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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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B. Die Strahlung des Hochstromkohlebogens.


Wir beginnen die Besprechung der Strahlungseigenschaften der Hochstromkohlebögen mit der Behandlung der Gesamtstrahlung und der Gesamtstrahlungsausbeute, deren Ergebnisse uns zeigen werden, daß beim Hochstrombogen im Gegensatz zum Niederstrombogen die Strahlung für den Energiehaushalt des Bogens von entscheidender Bedeutung ist.
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B-1. Gesamtstrahlung und Gesamtstrahlungsausbeute.

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a) Meßmethoden.

Die Gesamtstrahlung des Bogens, d. h. die über alle Wellenlängen integrierte, in den gesamten Raum abgestrahlte Leistung, wird durch Messung der Winkelverteilung der Strahlung ermittelt. Hierzu wird entweder mit einer absolut geeichten Thermosäule (etwa der von Moll und Burger), am besten zur Vermeidung aller strombedingten Fehler in Kompensationsschaltung, die in die verschiedenen Raumwinkel ausgesandte Strahlung absolut gemessen.

Einen Eichwert für die abgestrahlte Leistung

Oder es wird, wie das zuerst Schlüge und der Verfasser (88) getan haben, die Winkelverteilung relativ gemessen und nach sehr genauer Messung eines Absolutwerts mit einem Strahlungskalorimeter auf Absolutwerte umgerechnet. Als diesen Eichwert haben Schlüge und der Verfasser die senkrecht zur Kraterfläche nach vorn abgestrahlte Leistung, bezogen auf die Raumwinkeleinheit wQ gewählt; wir wollen sie „frontale Gesamtstrahlungsstärke" nennen.

Die Winkelverteilung wurde im allgemeinen in der Horizontalebene und der zu ihr senkrecht stehenden Meridianebene gemessen und das Mittel beider Kurven der weiteren Rechnung zugrunde gelegt.

Die räumliche Strahlung rotationssymmetrisch betrachten

Beim Gleichstrombogen wurde dann die räumliche Strahlung als rotationssymmetrisch zur Achse der Positivkohle, beim Wechselstrombogen als rotationssymmetrisch zur Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den beiden Kohlen angenommen.

Durch graphische Integration nach einem in der Lichttechnik bekannten Verfahren von Rousseau und Liebenthal (vgl. [88]) errechnet sich dann aus der absoluten Winkelverteilung der Strahlung die in den gesamten Raum abgestrahlte Leistung in Watt.
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Berechnung der Gesamtstrahlungsausbeute

Zur Berechnung der Gesamtstrahlungsausbeute des Bogens wird dann das Verhältnis von ausgestrahlter zu zugeführter Leistung gebildet. Dabei wird dem Bogen die elektrische Leistung Stromstärke mal Bogenspannung, gemessen in Watt, zugeführt.

Zu ihr muß hinzugerechnet werden je Gramm sekundlich verbrennenden Kohlenstoffs der Betrag von 8 kcal = 33.500 Watt. Dieser letzte Energieanteil ist aber schwer exakt zu bestimmen, weil nach unseren Beobachtungen (S. 129) nur ein Teil des Gewichtsverlusts der Positivkohle wirklich verbrennt, während der Rest teils als Ruß in den Abgasen enthalten ist, sich zum Teil aber auch auf der Negativkohle ablagert (S. 129).

Über die umgesetzte elektrische Leistung

Die im folgenden angegebenen Werte der Gesamtstrahlungsausbeute beziehen sich daher allein auf die im Bogen umgesetzte elektrische Leistung. Rechnet man die Verbrennungswärme des verdampften Kohlenstoffs voll zur elektrischen Leistung hinzu, so vermindert sich dadurch die Strahlungsausbeute um etwa 10% der aus Tab. 1 zu entnehmenden Werte. Der durch die tatsächliche Verbrennung entstehende, in Tab. 1 nicht berücksichtigte Fehler dürfte also höchstens 5% ausmachen.

b) Die frontale Gesamtstrahlungsstärke.

Abb. 33 zeigt nach Messungen von Schlüge, Haury und dem Verfasser (88, 25) die frontale Gesamtstrahlungsstärke (in Watt je Raumwinkeleinheit ?) einiger Gleich- und Wechselstrom-Beckbögen gegen die Bogenleistung aufgetragen. An diesen Kurven, die uns später bei der Besprechung der Theorie noch interessieren werden, fällt das günstige Abschneiden des Wechselstrom-Beckbogens auf, das darauf beruhen dürfte, daß demnach S. 20 mit geringer Bogenlänge brennende Wechselstrombogen fast völlig in dem Anodenmaterialdampf von hohem Emissionsvermögen brennt (statt in der wenig strahlenden Luft), und daß wegen der kleineren Bogenoberfläche die Energieverluste durch Wärmeleitung und Konvektion gegenüber dem längeren Gleichstrombogen geringer sein dürften. In Übereinstimmung mit den gleich zu besprechenden Ergebnissen erwarten wir für den Wechselstrombogen also auch eine gute Gesamtstrahlungsausbeute.

c) Die Winkelverteilung der Gesamtstrahlung.

Abb. 34 und 35 zeigen nach Messungen von Schlüge und dem Verfasser (88) Winkelverteilungen der Gesamtstrahlung von vier Gleich -strom-Beckbögen gleicher Kohlemarke bei jeweils drei verschiedenen Belastungen. Auffallend ist der bei früheren Messungen unberücksichtigt gebliebene große Anteil der Strahlung, der nach rückwärts gestrahlt wird. Er beweist, daß der aus dem Krater austretende Teil des Anoden-dampfstroms an der Gesamtstrahlung sehr maßgeblich beteiligt ist.

Abb. 36 zeigt nach Messungen von Haury und dem Verfasser (2 ) die Winkelverteilung der Strahlung eines Wech-selstrom-Beckbogens bei zwrei Belastungen. Man erkennt, daß relativ zur Frontalstrahlung hier der Anteil der seitlichen und rückwärtigen Strahlung noch größer ist, als beim Gleichstrom- Beckbogen, was auf das Auftreten der beiden Anodenflammen und die geringere Kratertiefe zurückzuführen sein dürfte.

d) Gesamtstrahlung und Gesamtstrahlungsausbeute.

In Tabelle 1 sind die bisher vorliegenden Meßergebnisse der vier Gleichstrom-Beckbögen und des Wechselstrom-Beckbogens gleicher Kohlenmarke jeweils für mehrere Belastungen zusammengestellt.
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Tabelle 1.

Gesamtstrahlungsausbeute von Gleich- und Wechselstrom-Beckbögen mit Positivkohle RW Sola Effekt 134 nach Messungen von Schlüge, Haury und dem Verfasser (88, 25).

Kohlen- Srom Spannung Leistung Frontalstrah- Gesamt- Strahlungs-
Ø J U W lungsstärke strahlung ausbeute
mm Amp. Volt Watt Watt/ Watt %
  16,5 35 578 32,5 250 43.5
5 30 37 1100 70,8 650 58,6
  45 48,5 2180 120 1375 63,0
  30 24 720 87,5 525 73,0
7 50 34 1700 187 1225 72,0
  70 47 3290 283 2470 75,0
  30 29.5 885 96 950 73.5
9 50 39 1950 175 1440 73.7
  70 57,5 4025 328 2810 69,8
  90 68 6120 402 3950 64,4
  50 40 2000 173 1345 (67,3
11 70 50 3500 293 2485 71,0
  90 60 5400 413 3820 70,8
8 75 24,5 1840 165 1345 73
~ 125 34 4250 355 3570 84

Erkenntnis :

Aus Tab. 1 entnimmt man erstens, daß die Gesamtstrahlungsausbeute aller Beckbögen außerordentlich groß ist, im Gegensatz zum gewöhnlichen Niederstromkohlebogen die Strahlung also den entscheidenden Anteil an der Energieabfuhr des Bogens darstellt.

Man erkennt ferner, daß zwar bei dem (auch sonst aus der Reihe fallenden) 5mm-Gleichstrombogen die Strahlungsausbeute mit der Belastung deutlich zunimmt, daß sie dagegen bei den drei übrigen Gleichstrombögen innerhalb der Fehlergrenze von ±3% gleich ist und unabhängig von der Belastung rund 70% beträgt.

