungen des Hochstromkohlebogens sind damit durch die Verhältnisse im Anodenfallgebiet bestimmt. Es besteht wegen dieses Zusammenhangs ferner grundsätzlich die Möglichkeit, aus rein elektrischen Messungen des Anodenfalls vor dem Krater einer bestimmten Positivkohle etwas darüber auszusagen, ob die betreffende Kohle im Beckbogen eine hohe Leuchtdichte (und Anodenflammentemperatur) ergeben kann oder nicht.

Je steiler der Anstieg des Anodenfalls ist, um so bessere Strahlungseigenschaften muß die Kohle besitzen. Nimmt die Steilheit des Anstiegs oberhalb einer gewissen Belastung ab, so wird auch die Strahlungsdichte des positiven Kraters oberhalb dieser Stromstärke langsamer zunehmen.

Zu den Anodenfallmessungen Abb. 19 an der Homogenkohle "Gamma S" muß noch bemerkt werden, daß diese infolge der besonderen, gleich näher zu behandelnden Erscheinung des Zischens verfälscht sein könnten und das nach Schlüge (89) auch sind. Wir gehen S. 185 im Zusammenhang mit dem Mechanismus des zischenden Homogenkohle-Hochstrombogens näher auf diese Frage ein.

3. Die Eigenschaften des zischenden Homogenkohlebogens.

Bei der Behandlung der Potentialverteilung und der Bestimmung der Anodenfallwerte durch Sondenmessungen im vorigen Abschnitt haben wir die S. 19 schon erwähnte Tatsache unberücksichtigt gelassen, daß beim Homogenkohle-Hochstrombogen die besonderen, mit dem Zischen verbundenen anodischen Vorgänge eine Störung der Messungen bewirken könnten.

Im folgenden behandeln wir deshalb zunächst die Eigenschaften des zischenden Homogenkohlekraters und die sie bewirkenden anodischen Vorgänge. Dabei stellen wir gleich fest, daß das Zischen keineswegs, wie in der älteren Literatur gelegentlich zu lesen, auf den Gleichstrombogen und die Anwesenheit von Sauerstoff beschränkt ist.

Der Wechselstrombogen zischt vielmehr genau so wie der Gleichstrombogen, und das Zischen trat ferner in allen von uns untersuchten Gasen in gleicher Weise auf wie in Luft, ist also sicher nicht chemisch bedingt.
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a) Allgemeines.

Nach zahlreichen älteren Versuchen, Klarheit über die Vorgänge beim Zischen zu gewinnen, haben kürzlich Schlüge und der Verfasser (89) diese Vorgänge experimentell möglichst sorgfältig untersucht.

Mit einem Elektronenstrahloszillographen hat Schlüge den zeitlichen Verlauf der Spannung, der Stromstärke, der Schallstärke, der mittleren Leuchtdichte der Anodenstirnfläche, und der Leuchtdichte eines einzelnen Flächenelements der Anodenstirnfläche aufgenommen und die Phasenbeziehungen zwischen diesen verschiedenen Größen genau festgestellt.

Genaueres durch Zeitlupenaufnahmen

Er hat weiter in Fortsetzung von Versuchen von Weizel und Faßbender 1) Zeitlupenaufnahmen des zischenden Bogens von vorn wie von der Seite bei Bildfolgen bis zu 4000/sec gemacht und hat schließlich in Ergänzung dieser Aufnahmen „durchlaufende" Aufnahmen der Anodenstirnfläche wie der seitlich projizierten Anodenflamme auf einem mit 50m/sec sich bewegenden Film gemacht, wobei teilweise der Krater bzw. die Anodenflamme durch einen Spalt bis auf einen schmalen Streifen abgeblendet waren.

Auf die zahlreichen Einzelheiten der experimentellen Technik und der Ergebnisse kann hier nicht eingegangen werden (vgl. dazu 89). Es sollen vielmehr nur die wichtigsten Ergebnisse kurz zusammengefaßt werden.

1) Physikal. ZS. 21 (1940) 391, ZS. Physik 120 (1943) 252.
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b) Ausbildung und Bewegung von Brennfleck und Mikrobrennfleck.

