Titel: | ENTWICKLUNGSGESCHICHTE UND HERSTELLUNG DER MODERNEN ELEKTRISCHEN LICHTQUELLEN. |
Autor: | A. Linker |
Fundstelle: | Band 327, Jahrgang 1912, S. 570 |
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ENTWICKLUNGSGESCHICHTE UND HERSTELLUNG DER
MODERNEN ELEKTRISCHEN LICHTQUELLEN.
Von Dr.-Ing. A. Linker.
(Fortsetzung von S. 547 d. Bd.)
LINKER: Entwicklungsgeschichte und Herstellung der modernen
elektrischen Lichtquellen.
Auch das Azetylenlicht verdankt seinen hohen Glanz
nur der hohen Temperatur, bei welcher der Kohlenstoff leuchtet (3000° C). Die
Erfolge auf dem Gebiete der Gastechnik sind jedoch nicht allein eine Folge der
Verwendung höherer Temperaturen, sondern es spielt hierbei auch noch das Wesen der
Lichtemission eine bedeutende Rolle.
Auch die Lumineszenzwirkung, d.h. das Leuchten von Dämpfen oder Gasen, kann dazu
dienen, die Leuchtkraft von Flammen zu erhöhen. Ich erinnere dabei an die Tatsache,
daß man Flammen durch Karburierung, d.h. Beimischung von Kohlenstoffverbindungen, zu
hellerem Leuchten anregen kann.
Auf diese Weise ist es möglich, die Leuchtkraft einer Petroleumlampe durch
Hineinlegen von Kampferstückchen in das Petroleum oder einer Gaslampe durch Leiten
des Gases über Karburierbenzol zu erhöhen. Eine Steigerung der Helligkeit läßt sich
ferner durch Einführung von Dämpfen der Natrium-, Kalium-, Lithiumverbindungen oder
von staubförmigen Teilchen des Strontiums, Baryums oder Flußspats erzielen, wie wir
es später bei den Flammenbogenlampen sehen werden. Betrachtet man diese Flammen
durch ein Spektroskop, so erkennt man, daß in ihnen Strahlen bestimmter Farbe
besonders hervortreten.
Anders ist die Art des Glühens, wie sie durch einen elektrischen Strom hervorgerufen
wird. Dabei unterscheiden wir unter den verschiedenen Lichtquellen: Glühlampen,
Bogenlampen, Quecksilberdampflampen und das Moore-Licht.
Die Glühlampen werden da angewendet, wo nur
verhältnismäßig niedrige Leuchtkraft erforderlich oder, wie bei den
Metallfadenlampen mit hoher Leuchtkraft über 100 HK bis 1000 HK, wo der Fortfall der
Bedienung in Frage kommt. Während man ursprünglich Kohlenfadenlampen mit etwa 3,4
W/HK spez. Verbrauch benutzte, hat man sich dann den wirtschaftlicheren Nernst- und Tantallampen mit 1,7 W/HK und neuerdings den
Metallfadenlampen mit etwa 1,2 bis 0,8 W/HK Verbrauch zugewandt.
Für größere Lichtmengen, insbesondere wo eine starke punktförmige Lichtquelle
erforderlich ist, wie bei Scheinwerfern, Projektionsapparaten usw., kommen die Bogenlampen in Frage. Hierbei wird infolge des
Stromüberganges zwischen zwei Kohlenspitzen ein Lichtbogen gebildet, wie ihn schon
Alessandro Volta und später (1809) Davy erzeugt haben. Beim Stromübergang entwickelt sich an
der positiven Kohle eine Temperatur von etwa 4000° C, an der negativen 2500°.
Dadurch kommen die Spitzen, besonders die positive zum hellen Leuchten, während der
Flammenbogen selbst geringere Helligkeit besitzt. Sämtliche verschiedenen Formen von
Bogenlampen stellen nur Mechanismen verschiedener Art dar, um den Lichtbogen
zu bilden und die Kohlen entsprechend ihrem Abbrand in gleichem Abstand zu
halten.
Die Bogenlampen mit Reinkohlen hatten einen
Durchschnittsverbrauch von 1,7 W/HK mittlerer hemisphärischer Intensität mit Glocke
und 1,2 W/HK ohne Glocke. Um nun das öftere Auswechseln der Kohlenstäbe zu vermeiden
und eine längere Brenndauer zu erzielen, schloß man den Lichtbogen in eine
Glasglocke ein, die nur wenig Luft in das Innere eintreten ließ. Dadurch wurden die
Kohlen in einer sauerstoffärmeren Atmosphäre verbrannt und der Abbrand geringer.