Nach überschlägigen eigenen Messungen mit Schlüge und Haury im Nürnberger Siemens-Schuckert-Werk scheint dieses bei Stromstärken unter 100 Amp. gefundene Ergebnis auch bei Bögen mit kontrahierter Säule und Stromstärken bis über 1.000 Amp. gültig zu bleiben.

Über die Effizienz der ausgestrahlten Bogenleistung

In diesem Zusammenhang ist noch von Interesse, daß bei großen Scheinwerferlampen, bei denen nach S. 197 die Anodenflamme wenige cm oberhalb des positiven Kraters in eine Düse gesaugt und die Strahlung des gesamten oberen Teils der Anodenflamme dadurch ausgeschaltet wird, nach Messungen von Guillery etwa 45% der gesamten Bogenleistung abgesaugt, also nur etwa 55% vom freien Teil des Bogens ausgestrahlt werden. Daraus muß (in Übereinstimmung mit dem Ergebnis von Lichtausbeutemessungen von Beck, S. 81) geschlossen werden, daß etwa 15% der Bogenleistung von dem langen, bei den Absauglampen ausgeschalteten Teil der Anodenflamme ausgestrahlt werden.

Beim Wechselstrom-Beckbogen war die Ermittlung der richtigen, nur den Bogen selbst betreffenden Gesamtstrahlungsausbeute dadurch erschwert, daß die Strahlung der sehr weit entkupferten Kohlen erst mühsam ermittelt und von der gemessenen Bruttogesamtstrahlung abgezogen werden mußte.

Überschlagsmessungen bei Wechsel- und Gleichstrom

Trotz der geistreichen, von Haury (25) hierfür ersonnenen Methoden besitzen die von ihm bestimmten Ausbeutewerte von 73 bzw. 84% aber nicht die Sicherheit der Gleichstromwerte. Immerhin zeigen sie, daß die Strahlungsausbeute des hoch belasteten Wechselstrom-Beckbogens der des Gleichstrom-Beckbogens wohl noch überlegen ist.

Zu dem gleichen Ergebnis führten auch rohe Überschlagsmessungen, die Schlüge, Haury und der Verfasser an höchstbelasteten Drehstrom-Beckbögen bei Stromstärken bis 1.200 Amp. im Prüffeld der Körting und Mathiesen A.G. in Leipzig ausführen durften.

Sieht man also von dem aus unbekannten Gründen herausfallenden 5mm-Gleichstrombogen ab, so scheint nach unserer heutigen Kenntnis die auf die elektrische Leistung bezogene Gesamtstrahlungsausbeute aller Gleichstrom-Beckbögen also bei 70% zu liegen, die der Wechsel- und Drehstrom-Beckbögen wahrscheinlich noch etwa 10% höher.

B-2. Die Gesamtstrahlungsdichte des Hochstrombogenkraters.


Als nächste Strahlungseigenschaft ist die Gesamtstrahlungsdichte der mittleren Kraterfläche zu besprechen, d. h. die vom heißesten Teil des Bogenkraters je cm2 Krateroberfläche in den Halbraum abgestrahlte Leistung aller Wellenlängen (in Watt/cm²).

a) Meßmethode.

Zur Messung wurde der Krater mittels einer Quarzlinse gemäß Abb. 41 so auf einer Thermosäule abgebildet, daß nur die Strahlung des mittleren Kraterteils erfaßt wurde, und bei den ersten Messungen (14) der Thermostrom mit einem Galvanometer gemessen, bei den neueren Messungen von Haury (25) und Hannappel (24) die Thermo-EMK nach einer Kompensationsmethode bestimmt.

Die Eichung der Thermosäule erfolgte mittels eines voll belasteten Reinkohlekraters (vgl. S. 63), dessen schwarze Temperatur ebenso wie die des anfangs benutzten Homogenkohlekraters zu 38.000° K angenommen wurde und der als grauer Strahler betrachtet wird. Aus dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz folgt daraus seine Gesamtstrahlungsdichte zu 1.200 Watt/cm².

b) Meßergebnisse an Homogenkohle- und Beckbögen.

Abb. 37 zeigt nach Messungen des Verfassers (14), immer gegen die Stromstärke aufgetragen, die Gesamtstrahlungsdichte verschiedener Homogenkohle-Hochstrombögen.

Abb. 38 zeigt die der vier stets untersuchten Gleichstrom-Beckbögen, Abb. 39 die einiger hoch belasteter Gleichstrom-Beckbögen nach Hannappel (24) und die des Wechselstrom-Beckbogens nach Haury (25).

In Abb. 40 schließlich ist die Gesamtstrahlungsdichte der Gleich- und Wechselstrom-Beckbögen gleicher Kohlesorte (RW Sola Effekt 134) noch gegen die Bogenleistung aufgetragen.

Während der Homogenkohlekrater bei höchster Belastung bis zu 3.000 Watt je cm2 Kraterfläche in den Halbraum abstrahlt (gegenüber 1.200 Watt/cm² beim Nieder-strombogen!), kann dieser Wert beim Beckbogen also bis nahezu 6.000 Watt/cm² steigen und damit die Gesamtstrahlungsdichte der Sonne erreichen!

ähnliche Bögen = gleiche Gesamtstrahlungsdichte

Daß das S. 33 behandelte Ähnlichkeitsgesetz der Hochstromkohlebögen nach Abb. 37, 38, 40 angenähert auch für dieGesamtstrahlungsdichte gilt, war zu erwarten, da ähnliche Bögen auch gleiche Gesamtstrahlungsdichte besitzen müssen.

Außer der Gesamtstrahlungsdichte der Bogenkrater haben wir durch seitliche Projektion der Anodenflammen auch die Gesamtstrahlungsdichte des dem Krater vorgelagerten bzw. aus ihm abströmenden Dampfes gemessen (14) und bei nur 10mm Dampfstrahldurchmesser beim zischenden Homogenkohle-Hochstrombogen bis zu 1.000 Watt/cm², beim Gleichstrom-Beckbogen sogar bis maximal 2.500 Watt/cm² gefunden, während die relativ geringe Gesamtstrahlungsdichte der Wechselstrom-Beckflammen von etwa 7mm Durchmesser nach Haury in Abb. 39 Kurve b dargestellt ist.


Es sei schon hier darauf hingewiesen, daß diese Messungen der Gesamtstrahlungsdichte uns die Möglichkeit geben, nach dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz die schwarze Temperatur der Bogenkrater - als grauer Strahler angenommen - zu berechnen, d. h. die Temperatur, die ein schwarzer Strahler besitzen würde, der ebensoviel Strahlung je cm2 Oberfläche emittiert wie der Bogenkrater. Auf S. 112 gehen wir näher hierauf ein.
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B-3. Leuchtdichte und Lichtstärke der Hochstromkohlebögen.


Für die Anwendung des Hochstromkohlebogens ist die wichtigste Größe die Leuchtdichte und ihre Verteilung über die Fläche des positiven Kraters, sowie an Stelle des schwieriger zu messenden Lichtstroms die „Frontallichtstärke", d. h. die Lichtstärke des Bogens gemessen von einem Punkt der Verlängerung der Positivkohle aus.

a) Meßmethoden.

Zur Messung der Lichtstärke und Leuchtdichte werden visuelle wie objektive Photometer verwendet. Bei den subjektiven visuellen Verfahren wird der Bogenkrater mit einem der bekannten visuellen Photometer anvisiert und mit einer bekannten Vergleichslichtquelle, deren Farbe möglichst genau an die des Bogenkraters angeglichen ist, verglichen. Die visuelle Photometrie liefert bei geübten Beobachtern und gut geeichten Photometern sehr exakte Werte und eignet sich besonders zur punktweisen Messung der Leuchtdichteverteilung über den Bogenkrater.

Die erfahrungsgemäß schlechte Vergleichbarkeit der von verschiedenen Beobachtern mit verschiedenen visuellen Photometern gemessenen Leuchtdichtewerte aber beruht u. E. auf der Schwierigkeit einer Absoluteichung dieser Geräte, da die üblichen Leuchtdichtenormale nur Leuchtdichten von 10-100 Stilb besitzen und zur Messung einer Beckkraterleuchtdichte von 1oo.ooo Stilb ein Leuchtdichtesprung von 3-4 Zehnerpotenzen durch Schwächungsmittel überbrückt werden muß.