Beim "nicht-zischenden" Homogenkohlebogen setzt nach unseren Erfahrungen der Bogen an der Anodenstirnfläche mit einer annähernd konstanten Stromdichte von 40 Amp./cm2 an, ohne daß innerhalb dieses Ansatzes irgendeine Konzentration zu beobachten wäre.

Diese Beobachtungen von Schlüge und dem Verfasser beziehen sich dabei ebenso wie die übrigen zu besprechenden Untersuchungen auf 4 verschiedene Sorten von Ringsdorff-Homogenkohlen aus Graphit („534" genannt), Koks (Gamma S), einer Koks-Ruß-Mischung (Gamma X) und reinem Ruß (Gamma V) mit spezifischen Widerständen zwischen 1700 und 8000 uOhm/cm; sie dürfen daher einigen Anspruch auf Allgemeingültigkeit erheben.

Auf die Theorie dieser normalen anodischen Stromdichte gehen wir im Zusammenhang mit der Theorie des Zischens S. 182 ein.
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Zischen oberhalb von 40 Amp./cm²

Das Zischen beginnt nun nach unseren Beobachtungen, sobald die anodische Stromdichte wesentlich über 40 Amp./cm2 steigt, d. h. jedenfalls, sobald die Anodenstirnfläche bei dieser Normalstromdichte vom Bogenansatz voll bedeckt ist. Trotzdem gibt es (wenigstens bei Graphit- und Kokskohlen) auch bei sehr viel höheren Stromstärken noch zischfreie Augenblicke.

In diesen greift der Bogen dann gemäß Abb. 4 soweit auf die Mantelfläche der Anode über, daß die Normalstromdichte von 40 Amp./cm² nicht wesentlich überschritten wird. Die Neigung zu solchen zischfreien Augenblicken hängt einmal von der Art des Kohlematerials ab, zum andern von der das Übergreifen des Bogens auf die Mantelfläche mehr oder weniger begünstigenden gegenseitigen Stellung von Positiv- und Negativkohle.
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Ein wandernder heller Flecks mit extremer Leuchtdichte

Beim Einsetzen des Zischens beobachtet man auf der Anodenstirnfläche stets das Auftreten eines Anodenbrennflecks, d. h. eines auf der Stirnfläche anscheinend regellos hin und her wandernden hellen Flecks, dessen Leuchtdichte die der übrigen Stirnfläche um ein mehrfaches übersteigt (vgl. Abb. 29 a,b,c).

In diesem Brennfleck fand Schlüge nun einen viel kleineren, wiederum in ihm kreisenden Mikrobrennfleck von nur 0,3-0,5mm Durchmesser, der anscheinend die jeweilige Eintrittsstelle des Bogenstroms in die Anodenstirnfläche darstellt. In ihm beträgt die Stromdichte daher größenordnungsmäßig 50.000 Amp/cm2.

Die Umlaufsfrequenz des Mikrobrennflecks in dem größeren Brennfleck beträgt 50.000-80.000 Hz; seine Wanderungsgeschwindigkeit hat damit die erstaunliche Größe von rund 300m/sec. Offenbar zieht sich also beim Beginn des Zischens der anodische Bogenansatz zu dem äußerst kleinen Mikrobrennfleck zusammen.

Bei Stromstärken über 35 Amp. bei der 7mm-Kohle dehnt sich die Kontraktion vom anodischen Ansatz in geringerem Ausmaß auch in Richtung der Bogensäule aus, die dann auf den seitlichen Zeitlupenaufnahmen als heller Entladungsschlauch ähnlich der normalen kontrahierten Bogensäule auch vor der Anode sichtbar ist.

Die Frontalaufnahmen des Kraters zeigen also einmal die schnelle Bewegung des Mikrobrennflecks in dem größeren Brennfleck, und zweitens eine bei kleinen Stromstärken unregelmäßige, bei großen dagegen sehr regelmäßig werdende Bewegung dieses größeren Brennflecks über die ganze Anodenstirnfläche.

c) Die niederfrequenten und die hochfrequenten Schwankungen von Spannung und Stromstärke.