Diese sogen. Dauerbrandlampen zeigten daher eine
Brenndauer von 80 bis 100 Stunden mit einem Paar Kohlen gegenüber 8 bis 10 Stunden
bei den gewöhnlichen Lampen. Wenn dadurch auch der Strom bei gleicher Helligkeit auf
die Hälfte sank, so stieg die Spannung fast auf das Doppelte (etwa 80 Volt) und der
spezifische Verbrauch erreichte nur den Wert von 1,5 W/HK. Wesentlich besser sind
die Eigenschaften der Bogenlampen gekapselter Bauart (z.B. Regina, Reginula usw.),
da sie nur 0,8 W/HK bei 200 bis 300 Stunden Brenndauer beanspruchen. Durch
Verringerung der Kohlenstärke auf 6 mm sinkt der Verbrauch auf 0,5 W/HK (Helia) bei
40 bis 50 Stunden Brenndauer. Die Helialampe enthält allerdings schon einen Docht
mit Leuchtzusätzen und bildet daher den Uebergang zu den Flammenbogenlampen.
Verwendet man nämlich Kohlen, deren mittlerer achsialer Teil, Docht genannt, aus
Kohlenpulver, Wasserglas und verschiedenen Oxyden und Salzen des Strontiums, Baryums
und Kalziums besteht, so schweben die staubförmigen Zusätze nach dem Verbrennen des
Kohlenpulvers als leuchtende Teilchen in dem Lichtbogen und erteilen der Flamme eine
besondere (gelbliche, rötliche oder perlweiße) Färbung und hohe Leuchtkraft. Der
Verbrauch beträgt etwa 0,2 W/HK bei 6 bis 8 Stunden Brenndauer. Von den neueren
Fabrikaten dieser Art sind dabei zu nennen: Die Bremerlampen,
Polar-Flammenbogenlampe (Carbonlicht-Ges.), Prima-Effektlampe (Regina) Effektlampen
(Siemens-Schuckert), Becklampe u.a.m.
Wesentlich anders spielen sich die Vorgänge in den sogen. Quecksilberdampflampen ab. Hierbei wird die Wärmewirkung des Stromes dazu
benutzt, um Quecksilber in einem geschlossenen und stark luftverdünnten Glasgefäß in
Dampfform umzuwandeln und zum Glühen zu bringen. Der Quecksilberdampf dient dann als
Stromleiter und sendet eine große Lichtmenge bei verhältnismäßig geringem
Energieverbrauch aus.
Zu den Quecksilberdampflampen gehören die Aronslampe der
AEG, Berlin und die von Cooper Hewitt angegebene Form der
Westinghouse El. Co., Pittsburg. Sie haben jedoch
ebenso wie die Uviol- und Hageh-Lampen von Zeiß und Heraus den Nachteil, daß sie fast nur blaue und
violette Strahlen aussenden. Diese sind zwar chemisch äußerst wirksam zur
Herstellung von Photographien und Lichtpausen, jedoch für die Beleuchtung von
Wohnhäusern, Kunsthallen, Theatern unbrauchbar, da sie die Farben stark
verändert erscheinen lassen. So wird z.B. rot als schwarz, blau als violett
erhalten. Die Ursache dieser einseitigen Farbenausstrahlung liegt darin, daß der
Quecksilberdampf bei einer Temperatur von nur etwa 400° C leuchtet.
Erhöht man dagegen die Temperatur des Quecksilberdampfes auf etwa 5000° C, wie es Dr.
Küch zuerst bei der von ihm angegebenen Quarzlampe getan hat, so treten neben den blauen Strahlen
noch grüne und gelbe, wenn auch nur in verhältnismäßig nicht großer Menge auf,
wodurch das Licht glänzender wird. Steinmetz verwendet
dafür die Halogensalze der Leichtmetalle. Hierbei entsteht jedoch innerhalb des
Gefäßes ein Druck von etwa 1,2 at. Der großen Hitze und dem Druck würden Glasgefäße
nicht standhalten. Deshalb bestehen die Röhren aus Quarzglas, welches aus dem sehr
schwer (6000° C) schmelzbaren Bergkristall hergestellt wird. Dieses Material hat
außerdem die wertvolle Eigenschaft, auch die violetten und ultravioletten Strahlen
vollständig durchzulassen. Der spezifische Verbrauch beträgt hierbei nur 0,27 W/HK.