Schwierigkeit eines Eichungsfehlers unter 3%

Dabei den Absolutfehler unter 3% zu halten, scheint schon sehr schwierig, ganz abgesehen von der Frage der zeitlichen Konstanz dieser Eichung. Schließt man dagegen gemäß unserem Vorschlag (der in ähnlicher Form schon früher von Patzelt gemacht worden ist) alle Messungen jeweils an die Leuchtdichte eines bestimmten Rein- oder Homogenkohlekraters von etwa 18.500 Stilb an, so dürfte eine Vergleichbarkeit von in verschiedenen Instituten mit visuellen wie mit objektiven Photometern ausgeführten Messungen mit Sicherheit gewährleistet sein.

Im Augenblick scheinen z.B. die in verschiedenen anderen deutschen Laboratorien gemessenen Leuchtdichtewerte um 10-15% über den in diesem Buch gebrachten Leuchtdichtewerten zu liegen, was bei Vergleichen zu berücksichtigen ist.

Messungen mit einem "Halbleiterphotoelement"

Bei den objektiven Verfahren, die sich besonders zu betriebsmäßigen Reihenmessungen eignen, erfolgt die Lichtmessung meist mit einem Halbleiterphotoelement, dessen spektrale Empfindlichkeit durch Filter der des normalen menschlichen Auges angepaßt ist (z. B. Filterphotronzellen von Zierold nach Dresler oder Rieck), und dessen Strom mit einem direkt in Lux geeichten Drehspulinstrument gemessen wird.

Die spektrale Angleichung der Zellen an die Augenempfindlichkeit genügt den normalen Anforderungen, was daraus hervorgeht, daß bei Bogenmessungen Filterzellen nach Dresler und nach Rieck innerhalb der Meßgenauigkeit übereinstimmende Werte ergeben 1).

1) Vgl. W. Finkeinburg und H. Schlüge, ZS. techn. Phys. 24, 1943, 42.
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Die zeitliche Konstanz der Messungen bis 1.000 Lux

Auch die zeitliche Konstanz moderner Photoelemente ist meist befriedigend, wenn man sie nicht höheren Beleuchtungsstärken als 1.000 Lux aussetzt und sie vor höheren Temperaturen schützt. Trotzdem empfiehlt es sich, diese Luxmeter regelmäßig von Zeit zu Zeit mit einer 2.000 Watt-Lampe oder dem Reinkohlekrater nachzueichen. Auf diese Weise hält man auch mit den sehr bequemen objektiven Photometern den Absolutfehler unter 5%, den relativen Fehler unter 1%.

Zur Lichtstärkemessung wird einfach in geeigneter Entfernung vom positiven Krater mit dem Luxmeter die Beleuchtungsstärke in Lux gemessen und durch Multiplikation mit dem Quadrat des Abstandes vom Krater zur Zelle in Metern die Lichtstärke in HK berechnet.

Messung der Leuchtdichte und Berechnung

Zur Messung der Leuchtdichte bildet man gemäß Abb. 41 den positiven Krater durch eine Linse der freien Öffnung f cm2 in der Entfernung b Meter auf einem Schirm ab. Mißt man dort im Bilde des Kraters die Beleuchtungsstärke E Lux, so ist die Kraterleuchtdichte

Formel


Ist nämlich f' die Kraterfläche und f die freie, nicht abgeblendete Linsenfläche, so ist der durch die Linsenöffnung fallende Lichtstrom nach Abb. 41

Formel

Dieser Lichtstrom erzeugt auf dem Schirm ein Kraterbild der Fläche f"

Formel

in dem mit dem Luxmeter die Beleuchtungsstärke

Formel

gemessen wird.

Auflösung nach B ergibt die obige Leuchtdichteformel. Nach der gleichen Methode kann natürlich auch die Leuchtdichte des Anodendampfstroms (Anodenflamme) allein gemessen werden, wenn man die Flamme seitlich auf der Zelle abbildet.

Die Genauigkeit der Messungen ist beim Bogen fast stets durch dessen Schwankungen (deren Betrag von der Belastung und der Kohlensorte abhängt!) gegeben und muß aus der Streuung der Meßpunkte von Fall zu Fall bestimmt werden.

b) Die Leuchtdichte des Niederstrom-Kohlebogenkraters.

Bevor wir auf die Leuchtdichte des Hochstrombogenkraters eingehen, behandeln wir kurz das alte Problem der Leuchtdichte des Niederstrombogenkraters, einmal weil dieser als Vergleichslichtquelle zu Leuchtdichtemessungen immer wieder benutzt wird, und zweitens, weil im Zusammenhang mit einer Diskussion der Leuchtdichte des Kohlebogens allgemein die des Niederstrombogens nicht übersehen werden sollte.

Auseinandergehende Meinungen bezüglich der Abhängigkeiten

Eine Übersicht über die gesamte ältere und neuere Literatur (etwa 1890 bis 1945) zeigt, daß über die Frage der Abhängigkeit der Kraterleuchtdichte (und damit auch der Kratertemperatur) des Niederstrombogens von der Stromstärke die Meinungen stets auseinandergegangen sind, und daß wohl nur die Autorität Lummers der Behauptung von der durchgängigen Konstanz der Leuchtdichte und Temperatur des Homogen- und Rein-kohlebogenkraters unabhängig von der Belastung allgemeine Geltung verschafft hat.

Der Verfasser glaubt in unveröffentlichten Untersuchungen der letzten Jahre den Grund für alle Widersprüche in der Abhängigkeit der Erscheinungen vom Kohlematerial gefunden zu haben. Systematische Leuchtdichtemessungen in Abhängigkeit von der Stromstärke am positiven Krater von Reinkohlen und homogenen Kokskohlen ergaben nämlich gemäß Abb. 42 eine lineare Zunahme der Leuchtdichte mit der Stromstärke bis zum Beginn des Zischens.

Der lineare Anstieg der Leuchtdichte bei Reindocht- und Kokskohle

Abweichende Ergebnisse daraufhin angestellter Versuche von Frieser und Schering (ebenfalls unveröffentlicht), die später von Patzelt und Baldewein (72) bestätigt wurden, an Homogenkohlen anderer Fabrikate, gaben den Anlaß zu einer Erweiterung unserer Messungen, die dann eindeutig ergaben, daß der lineare Anstieg der Leuchtdichte auf Reindocht- und Kokskohlen beschränkt ist, während bei homogenen Rußkohlen bei im ganzen unruhigerem Brennen und daher merklich größerer Streuung der Meßpunkte die Leuchtdichte gemäß Abb. 43 zunächst ansteigt und bei größeren Stromstärken nach Durchlaufen eines Maximums wieder sinkt, während bei sehr reinen Graphitkohlen nach Patzelt und Baldewein (72) tatsächlich ein größeres Gebiet konstanter Kraterleuchtdichte existiert, wie es früher schon von Chaney, Hamister und Glass 1) behauptet worden war.

  • Anmerkung : Das hier war ein einziger Satz !!!

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1) Trans. Klectrochem. Soc. 67 (1935) 201.

Die verschiedene Wärmeleitfähigkeit verschiedener Kohlen

Die damit sichergestellte Abhängigkeit des Kraterleuchtdichteverlaufs vom Material der Positivkohle dürfte (ebenso wie die entsprechende S. 44 bereits festgestellte Abhängigkeit der Zischeigenschaften) durch die verschiedene Wärmeleitfähigkeit der verschiedenen Kohlen bedingt sein, die die Ausdehnung des Anodenansatzes bei Steigerung der Stromstärke beeinflussen muß.

Für die praktische Licht- und Temperaturmessung ist von Wichtigkeit, daß nach den erwähnten amerikanischen Messungen die schwarze Temperatur des Reingraphitkraters 38.200°K und seine Leuchtdichte folglich knapp 19.000 Stilb beträgt in guter Übereinstimmung mit dem von Patzelt und Baldewein gemessenen Wert von 18.800 Stilb.