Mit den beiden Brennfleckbewegungen sind periodische Verkürzungen und Verlängerungen der Bogensäule und damit entsprechende Vergrößerungen und Verkleinerungen der Bogenspannung und Bogenstromstärke verbunden, die oszillographisch untersucht wurden.

Während die hochfrequente Bewegung des Mikrobrennflecks sich in Spannungs- und Stromstärkeschwankungen gleicher Frequenz mit Amplituden bis zu 3 Volt und 0,5 Amp. äußert, erreichen die der Zischfrequenz von 1.000 bis 2.000 Hz entsprechenden Spannungsschwankungen den gewaltigen Betrag von 30 Volt(!), die entsprechenden Stromschwankungen den Betrag von 13 Amp.(!). Dabei hängen die Frequenzen, die Spannungs- und Stromamplituden in der aus den Abb. 20 bis 22 ersichtlichen Weise von der Kohlesorte und der Belastung ab. Daß diese elektrischen Zischerscheinungen sich als erhebliche Rundfunk Störung bemerkbar machen, verstellt sich von selbst.

"Zischen" mit Tönen von 1000-1500 Hz sind deutlich hörbar

Die Spannungs- nnd Stromschwankungen, die kurz nach dem Einsetzen des Zischens mit einer Frequenz von 1000-1500 Hz je nach der Kohlensorte erfolgen, und denen die hochfrequenten Schwankungen geringer Amplitude als kleine Zacken überlagert sind (vgl. Abb. 23), zeigen zunächst eine ziemliche Unregelmäßigkeit im Verlauf, obwohl stets ein Maximum der Spannung mit einem Minimum der Stromstärke verbunden ist.

Bei höherer Belastung wird der Verlauf der Schwankungen, wie schon mit dem Ohr wahrnehmbar, immer regelmäßiger, wobei die Spannungsschwankungen die Form einer ausgesprochenen Sägezahnkurve annehmen mit Spannungszusammenbrüchen, deren Dauer mit wachsender Stromstärke bis auf 10 hoch -5 sec abnimmt (Abb.23 unten) 1).

Unter sonst gleichen Bedingungen zeigt die Rußkohle Gamma V mit dem höchsten spezifischen Widerstand die geringste Regelmäßigkeit. Abb. 24 zeigt den bei sehr großer Stromstärke sich einstellenden Verlauf der Strom- und Spannungsschwankungen. Die in Abb. 24 dargestellte Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung führte zur Konstruktion der den Zusammenhang beider Größen zeigenden Abb. 25, deren Richtigkeit dann durch oszillographische Aufnahme der entsprechenden Lissajous-Figur (Abb. 26) bestätigt wurde.

d) Zusammenhang von Zischgeräuschen und Leuchtdichteschwankungen.

Mit diesen niederfrequenten Schwankungen von Spannung und Stromstärke sind entsprechende akustisch wahrnehmbare Druckschwankungen verbunden, die das bekannte Zischgeräusch hervorrufen. Der mit der Belastung zunehmenden Regelmäßigkeit der elektrischen Schwankungen entspricht die Beobachtung, daß das akustische Zischen sich mit zunehmender Stromstärke aus einem Geräusch in einen (sehr lauten) Ton verwandelt.

Die Phasenbeziehung zwischen Ton und Spannung konnte mit dem Zweistrahloszillographen aufgenommen und unter Berücksichtigung der Laufzeit des Schalls vom Bogen zum Mikrophon ausgewertet werden. Erwartungsgemäß entsprach jedem Spannungszusammenbruch eine Spitze der Schallstärke.

Zusammenhänge von periodischen Änderungen der Leuchtdichte

In ähnlicher Weise wurden die periodischen Änderungen der Leuchtdichte der Krateroberfläche und ihr Zusammenhang mit den elektrischen Schwankungen bestimmt. Wurde dabei durch Abbildung des ganzen Positivkraters auf der Photozelle die mittlere Leuchtdichteschwankung erfaßt, so erfolgte diese im Rhythmus der Spannungsschwankungen, und zwar so, daß bei jedem Spannungszusammenbruch die Leuchtdichte steil anstieg, dann über fast die ganze Periode annähernd konstant blieb und erst am Ende wieder steil abfiel.