Außerdem sind keine Kohlen oder Wartung erforderlich. Die Brenndauer beträgt normal
1000 Stunden, maximal 2500 + 10000 Stunden. Ferner kann die Lampe in Einzelschaltung
mit 220 Volt brennen. Der Preis beträgt für 3000 HK, 3,5 Amp. etwa 200 M, für 1500
HK, 2,5 Amp. etwa 170 M. Tatsächlich kommt nach einmaliger Anschaffung jedoch nur
ein Ersatzbrenner für 25 M in Frage.
Während nun alle bisher angegebenen Beleuchtungskörper fast ausschließlich
Spezialzwecken dienen, kann man die elektrische Glühlampe in der modernsten Form für
Lichtstärken von 5 bis 1000 HK als Universallichtquelle betrachten. Es ist daher
wohl interessant, gerade ihre Entwicklung und Herstellungsweise genauer kennen zu
lernen.
Im Jahre 1878 führte Th. A. Edison die erste Glühlampe auf
der Ausstellung in Paris vor. Die Herstellung der Lampe geschah in der Weise, daß
eine Schleife von dünnem Platindraht in einer luftleer gepumpten Glasbirne
angeordnet und ihre Enden zu zwei Kontakten eines Sockels geführt wurden. Das teuere
Material, das Abschmelzen und Verdampfen des Fadens bei Ueberspannungen und die
Forderung billigerer Herstellungsmethoden führten allmählich zur Verwendung von Kohlenfäden. Anfänglich konnte man jedoch nur Lampen für
Spannungen von 65 bis höchstens 110 Volt herstellen. Erst die verbesserten
Fabrikationsverfahren und die Hintereinanderschaltung mehrerer Glühfäden in einer
Lampe, sowie die Anbringung von Stützen und Verankerungen des Fadens ermöglichten
es, Lampen für höhere Spannungen bis zu 250 Volt zu bauen. Ursprünglich waren die
Kohlenfäden aus Bambusfaser bereitet, die durch einen Satz von immer enger werdenden
Düsen gezogen wurde. Sie zeigten jedoch keine genügende Gleichmäßigkeit und
Haltbarkeit. Man ist daher zu folgendem noch heute gebräuchlichen Verfahren
übergegangen.
Eine breiartige Masse aus Zellulose, die durch Einwirkung von verdünnter
Schwefelsäure auf Baumwolle und nachfolgendes Auswässern erhalten wird, oder
Eisessigkollodium wird durch dünne Oeffnungen zu feinen Fäden ausgespritzt. Die
entsprechend geformten Fäden werden dann unter Luftabschluß geglüht und verkohlen
dabei.
Nun befestigt man sie in dem Sockel einer Lampe und bringt sie in einer Atmosphäre
von schweren Kohlenwasserstoffen zum Weißglühen, wobei sich Kohlenstoff in Form von
Graphit abscheidet. Da nun die dünneren Stellen stärker. glühen, so scheidet sich an
ihnen mehr Graphit ab, als an den stärkeren und daher weniger glühenden. Nachdem der
Faden auf diese Weise eine genügende und gleichmäßige Dicke erhalten, etwa 0,3 mm
für 220 Volt und 32 HK, wird er in die Glasbirnen eingeschlossen und diese durch
Quecksilber-, Oel- oder Kapselpumpen nahezu luftleer gepumpt.
Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit wurde durch das von John W. Howell, Ingenieur der General Electric
Co., Schenectady, in der 22. Jahresversammlung des American Institute of
Electrical Engineersvergl. Journal für
Gasbeleuchtung 1906, S. 219. angegebene Verfahren der Metallisierung von Kohlenfäden erzielt.
Gewöhnlicher Kohlenstoff hat einen spezifischen Widerstand ρ = 2000 ÷ 5000 Mikrohm-Zentimeter und ein spez. Gewicht γ = 1,88; für Graphit gilt ρ = 200 ÷ 800 Mikrohm-Zentimeter und γ = 1,8
– 2,25. Glüht man nun einen Kohlenfaden unter Luftabschluß sehr stark, so nimmt sein
spez. Widerstand sehr bedeutend ab. Außerdem wird der ursprünglich negative
Temperaturkoeffizient allmählich gleich Null und steigt bisweilen bei Erhöhung der
Glühtemperatur auf einen positiven Wert. Der Faden verhält sich dann wie ein Metall
oder Leiter erster Klasse, weswegen er die Bezeichnung metallisiert erhalten hat.