Leider ist die richtige Behandlung dieses Reingraphit-Niederstrombogens nicht ganz einfach, und die Erreichung des richtigen konstanten Brennzustands hängt offenbar entscheidend von der Wahl einer geeigneten Negativkohle ab und erfordert viel Erfahrung.

Unsere konstante Normallichtquelle

Wir haben deshalb als besonders leicht zu handhabende und nach vieljährigen Erfahrungen ausgezeichnet konstante Normallichtquelle den positiven Krater eines gemäß Abb. 44 eingestellten und nach langsamer Stromstärkesteigerung (Einbrennen) mit knapp 30 Amp. kurz vor dem Zischen brennenden 10mm-Reinkohlebogens Marke RW Mira der Ringsdorff-Werke benutzt und nur die besten Erfahrungen gemacht.

Über die dieversen schwarzen Temperaturen

Nach einer noch nicht abgeschlossenen Untersuchung von Köhler und dem Verfasser (28) scheint die schwarze Temperatur dieses Kraters nach Ausschaltung der vorgelagerten Bandenstrahlung des C2 und CN etwa 3.720°K zu betragen, während die mittlere schwarze Temperatur im sichtbaren Spektralgebiet unter Berücksichtigung der praktisch stets mitgemessenen Bandenstrahlung 3.780°K und die Kraterleuchtdichte folglich etwa 18.100 Stilb betragen dürfte.

Wir haben in diesem Buch mit den Werten 3.800°K und 18.500 Stilb gerechnet, was mit allen bisherigen Messungen am besten übereinstimmte. Sollte die exakte Eichung einen etwas anderen Wert ergeben, so wären unsere Hochstrombogenmessungen entsprechend prozentual leicht zu korrigieren.

c) Die Leuchtdichteverteilung über den Hochstrombogenkrater.

Die Leuchtdichteverteilung über den Krater des Hochstromkohlebogens ist für homogene Positivkohlen (d. h. solche ohne Docht, bzw. Nurdochtkohlen) etwa durch Abb. 45 gegeben und erfüllt damit einigermaßen die Forderung des Lichttechnikers auf möglichst gleichmäßige Leuchtdichte.

Nurdochtkohlen

Nurdochtkohlen finden daher neuerdings technisch besonderes Interesse. Praktisch die gleiche Leuchtdichteverteilung zeigen aber auch Beckkohlen, deren Mantel so dünn ist, daß er infolge seitlichen Abzunderns bei Betrachtung der Kraterfläche von vorn nicht mehr bemerkbar ist.

Solche Kohlen sind also vom optischen Standpunkt den Nurdochtkohlen gleichwertig, besitzen aber gewisse praktische Vorteile.

Dochtkohlen

Bei allen übrigen Dochtkohlen ist die Leuchtdichteverteilung über den Krater im wesentlichen durch das Durchmesserverhältnis des Dochts zur gesamten Kohle bestimmt. Abb. 46 zeigt die Leuchtdichteverteilung zweier gleich hoch belasteter Beckkohlen von gleichem Außendurchmesser, aber verschiedenem Dochtdurchmesser nach Messungen von Baldewein (2) im Laboratorium der Siemens-Plania-Werke.

Die Steilheit der Leuchtdichtespitze

Die Leuchtdichtespitze in der Kratermitte ist also um so steiler, je dünner der Docht im Verhältnis zur gesamten Kohle ist. Um so tiefer höhlt sich gleichzeitig der Krater. Die in Abb. 46 dargestellten Verhältnisse sind aber als recht extrem zu bezeichnen.

Es sei noch erwähnt, daß die Leuchtdichteverteilung über den senkrechten Durchmesser der Positivkohle stets eine unsymmetrische Verteilung zeigt, indem das Maximum aus der Kratermitte nach oben versetzt erscheint. Das ist eine Folge der Tatsache, daß die leuchtende Anodenflamme nach oben abströmt und durch ihren Beitrag zur Kraterleuchtdichte das Leuchtdichtemaximum nach oben verschiebt. Symmetrische Leuchtdichteverteilungen erreicht man durch magnetische Beeinflussung der dem Krater vorgelagerten Leuchtdämpfe (vgl. S. 141).

d) Die räumliche Verteilung der emittierenden Zentren.

Der Schwerpunkt der Lichtstrahlung

Für die Übersicht über die Verhältnisse im Bogenkrater wie für die technische Anwendung ist auch die Frage von Bedeutung, an welcher Stelle im bzw. vor dem Krater der Schwerpunkt der Lichtstrahlung liegt.

Aus Messungen ist hierüber bisher nichts auszusagen. Wir wissen aber, daß der glühende feste Kratergrund eine Temperatur von weniger als 4.000°K besitzt und daher seine Strahlung gegenüber der des Dampfes mit rund 6.000°K Temperatur (vgl. S. 117) nur eine geringe Rolle spielen dürfte.

Wir wissen ferner, daß die Strahlung des Anodendampfstrahls noch weit vor dem Krater sehr beträchtlich und seine Leuchtdichte bei nur 7-10mm Schichtdicke bis zu 50% der Kraterleuchtdichte beträgt.

Wir wissen schließlich aus theoretischen Untersuchungen (S. 166 f.), daß die Dampftemperatur ihr Maximum in einer Entfernung von einigen zehntel mm vom Kratergrund erreichen muß und nach außen kontinuierlich abnimmt.

Die Folgerung :

Aus allen diesen Ergebnissen folgt, daß der Schwerpunkt der Lichterzeugung ziemlich dicht vor dem Kratergrund liegen muß und sich wohl mit zunehmender Belastung langsam von ihm entfernt.

Da ein tiefer Krater ferner die leuchtenden Dämpfe stark zusammenhält, wird der Schwerpunkt der Lichtstrahlung hier weiter vom Dochtgrund entfernt liegen, als bei dem ganz flachen Krater von Nurdochtkohlen.

e) Die Kraterleuchtdichte als Funktion der Bogenparameter bei Gleichstrombetrieb.

Die im folgenden zu besprechenden Ergebnisse von Leuchtdichtemessungen beziehen sich stets auf den hellsten Kraterteil, und zwar mit einem Durchmesser etwas kleiner als der Dochtdurchmesser, während bei Homogenkohlen der Durchmesser des projizierten Kraterbildes etwa den doppelten Durchmesser der Photozelle besaß.

Abb. 47 zeigt nach eigenen Messungen (14) für eine Reihe verschiedener Kohledurchmesser des Homogenkohle-Hochstrombogens (Kokskohle) die Abhängigkeit der Kraterleuchtdichte von der Belastung.

Leuchtdichte linear zur Stromstärke

Die Leuchtdichte nimmt annähernd linear mit der Stromstärke zu. Die gestrichelt gezeichneten Abweichungen von der Linearität beruhen darauf, daß der Bogen (hier von 6mm Länge) oberhalb 50 Amp. dazu neigt, nach oben auszubrechen und in immer wachsendem Maß an der oberen Kante der Positivkohle bzw. sogar an deren Mantelfläche anzusetzen (vgl. S.137).

Das bewirkt natürlich eine Verringerung der Leuchtdichte der Kratermitte. Verhindert man durch einen Blasmagneten (S.140) das Ausbrechen, so wächst die Kraterleuchtdichte linear bis mindestens 35.000 Stilb weiter. Es wurden Maximalwerte der Leuchtdichte dieses zischenden Homogenkohlekraters gemessen, die mit über 40.000 Stilb die des gewöhnlichen Niederstrombogens um mehr als das doppelte übersteigen. Daß es sich hierbei um einen zeitlichen Mittelwert der Leuchtdichte handelt, wurde bei der Behandlung der Zischprobleme S. 20 bereits erwähnt.

Vier Gleichstrom-Weichdocht-Beckbögen im Vergleich

Abb. 48 zeigt in Abhängigkeit von der Stromstärke die Kraterleuchtdichte der vier von uns stets untersuchten Gleichstrom-Weichdocht-Beckbögen. Alle Kurven zeigen bei kleinen Stromstärken einen langsamen Anstieg, um nach dem durch einen Knick gekennzeichneten Einsetzen des Beckeffekts (vgl. S. 31) wesentlich steiler mit der Belastung anzuwachsen.