Der Absolutwert der Schwankung betrug dabei 1.000-2.000 Stilb. Diese Regelmäßigkeit des Verlaufs trat aber erst auf, wenn die Spannungskurve Sägezahncharakter zeigte.

Wurde statt des gesamten Kraters gemäß Abb. 27 nur etwa 1/100 der Fläche auf der Zelle abgebildet, so zeigte die Leuchtdichtekurve das aus Abb. 28 ersichtliche Bild. Die Leuchtdichte steigt also sehr steil an, um nach zwei Zacken ebenso plötzlich wieder auf ihren Ausgangswert abzusinken.

Das Hinweglaufen des Brennflecks

Wir erwähnen schon hier, daß dieser Verlauf durch das Hinweglaufen des Brennflecks über das abgebildete Flächenelement des Kraters zustande kommt. Dementsprechend ändert sich die Phasenbeziehung zwischen diesen Leuchtdichte-Maxima (die Amplitude beträgt bis zu 10.000 Stilb!) und der Spannung mit der Lage des abgebildeten Flächenelements auf dem Krater.

Bildet man gemäß Abb. 27 ein nahe dem unteren Rande, d. h. in relativ geringer Entfernung von der negativen Spitze gelegenes Flächenelement ab, so fallen die Leuchtdichte-Maxima mit den Spannungs-Minima zusammen.

Bildet man umgekehrt ein am oberen Rand des positiven Kraters und damit relativ weit von der negativen Spitze entferntes Flächenelment auf der Photozelle ab, so fallen die Lichtmaxima mit den Spannungsmaxima zusammen. Für die Erklärung der Zischvorgänge erweist sich dieser Befund als entscheidend wichtig!

e) Das Verhalten von Säule und Flamme des zischenden Bogens.

Von den Ergebnissen der Zeitlupenaufnahmen haben wir bisher nur die Tatsache des Brennflecks und des in ihm kreisenden Mikrobrennflecks erwähnt.

Bei sehr hoher Belastung wird die Beobachtung der auf der Krater- Stirnfläche selbst sich abspielenden Vorgänge dadurch erschwert, daß die Strahlungsintensität der Anodendämpfe wie der Säule immer mehr zunimmt und die eigentlichen Krater-Vorgänge überstrahlt.

Nun erwähnten wir schon, daß bei hoher Strombelastung die positive Säule sich auch dicht vor der Anode zu einem Entladungsschlauch zusammenzieht, der etwa in Abb. 29d gut erkennbar ist (auf den Negativen kommen alle Einzelheiten natürlich unvergleichlich viel klarer heraus als auf den Reproduktionen!).

Der Säulenkern scheint dunkler als der ihn umgebende „Schlauch"

Infolge der Verteilung der spektralen Emission (starke Bandenstrahlung nur in der Umgebung des Säulenkerns vorhanden!) erscheint dabei der Säulenkern dunkler als der ihn umgebende „Schlauch" geringerer Temperatur.

Von vorn auf den Krater gesehen erscheint die Bogensäule bei hohen Stromstärken daher gemäß Abb. 29c als heller Kreis, und die Filmaufnahmen zeigen, daß dieser Kreis im Rhythmus der Spannungs-Sägezahnkurve vom unteren zum oberen Rand des positiven Kraters wandert.

Wird bei dieser Wanderung das erwähnte, auf der Photozelle abgebildete Flächenelement des Kraters überstrichen, so muß man in Übereinstimmung mit dem experimentellen Befund ein Lichtmaximum mit zwei scharfen Spitzen (infolge der beiden Seiten des hellen Kreises!) erhalten.

Oszillographische Darstellung der Zisch-Vorgänge

Während die oszillographischen Leuchtdichtemaxima bei Abbildung nur eines kleinen Kraterteils so durch das Wandern der am stärksten strahlenden Bogenteile über die Zelle erklärt werden müssen, kommen die bei Abbildung des gesamten Kraters auf der Zelle beobachteten Leuchtdichteschwankungen geringerer Amplitude durch die periodisch erfolgenden Dampfausbrüche zustande.