Der Knick in den Kurven zeigt den Beckeffekt

Außer diesem mit dem Einsetzen des Beckeffekts verknüpften Knick zeigen alle Leuchtdichtekurven noch einen zweiten Knick, der unabhängig vom Kohledurchmesser stets bei etwa 43.000 Stilb auftritt. Obwohl dieser zweite Knick bei Ausführung nur weniger Messungen innerhalb der Streuung der Messungen zu liegen scheint und daher früher nicht bekannt war, kehrt er in allen unseren Meßreihen wieder, und seine Realität wurde zusätzlich durch Ausführung von mehreren hundert Messungen durch einen nicht eingeweihten Mitarbeiter eindeutig gesichert.

Da bei dem im Bogen vorhandenen thermischen Gleichgewicht einer bestimmten Leuchtdichte diese einer bestimmten Temperatur entspricht, glauben wir, in dem Knick bei 43.000 Stilb das Anzeichen eines die Temperatur und damit die Leuchtdichte erniedrigenden thermischen Prozesses zu sehen.

Ein Leuchtdichte - Grenzwert von 150.000 Stilb

Die Temperatur, bei der dieser Prozeß einsetzt, liegt nach unseren später zu behandelnden Temperaturmessungen bei ungefähr 5.400°K. Da so genaue Messungen, wie sie zur Feststellung derartiger Knicke erforderlich sind, bisher nur für die erwähnte RW Sola Effekt 134 ausgeführt worden sind, ist noch nicht zu entscheiden, ob es sich um einen chemischen Vorgang mit einer speziellen Komponente des Leuchtdampfes handelt, oder um einen Vorgang in der Luft, etwa die bei dieser Temperatur kräftig einsetzende Dissoziation des Stickstoffs.

Steigert man die Belastung über die Maximalwerte der Abb. 48 hinaus, so nehmen die Bogenschwankungen stark zu, und die Leuchtdichte nähert sich einem Grenzwert, der je nach der Kohlensorte (Dochtzusammensetzung usw., vgl. S. 22) verschieden hoch liegt. Besonders spannungssenkende Zusätze zum Docht vermindern, wie im folgenden Abschnitt gezeigt wird, die Maximalleuchtdichte beträchtlich.

Mit guten Weichdochtkohlen lassen sich 120.000 Stilb konstant erreichen (allerdings bei recht hohem Abbrand!); der Grenzwert liegt hier bei etwa 150.000 Stilb.

Die Dochtzusammensetzung bei Hartdochtkohlen

Mit den höher belastbaren Hartdochtkohlen geeigneter Dochtzusammensetzung (Leuchtdichtekurven z. B.Abb. 49) erreicht man heute technisch konstant 160.000 und kurzzeitig 200.000 Stilb. Dabei ist die hohe Leuchtdichte stets ursächlich mit großem Abbrand der Positivkohle verknüpft. Abb. 50 zeigt diesen empirisch festgestellten Zusammenhang zwischen beiden Größen und ist damit für die Praxis von großer Bedeutung.

Die Grenzen der maximal erreichbaren Leuchtdichte

Baldewein (2) hat im Laboratorium der Siemens-Plania-Werke in einer eingehenden Untersuchung über die Grenzen der Leuchtdichtesteigerung von Beckkohlen insbesondere den Einfluß des Verhältnisses von Docht- zu Manteldurchmesser auf die erreichbare Leuchtdichte untersucht.

Als Ergebnis zeigt Abb. 51 für eine 13mm-Beckkohle bei verschiedenen Belastungen von 150-500 Amp. die Leuchtdichte in Abhängigkeit vom Dochtdurchmesser. Man erkennt, daß mit steigender Belastung der 13mm-Kohle der günstigste Dochtdurchmesser immer mehr wächst. Nurdochtkohlen sollten demnach, abgesehen von den durch die seitlich austretenden Salztropfen vorläufig noch bedingten praktischen Schwierigkeiten, für höchste Belastungen und Leuchtdichten die bestgeeigneten Kohlen sein.

Ein tiefer Krater, wie ihn Kohlen mit dickem Mantel ergeben, hält also zwar die leuchtenden Dämpfe gut zusammen und besitzt daher bei gleicher Belastung höhere Leuchtdichte als ein flacher Krater, ist aber weniger hoch belastbar ohne zu flackern und besitzt daher die geringere Grenzleuchtdichte.

Der Leuchtdichteknick in der Grafik

Dieser Befund wird illustriert durch Abb. 52, die für eine 13mm-Kohle mit 6,5mm-Docht nach Baldewein den Verlauf des positiven Abbrands, der Kratertiefe und der Leuchtdichte von der Stromstärke zeigt. Während der positive Abbrand (die Verdampfung) linear mit der Stromdichte wächst (vgl. auch S. 126 f.), erreicht die Leuchtdichte mit wachsender Belastung einen Knickpunkt, der mit der größten Kratertiefe zusammenfällt und oberhalb dessen die Leuchtdichte wesentlich langsamer ansteigt.

Eine Leuchtdichte bis 200.000 Stilb

Nur bei Kohlen mit äußerst dünnem Mantel bzw. Nurdochtkohlen fehlt dieser Leuchtdichteknick. Abb. 53 zeigt das am Beispiel einer 13mm-Kohle mit 10mm-Docht nach Messungen von Guillery und Zill (38), die bei dieser Kohle mit dünnem Mantel, der durch seitliches Abzundern an der Stirnfläche praktisch verschwunden ist, einen linearen Anstieg der Leuchtdichte bis 200.000 Stilb fanden.

Selbst bei der extremen Belastung von 380 Amp./cm2 entsprechend einem positiven Abbrand von 1,2 mm/sec brannte die Kohle angeblich noch befriedigend flackerfrei. Dabei wurde eine Leuchtdichte der Anodenflamme selbst von maximal 130.000 Stilb gemessen.

Hier einige theoretische Bemerkungen

Wegen der technischen Bedeutung der Erzielung höchster Leuchtdichte seien unter Vorwegnahme späterer Ergebnisse einige theoretische Bemerkungen eingeschaltet.

Da das Leuchten der Dämpfe, wie wir zeigen werden, als thermische Strahlung aufgefaßt werden muß, ist zur Erzielung höchster Leuchtdichte eine möglichst hohe Temperatur im Krater Voraussetzung.

Nach S. 171 ist nun unter sonst gleichen Bedingungen die Dampftemperatur um so höher, je größer die mittlere effektive Ionisierungsspannung der Dämpfe ist. Auf die hieraus folgende Abhängigkeit der Leuchtdichte von der Dochtzusammensetzung gehen wir S. 74 ein.

Vom Absorptionsvermögen der leuchtenden Dampfschicht

Weiter steigt die Leuchtdichte erwartungsgemäß (vgl. S. 8) mit der Strombelastung der Anode. Es wird aber oft vergessen, daß jede Dampfstrahlung und damit auch die Kraterleuchtdichte nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom Absorptionsvermögen der leuchtenden Dampfschicht, und das heißt hier von der räumlichen Dichte der strahlenden Atome und der Dicke der strahlenden Dampfschicht abhängt.

Bei dem technisch erwünschten flachen Krater, bei Verwendung hoch belastbarer schwach gesalzener Kohlen und bei zu starker Absaugung der Leuchtdämpfe dicht oberhalb des Kraters besteht daher die Gefahr, daß die Dichte und die Dicke der leuchtenden Dampf Schicht, und mit ihr das Absorptionsvermögen, so verkleinert wird, daß trotz sehr hoher Dampftemperatur die Strahlungsdichte des Kraters unter dem erreichbaren Maximum bleibt.

Das Ähnlichkeitsgesetz der Hochstromkohlebögen gilt.

Zur Erzielung höchster Strahlungsdichte muß also auf die Erhaltung einer genügenden Dichte und Dicke der Dampfschicht in und vor dem Krater geachtet werden. Ein gutes Kriterium dafür ist, daß bei genügendem Absorptionsvermögen der Dampfschicht Einzelheiten des Kratergrundes nicht mehr erkennbar sein sollten.

Schon aus Abb. 47 und 48 folgt (14), daß das S. 33 behandelte Ähnlichkeitsgesetz der Hochstromkohlebögen in der dort beschriebenen Näherung auch für die Leuchtdichte gilt.

Das erscheint an sich selbstverständlich, da ähnliche Bögen bei gleicher Temperatur auch gleiche Leuchtdichte besitzen müssen. Patzelt (70) hat dieses Leuchtdichte-Ähnlichkeitsgesetz an verschiedenen Beckkohlen eingehend untersucht und darüber z. T. sehr eigenartige, theoretisch kaum glaubhafte Abhängigkeiten mitgeteilt.

Dieses vom Verfasser gefundene Ähnlichkeitsgesetz gilt natürlich nicht für die Belastbarkeit von Beckkohlen. Erfahrungsgemäß kann man nämlich mit dickeren Positivkohlen höhere Leuchtdichten erzielen als mit dünneren, muß sie dafür aber natürlich auch relativ höher belasten.

Dabei zeigte sich, daß die Belastbarkeit gleichartiger Beckkohlen ziemlich genau dem Positivkohlenquerschnitt proportional ist, und zwar kann man 100 Amp./cm2 als mäßige Belastung und 200 Amp./cm2 als die höchste heute technisch verwendbare Belastung guter Hartdochtkohlen ansehen.

Bedingung für eine flackerfreie Strahlung hoher Leuchtdichte

Es wurde schon mehrfach erwähnt, daß es Voraussetzung für einen richtig ausgebildeten Hochstrombogen ist, daß der Elektronenstrom der Bogensäule glatt und ohne Störung des Anodendampfstroms über diesen in den positiven Krater einmündet und hier die Verdampfung bewirkt.

Man erhält folglich auch nur unter dieser Bedingung eine flackerfreie Strahlung hoher Leuchtdichte. Das bedeutet einmal, daß koaxiale Kohlenstellung bei höherer Stromstärke ungünstig ist, weil offenbar der (theoretisch noch nicht verständliche) Impuls der negativen Flamme den Anodendampf ström förmlich zerbläst.

Für Bögen über 120 Amp. kommt daher nur Winkelstellung der Kohlen in Betracht, und für magnetisch nicht beeinflußte Bögen hat sich ein Winkel von 150° als günstig erwiesen, während bei kleinerem Winkel das Einmünden der negativen Flamme in den Krater magnetisch gesteuert werden muß (S. 142).

Die Untersuchung von Bogenlänge und Leuchtdichte

Der Einfluß der Bogenlänge auf die Kraterleuchtdichte (bei konstant gehaltener Stromstärke!) ist vom Verfasser im Bereich geringer Stromstärken und daher unkontrahierter Bogensäule, von Guillery bei verschiedenen Bögen hoher Stromstärke mit voll kontrahierter Säule untersucht worden.

Allgemein sollte man nach unseren theoretischen Vorstellungen über die Abhängigkeit der Kraterleuchtdichte von den anodischen Vorgängen erwarten, daß die Bogenlänge (ebenso wie die Wahl der richtigen Negativkohle) nur für die Bogenstabilität, nicht aber für die Leuchtdichte selbst von Bedeutung wäre.

Dieses Ergebnis wurde bei Beckbögen großer Stromstärke von Guillery auch voll und ganz bestätigt. Bei Veränderung der Bogenlänge um 16mm blieb z. B. die Leuchtdichte eines 200 Amp.-Bogens trotz merklicher Änderung der Bogenspannung und Bogenleistung konstant.

Die nichtlineare Kennlinie bei Beckbögen

Eigene Versuche mit Beckbögen ohne kontrahierte Säule im Stromstärkebereich unterhalb 80 Amp. haben dagegen ergeben, daß deren Kraterleuchtdichte mit zunehmender Bogenlänge zunächst wächst und dann nach Überschreiten eines Maximums wieder abnimmt.

Es ist uns noch nicht klar, welche von zwei möglichen Ursachen hierfür die entscheidende ist. Einmal hängt die Richtung der Anodenflamme und mit ihr die Dicke der vor dem Krater liegenden, an der Krater Strahlung sich beteiligenden Leuchtdampfschicht von der Bogenlänge ab.

Zweitens aber kann mit der Bogenlänge auch die Länge der turbulenten Säule zunehmen. Da aber in dieser je cm Länge etwa 3.000 Watt umgesetzt und damit zur Aufheizung des Leuchtdampfes verwandt werden, ist ein Beitrag dieser turbulenten, dem Krater vorgelagerten Säule zur Kraterleuchtdichte zu erwarten, der an der festgestellten Abhängigkeit der Leuchtdichte von der Bogenlänge bei diesen Bögen geringer Stromstärke beteiligt sein sollte.

Der Trick mit geeigneten magnetischen Ouerfeldern

Versuche von Hannappel (42) sowie von Seeliger und Franzmeyer (91) haben schließlich gezeigt, daß bei Anwendung geeigneter magnetischer Ouerfelder der Bogen bei sehr viel geringerer als der üblichen Länge stabil brennen kann, womit elektrische Leistung gespart und der Wirkungsgrad des Bogens vergrößert wird.

Durch die dabei erfolgende Konzentration des Anodendampf Strahls vor dem positiven Krater kann eine Leuchtdichtesteigerung bis zu 20% erzielt werden, allerdings nur bei mäßig belasteten Bögen. Auf S. 137 gehen wir auf die magnetische Bogenbeeinflussung näher ein.

f) Die Kraterleuchtdichte des Wechselhochstrombogens.

Systematische Leuchtdichtemessungen an mit Wechselstrom betriebenen Hochstrombögen sind erst kürzlich von Haury und dem Verfasser (25) ausgeführt worden, so daß abschließende Ergebnisse bisher nur für den Wechselstrom-Beckbogen mit 8mm RW Sola Effekt 134-Kohlen vorliegen (Abb. 54).

Wie auf S. 20 bereits erwähnt, erwies sich eine geringe Bogenlänge als günstig. Der Kohlewinkel der benutzten Lampe betrug 100°, doch ergaben Versuche, daß auch mit sehr viel kleinerem Kohlewinkel (bei geeigneter magnetischer Beeinflussung sogar mit parallel nebeneinander angeordneten Kohlen!) ein sehr befriedigendes Verhalten erzielt werden konnte, jedenfalls bei den untersuchten Stromstärken bis maximal 150 Amp.

Doppelte Stromstärken beim Wechselstrom-Beckbogen

Der Vergleich von Abb. 54 mit Abb. 48 zeigt, daß zur Erreichung einer bestimmten Kraterleuchtdichte beim Wechselstrom-Beckbogen rund die doppelte Stromstärke aufgewendet werden muß wie beim Gleichstrombogen, in Übereinstimmung mit der Tatsache, daß im Zeitmittel jedem der beiden Krater nur die halbe Bogenleistung zugeführt wird.

Auch die maximale Kraterleuchtdichte ist mit 65.000 Stilb recht niedrig. Bei Bezug auf die Bogenleistung statt der Stromstärke schneidet der Wechselstrombogen dagegen etwas günstiger ab, da wegen der geringeren Bogenlänge die Bogenspannung (Abb. 15) besonders niedrig ist.

g) Die Abhängigkeit der Kraterleuchtdichte von der Dochtzusammensetzung.

Der Einfluß des Dochtmaterials

Die Kraterleuchtdichte von Hochstrombögen mit Salzkohlen hängt (wie die Lichtstärke) wesentlich von der Natur des Leuchtsalzes und der Dochtzusammensetzung und -Behandlung, in geringem Maße auch vom Material (und der Feinkörnigkeit) des Kohlemantels ab.

Während der Einfluß des Mantelmaterials sich im Wesentlichen auf die von der relativen elektrischen Leitfähigkeit des Mantel- und Dochtmaterials abhängende Stromverteilung in der Positivkohle und damit nur indirekt auf die Leuchtdichte auswirken dürfte, ist der Einfluß des Dochtmaterials ein direkter.

Denn die Metallatome des Leuchtsalzes sind ja die wesentlichen emittierenden Zentren der strahlenden Dämpfe; ihr Spektrum bestimmt die Energieverteilung und damit die Farbe des ausgestrahlten Lichtes.

Dochtsubstanzen aus Fluorid und Oxyd des Cer's

Die Temperatur des emittierenden Dampfes und mit ihr die Intensität der Strahlung, d. h. auch die Leuchtdichte, aber hängt, wie wir noch erkennen werden, von der Ionisierungsspannung der Atome des Dampfes und damit in empfindlicher Weise von dessen Zusammensetzung ab.