Diese sind mit den Zisch-Vorgängen ursächlich verknüpft, weil bei der außerordentlich hohen Stromdichte des Mikrobrennflecks in ihm die Siedetemperatur des Kohlenstoffs fast augenblicklich überschritten wird.

Dementsprechend zeigen die „ durchlaufenden" Filmaufnahmen mit Spalt vor dem Film bei hoher Strombelastung in seitlicher Abbildung nicht nur die regelmäßige Wanderung des Entladungsschlauches von unten nach oben, sondern zusätzlich von der Anode abströmende leuchtende Dampfwolken, deren mittlere Strömungsgeschwindigkeit aus den Aufnahmen zu 25 m/sec ermittelt werden konnte.

Abb. 29 f zeigt die gleiche Erscheinung an einigen Queraufnahmen des mit 75 Amp. belasteten 7mm-Bogens, nach denen dieses Abströmen der Kohlenstoff-Dampfwolken im Rhythmus der Zischfrequenz erfolgt.

Die Auswertung führt, was uns später S. 166 f. interessieren wird, auch in diesem Fall wieder auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit von 25m/sec. der Bogenlänge für zwei verschiedene positive 7mm-Homogenkohlen
nach Messungen von Schlüge und dem Verfasser (89).

f) Zischneigung, Zischeinsatz und Bogenkennlinie.

Zusätzlich zu diesen Untersuchungen haben Schlüge und der Verfasser noch die Zischneigung gemessen und als diese das Verhältnis der Zeit, in der der Bogen bei den betreffenden Bedingungen zischte, zu der, in der er ruhig brannte, definiert.

Abb. 30 zeigt die Zischneigung für die Kokskohle Gamma S und die Graphitkohle „534" in Abhängigkeit von der Stromstärke und von der Bogenlänge. Man erkennt, daß der „Zischeinsatz" nicht bei einer exakt bestimmten Stromstärke liegt, sondern nur statistisch etwa gleich der Zischneigung 50% definiert werden kann. Man erkennt ferner, daß die Zischneigung bei sehr großen Stromstärken keineswegs, wie man früher glaubte, stets 100% ist, daß sie vielmehr mit wachsender Belastung (und mit wachsender Bogenlänge!) wieder abnimmt, wohl weil in beiden Fällen die Neigung des Bogens zum Übergreifen auf die Mantelfläche der Positivkohle zunimmt.

Der Einfluß des Kohlematerials

Auch hier zeigt sich wieder der Einfluß des Kohlematerials: die Zischneigung ist am geringsten bei der Graphitkohle „534" mit dem höchsten elektrischen Leitvermögen, und sie ist für die Rußkohle mit dem geringsten Leitvermögen (Gamma V) oberhalb des Zischeinsatzes fast 100%, weshalb die Rußkohlen auch in Abb. 30 nicht eingetragen sind.

Erwähnt zu werden verdient schließlich das Ergebnis, daß der eben definierte Zischeinsatz genau mit dem Minimum der Stromspannungskennlinie zusammenfällt, daß zum nicht-zischenden Bogen also stets eine fallende, zum zischenden eine steigende Charakteristik zu gehören scheint. Abb. 31 zeigt dies für die beiden Kohlen mit dem höchsten und dem geringsten spezifischen Widerstand.

g) Der Ablauf der Zischvorgänge

Was läßt sich nun aus diesen Untersuchungen über den Zischvorgang schließen?

Jedenfalls ist der Beginn des Zischens mit einer plötzlichen Kontraktion des anodischen Bogenansatzes zu einem Mikrobrennfleck, und damit mit einer Steigerung der anodischen Stromdichte um den Faktor 100 verbunden.

Die Kontraktion beschränkt sich nach Ausweis unserer Queraufnahmen zunächst auf das Anodenfallgebiet, dehnt sich mit wachsender Belastung aber in Richtung der Bogensäule aus, so daß bei Stromstärken über 60 Amp. beim 7mm-Bogen nach Abb. 29d ein einheitlicher Entladungsschlauch (kontrahierte Säule) von der Kathode bis zum anodischen Brennfleck reicht. Der scheinbare Brennfleck, in dem der Mikrobrennfleck mit der sehr großen Frequenz von maximal 80.000 Hz herumläuft, entspricht in seiner Größe etwa dem Säulenquerschnitt und stellt deren Fußpunkt dar. Die sehr schnelle Bewegung des Mikrobrennflecks in dem größeren scheinbaren Brennfleck dürfte dadurch zustande kommen, daß im Mikrobrennfleck infolge intensiver Verdampfung der Anodenfall ansteigen müßte (vgl. den Anodenfallmachanismus S. 170); falls der Mikrobrennfleck dem nicht durch seitliche Bewegung zu einem nicht oder weniger stark verdampfenden Flächenelement ausweichen würde.

Zusammenhang von Mikrobrennfleck und Bogensäule

Daß die Spannungsschwankungen nicht, wie Weizel und Faßbender (loc. cit.) glaubten, durch diese Anodenfallerhöhung und darauf folgendes seitliches Neuzünden zustande kommen, geht daraus hervor, daß die Frequenz selbst unserer hochfrequenten Spannungsschwankungen mit der der vollen Umläufe des Mikrobrennflecks in dem größeren scheinbaren Brennfleck zusammenfällt.

Wir glauben vielmehr, daß diese Spannungsschwankungen durch die mit der Bewegung des Mikrobrennflecks verbundenen geringen Verlängerungen und Verkürzungen der Bogensäule zusammenhängen. Daß der Mikrobrennfleck sich nur im Bereich des jeweiligen Säulenfußpunkts, d. h. des größeren scheinbaren Brennflecks, bewegt, liegt an der Trägheit der Bogensäule.

Die hochfrequenten elektrischen Schwankungen scheinen damit im Zusammenhang mit dem Verhalten des Mikrobrennflecks verständlich.

Die niederfrequenten elektrischen Schwankungen großer Amplitude, die akustisch als Zischen wahrgenommen werden, sind nach den Filmaufnahmen mit einer Wanderung der ganzen Bogensäule und damit auch ihres den Brennfleck bildenden Fußpunkts auf der Anode verbunden. Diese Bewegungen können durch thermische Einflüsse und Turbulenz oder durch magnetische Kräfte verursacht werden.

Bei geringer Strombelastung scheinen die erstgenannten Einflüsse maßgebend zu sein und die geringe Regelmäßigkeit der Erscheinungen zu bedingen.

Einfluß der magnetischen Kräfte auf die die Bogensäule

Bei hoher Strombelastung dagegen überwiegen erfahrungsgemäß die magnetischen Kräfte und suchen die Bogensäule zu strecken. Das geschieht (vgl. auch S. 138) dadurch, daß der Bogen aus der Stellung I von Abb. 32 in die Stellung II getrieben wird. Mit dieser Bewegung, die gerade der auf den Filmaufnahmen festgestellten entspricht, ist eine erhebliche Spannungsvergrößerung und damit Stromstärkeverminderung verbunden.

Ist der Bogen am oberen Kraterrand angelangt, so ist seine Bogenlänge und damit auch sein Spannungsbedarf so gewachsen, daß im hocherhitzten Dampf eine Neuzündung in Stellung 1, d. h. bei kleinster Bogenlänge möglich ist (Spannungszusammenbruch!).

Dieser Vorgang, der mit seinen Ursachen im einzelnen noch später behandelt wird, wiederholt sich 1.000 bis 2.000 mal in der Sekunde. Die Richtigkeit dieser Vorstellung wurde von Schlüge durch die Beobachtung bestätigt, daß ein die Wanderung von unten nach oben unterstützendes äußeres Magnetfeldv den Vorgang beschleunigte und die Zischfrequenz damit vergrößerte, und umgekehrt. Auf die Theorie der Zisch Vorgänge gehen wir S. 184 ein.

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