Normalerweise wird als Dochtsubstanz eine Mischung von Kohlenstoff mit Leuchtsalz verwandt, und dieses besteht beim Beckbogen aus einem Gemisch von Fluorid und Oxyd des Cer's und anderer seltener Erden (meist 45% Cer, 30% Lanthan und 25% übrige seltene Erden, zusammen Cerit genannt).

Erfahrungsgemäß ergibt die Verwendung von überwiegend Fluorid eine hohe Leuchtdichte, aber bei Überlastung ein frühes Flackern und Rußen, während Ceritoxydkohlen bei gleicher Belastung zwar eine geringere Leuchtdichte geben (wie z. B. der Vergleich von Abb. 48 und Abb. 49 zeigt!), aber dafür eine bessere Lichtruhe besitzen und damit höher belastbar sind. Meist werden in der Praxis Mischungen beider Salze zur Herstellung hoch belastbarer Kohlen verwandt, weil die Verwendung von zu viel Oxyd zu dem sehr störenden Auftreten von Karbidtropfen im Krater Anlaß gibt.

Dochtmaterialien verändern sich beim Abbrand

Es ist wichtig zu bemerken, daß die Dochtmaterialien bei der Fabrikation und der Vorheizung der Kohle hinter dem positiven Krater nicht unverändert erhalten bleiben. Beim Glühen des Dochts wird vielmehr nach Röntgenuntersuchungen von Stintzing (93) ein Teil des Ceritfluorids in ein Oxyfluorid der Zusammensetzung CeOF umgewandelt, und anscheinend geht teilweise die Umsetzung mit dem Luftsauerstoff weiter zum Ceritoxyd.

Dadurch erklärt sich, daß hochgeglühte Beckkohlen sich ähnlich verhalten wie solche mit einem erheblichen Prozentsatz Oxyd. Es ist weiter mit Sicherheit bekannt, daß der Salzgehalt des Dochtes von großer Bedeutung für die Leuchtdichte ist.

Ein hoher Salzgehalt (über 45 Gewichts %) gibt nämlich eine große Leuchtdichte und eine kurze, stark leuchtende Anodenflamme, aber gleichzeitig auch eine starke Lichtunruhe.

Schwach gesalzene Kohlen (etwa 30% Salz) dagegen ergeben ausgezeichnete Lichtkonstanz und äußerst ruhige Bögen, aber dafür relativ geringe Leuchtdichte. Beispiele für die beiden Typen von Kohlen bilden die RW-Kohlen H 70 und H 65 (vgl. Abb. 49).

Leuchtsalze sind z.B. Ceritfluorid und -oxyd

Wir haben bisher nur von Ceritfluorid und -oxyd als den Leuchtsalzen gesprochen. Tatsächlich werden den Beckdochten meist noch kleinere Zusätze verschiedener anderer Stoffe zur Bindung, Bogenberuhigung und u. U. auch Spannungssenkung beigefügt, deren Wirkung trotz unserer vielseitigen Versuche bisher nur einigermaßen übersehen werden kann.

Sicher ist nur, daß der Zusatz spannungssenkender Stoffe von geringer Ionisierungsspannung, wie besonders Kalium, in theoretisch verständlicher Weise (vgl. S. 176) die Dampftemperatur senkt und damit die Leuchtdichte vermindert.

Diese Wirkung braucht nicht immer im gesamten Belastungsbereich der Kohle sichtbar zu sein, wirkt sich aber bei hoher Belastung stets aus.

In ähnlicher Weise wie Kalium wirkt anscheinend der im Cerit vorhandene Anteil an Lanthan wegen dessen geringer Ionisierungsspannung von nur 5,5 Volt gegenüber 6,9 Volt beim Cer.

Die Ringsdorff-Werke stellten deshalb auf Vorschlag von Wolff und dem Verfasser Beckkohlen von sonst gleicher Zusammensetzung und Fertigungsart mit den einzelnen Komponenten des Cerits allein her, die von Wolff und von uns eingehend untersucht wurden.

Vergleich der Leuchtdichten von Kino-Beckkohlen

Abb. 55 zeigt einige der Ergebnisse für 7mm-Weichdochtkohlen, und zwar den Vergleich der Leuchtdichten einer gewöhnlichen Kino-Beckkohle für kleinere Theater („156") mit der reinen Cerkohle und der reinen Lanthankohle, Abb. 56-58 den Verlauf der Bogenspannung, des Anodenfalls und des positiven Abbrands der gleichen Kohlen mit der Stromstärke.

Erwartungsgemäß liegt die Leuchtdichte der Cerkohle am höchsten und besonders bei hoher Belastung weit über der der Normalkohle, während die Lanthankohle entsprechend der geringen Ionisierungsspannung des Lanthans eine sehr geringe Leuchtdichte zeigt.

Außer den üblichen, auf der Basis des Cerits als Leuchtsalz aufgebauten Beckkohlen hat man Hochstromdochtkohlen mit den verschiedensten anderen Metallsalzen als Leuchtsubstanz erprobt. Geeignet sind theoretisch und in Übereinstimmung mit der Erfahrung alle Salze von genügend hoher Siedetemperatur (die nicht zu stark mit dem Kohlenstoff im Krater Karbid bilden, das spritzt und die Ausbildung des Kraters stört), von genügender Liniendichte im sichtbaren Spektrum und von nicht zu geringer Ionisierungsspannung.

Diese Bedingungen erfüllt z. B. gut das Eisenfluorid, das ein recht intensives, aber ziemlich bläuliches sichtbaren Spektrum und Licht ergibt, und in geringerem Grade das Calcium, das wegen seiner geringeren Ionisierungsspannung zwar eine merklich geringere Leuchtdichte, aber ein u. U. erwünschtes, leicht gelbliches (in der Anodenflamme sogar leuchtend goldgelbes) Licht gibt.

Cerit-Ersatzkohle gegen Ende des 2. Weltkrieges

Die Kraterleuchtdichte einer Ca-Beckkohle ist in Abb. 55 in Abhängigkeit von der Stromstärke ebenfalls eingetragen. Eine aus Fe- und Ca-Salzen aufgebaute Kohle hat sich z. B. Ende des Krieges als Cerit-Ersatzkohle im Kinobetrieb durchaus bewährt, wenn auch ihre Leuchtdichte um 25 bis 30% unter der der Ceritkohle lag.

  • Anmerkung : Das Metall "Cer" der seltenen Erden wurde und wird in Deutschland und in den damals von Reichs-Deutschland besetzten Gebieten nicht gefördert und wurde sehr knapp. Darum auch die Fe-Ca Ersatzkohlen, fast wie damals bei der Butter - zuerst mit der Ersatzmargarine und dann auch noch Margarine-Ersatz.


Es sei abschließend betont, daß hier nur einige Gesichtspunkte über den Zusammenhang von Dochtzusammensetzung und Leuchtdichte gegeben werden konnten, da die feineren Einzelheiten noch unverständlich sind und zudem von den Fabriken als Betriebsgeheimnis gehütet werden.

Auch beim Homogenkohle-Hochstrombogen haben wir übrigens die Abhängigkeit der Leuchtdichte vom Material der Positivkohle feststellen können. Abb. 59 zeigt die Stromstärkeabhängigkeit der Kraterleuchtdichte der drei uns schon von ihren Zischeigenschaften (S. 41) her bekannten Ringsdorff-Homogenkohlen aus Koks (Gamma S), Ruß (Gamma V) und einer zwischen diesen Extremen stehenden Sorte (Gamma X). Man erkennt, daß selbst bei diesen noch sehr ähnlich aufgebauten Homogenkohlen sehr erhebliche Unterschiede der Leuchtdichte auftreten.

h) Die Leuchtdichte der Anodenflammen.

Es ist schon verschiedentlich darauf hingewiesen worden, daß die Leuchtdichte der Anodenflamme auch ohne den Hintergrund des positiven Kraters sehr beträchtliche Werte annehmen kann, und die Bogenphotographien vermitteln (im Negativ) wenigstens einen ungefähren Eindruck von der Leuchtdichteverteilung längs der Flamme.

Genaue Messungen weren durch Schwaden behindert

Eine genaue Messung, die wegen des theoretischen, noch zu behandelnden Zusammenhangs zwischen Leuchtdichte und Temperatur von Interesse wäre, ist wegen der die Anodenflamme fast stets in mehr oder minder ausgeprägtem Maß umhüllenden bräunlichen Schwaden leider recht schwierig, weshalb wir auf die Wiedergabe dieser Messungen verzichten.

Der hellere Saum der Bogensäule

Von Bedeutung dagegen scheint, daß nach Rohloff (78) die Anodenflamme des Beckbogens an der Berührungsstelle mit der Bogensäule besonders aufgeheizt wird und daher hier ein hellerer Saum erscheint, der beim Reinkohle-Hochstrombogen merkwürdigerweise fehlt. Rohloff schließt hieraus, daß die Temperatur der Bogensäule (nach übereinstimmenden Ansichten der meisten Autoren in Luft von der Größenordnung 6ooo°K) höher sein müsse als die der Beckflamme vor dem Krater, während die Anodenflamme des Reinkohlebogens die gleiche (oder eine höhere) Temperatur besitzen soll als die Bogensäule.

Es ist ein Oberflächeneffekt

Nach unsern Beobachtungen ist dieser „Oberflächeneffekt", wie Rohloff die Erscheinung nennt, wohl vorhanden, doch ist der Leuchtdichte-Unterschied nicht so wesentlich, daß seine Berücksichtigung bei der Messung der Kraterleuchtdichte erforderlich wäre.

Ferner scheint uns der Name „Oberflächeneffekt" nicht sehr günstig gewählt, da sich (auch nach Rohloffs Zeichnungen) die Aufhellung über die gesamte turbulente Säule, d. h. den stromführenden Teil der Anodenflamme erstreckt.

Wir glauben daher auch nicht, daß man von dieser Aufhellung, d. h. Aufheizung, auf die Temperatur der normalen Bogensäule relativ zu der der Anodenflamme schließen kann, glauben vielmehr, daß es sich hier um die S. 72 bereits erwähnte Wirkung der Aufheizung der turbulenten Säule durch den Stromfluß handelt.

Leuchtdichtesteigerung durch Aufheizung

Unabhängig von der absoluten Temperatur der Anodenflamme muß deren stromführender Teil, d. h. die turbulente Säule, noch zusätzlich aufgeheizt werden, da in ihr einige Kilowatt je cm³ umgesetzt werden, und diese Aufheizung muß sich u. E. als Leuchtdichtesteigerung bemerkbar machen. Warum diese nach Rohloffs Angaben bei der Reinkohle-Anodenflamme nicht auftritt, können wir mangels eigener Versuche nicht entscheiden.

Daß die Flammenleuchtdichte mindestens in den dem Krater vorgelagerten Teilen der turbulenten Säule erheblich von der Stromstärke abhängt, zeigt Abb. 6o, in der die obere Kurve nach Messungen von Schlüge und dem Verfasser (31) die Leuchtdichte der Anodenflamme dicht vor dem Krater (aber quer zu Rohloffs Oberflächeneffekt !) zeigt, während die untere Kurve nach Haury (25) die Leuchtdichte der turbulenten Säule eines kurzen, zwischen koaxialen Kohlen brennenden Wechselstrom-Beckbogens gleicher Kohlesorte darstellt.

Für die beachtliche Leuchtdichte der Anodendämpfe ist kennzeichnend, daß schon 7-8mm dicke Dampfstrahlen eine Leuchtdichte bis zu 50.000 Stilb, d. h. bis zum 2,5fachen der Leuchtdichte des glühenden Kohlenstoffs bei 4.000°K ergaben.

Guillery und Zill(38) haben vor dem Krater eines mit 500 Amp. extrem überlasteten 13mm-Bogens ja sogar eine Flammenleuchtdichte von 130.000 Stilb gemessen.

i) Der Zusammenhang von Kraterleuchtdichte, Anodenfall (bzw. Brennspannung) und Abbrand der Positivkohle.

Es sei schon hier auf die für die spätere Theorie der Vorgänge sehr wichtige Beobachtung hingewiesen, daß die Leuchtdichte aller Beckkohlen gleicher Dochtzusammensetzung eine eindeutige Funktion des Anodenfalls und des Abbrands der Positivkohle, bzw. genauer des durch Verdampfung entstehenden überwiegenden Anteils des Abbrands ist.

Kohlen hoher Leuchtdichte ergeben also auch immer großen Abbrand und hohen Anodenfall (16). Die Abb. 55 bis 58 zeigen, daß bei den oben erwähnten Beckkohlen mit verschiedenen Leuchtsalzen die Kurven der Stromstärkeabhängigkeit der Leuchtdichte, der Bogenbrennspannung, des Anodenfalls und des Abbrands der Positivkohlen in der Tat größte Ähnlichkeit aufweisen, und das gleiche gilt für die drei nach Abb. 49 von Hannappel (24) gemessenen hochbelasteten Hartdocht-Beckkohlen.

Typische Eigenschaft des Hochstromkohlebogens

Den aus empirischen Daten ermittelten Zusammenhang zwischen dem positiven Abbrand und der Kraterleuchtdichte von Beckkohlen Abb. 50 haben wir oben bereits erwähnt. Der besprochene Zusammenhang ist aber nicht auf Beckkohlen beschränkt, sondern muß nach unseren Untersuchungen als typische Eigenschaft des Hochstromkohlebogens ganz allgemein angesehen werden.

Diese Eigenschaft gilt also auch für den Homogenkohle-Hochstrombogen, wie z. B. die in Abb. 59 eingetragenen Werte des positiven Abbrands der drei Homogenkohlen zeigen, für die ebenfalls Leuchtdichte und Abbrand durchaus parallel laufen, und das gleiche gilt ebenfalls für die Brennspannung als Maß für den Anodenfall.

k) Die Frontal-Lichtstärke.

Als Frontallichtstärke bezeichnen wir die (natürlich ohne jede optische Abbildung!) von einem Punkt der Verlängerung der Positivkohle aus gemessene Lichtstärke des Bogens in HK. Abb.61 zeigt für einige von Schlüge und dem Verfasser (31) gemessene Gleichstrom-Beckbögen von 7-11mm Durchmesser und einen von Haury (25) gemessenen Wechselstrom-Beckbogen (8mm-Kohlen gleicher Marke) die Frontallichtstärke in Abhängigkeit von der Stromstärke, Abb. 62 in Abhängigkeit von der elektrischen Bogenleistung.

Erkenntnisse aus Abb. 61 und 62

Aus Abb. 61 und 62 lassen sich eine Anzahl interessanter Ergebnisse ablesen:
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  • 1. In erster, gröbster Näherung ist (jedenfalls beim Gleichstrom-Beckbögen!) die Frontallichtstärke vom Kohledurchmesser unabhängig. Genau genommen ist bei gleicher Stromstärke bzw. Leistung die Frontallichtstärke um so größer, je geringer der Positivkohlendurchmesser, je höher der Bogen also spezifisch belastet ist.
  • 2. Die Abhängigkeit der Frontallichtstärke von der Bogenleistung (Abb. 62) ist linear, ja es besteht fast Proportionalität. Der Beckbogen strahlt nach unseren Messungen je Watt umgesetzter Leistung eine Frontallichtstärke von 8-9 HK. Dieses empirische Gesetz gilt nach zusätzlichen Messungen von Schlüge, Haury und dem Verfasser innerhalb ±10% bei Gleich-, Wechsel- und Drehstrom-Beckbögen für Leistungen bis mindestens 100 kW.
  • 3. Zur Erzielung gleicher Frontallichtstärke ist beim Wechselstrom-Beckbogen nach Abb. 61 wieder rund die doppelte Stromstärke erforderlich wie beim Gleichstrom-Beckbogen, während bei Bezug auf gleiche elektrische Bogenleistung der Wechselstrom-Beckbogen bei günstigster Einstellung auch des Blasmagneten sogar noch etwas besser abschneidet als der Gleichstrom-Beckbogen. Dieser Befund deutet bereits auf die etwas höhere Lichtausbeute des Wechselstrom-Beckbogens hin (vgl. S. 85).

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