Nach dem Brennen in einer Glühtemperatur von 3500° bis 3700° C zeigt der
metallisierte Faden einen spez. Widerstand ρ = 70 ÷ 60
Mikrohm-Zentimeter, ein spez. Gewicht γ = 1,96 und
einen positiven Temperaturkoeffizienten.
Die weiteren Versuche, den Stromverbrauch zu ermäßigen und die Oekonomie der Lampen
zu verbessern, führten zur Konstruktion der Nernstlampe
im Jahre 1899. Hierbei ist der Glühfaden ein Leiter zweiter Klasse, bestehend aus
Magnesiumoxyd mit Zusätzen von Kaolin, Thorium- oder Ceriumoxyd. Da er jedoch bei
gewöhnlicher Temperatur ein schlechter Leiter ist, sein Widerstand mit höherer
Temperatur aber abnimmt, so wird in seiner Nähe eine kleine Heizspirale zur
Vorwärmung angebracht. Wird nach dem Anwärmen der durch den Glühfaden fließende
Strom so stark, daß er zur weiteren Steigerung der Temperatur genügt, so schaltet
sich die im Nebenschluß zum Glühkörper liegende Heizspirale durch ein Relais
selbsttätig ab. Zum Schütze des Glühfadens dient eine Glasglocke, die nicht
luftdicht abgeschlossen ist, da der Leuchtkörper als Oxyd ja nicht verbrennen kann.
Die Lampe hat jedoch den Nachteil, daß erst eine gewisse Zeit (etwa 15“) notwendig
ist, um sie zum Glühen zu bringen. Sie ist daher jetzt nur noch als Projektionslampe
oder bei Aerzten in Verwendung.
Gleichzeitig mit der Nernst-Lampe wurden von der Deutschen Gasglühlicht-Aktiengesellschaft, Berlin, im
Jahre 1900 Lampen mit einem Metallfaden aus Osmium zum
ersten Male in den Handel gebracht, die jedoch wegen des nur geringe Festigkeit
zeigenden Materials und der niedrigen bis etwa 50 Volt reichenden Gebrauchsspannung
keine große Zukunft hatten.
Erst die von Siemens & Halske, Berlin, gebaute Tantallampe vom Jahre 1903 konnte mit der
Kohlenfadenlampe erfolgreich konkurrieren. Sie enthält einen Glühfaden aus reinem,
gezogenem Tantalmetall. Die Gewinnung und
Verarbeitung des Tantals geschieht in folgender Weise.
Unter den in besonders reichlicher Menge in Schweden, Norwegen, Nordamerika und
Australien gewonnenen Tantalerzen kommen für die Tantalfabrikation hauptsächlich die
Tantalite und Columbite in Frage. Erstere bestehen vorzugsweise aus tantalsaurem
Eisen und Mangan mit 50 bis 70 v. H. Tantalsäure (Ta2O5), während die Columbite daneben noch
Niob in Form von Eisen- und Manganniobverbindungen und nur 15 bis 40 v. H.
Tantalsäure enthalten. Durch entsprechende chemische Behandlung wird die Tantalsäure
aus den Erzen gewonnen und durch Zusatz von Fluorkalium zu dem Doppelsalz
Tantalkaliumfluorid (KFl)2 TaFl5 bezw. (KFl)2
TaOH3 umgewandelt.
Durch Erhitzen mit Natrium im Wasserdampfstrom nach der Methode von Berzelius und Rose entsteht
ein schwarzes Pulver, das noch Oxyde und Wasserstoff enthält. Zur Reinigung und
Schmelzung wird das Pulver in Form von Patronen im elektrischen Ofen unter Anwendung
eines hohen Vakuums stark erhitzt, wobei die Gasreste dissoziiert und entfernt
werden. Als Endprodukt bleibt ein Regulus von Tantalmetall, der durch öfteres
Umschmelzen noch an Reinheit gewinnt. Da der Schmelzpunkt des Tantals etwa bei 2900°
C liegt, so bereitet das Schmelzen große Schwierigkeiten bei der Darstellung. Die
Siemens & Halske A.-G., Berlin, ließen sich dafür
u.a. folgendes VerfahrenL'Electricien 1907,
S. 369. patentieren.
Die zu schmelzende Metallmasse wird an der Anode einer luftleer gepumpten Crookeschen Röhre befestigt. Beim Stromdurchgang werden
kleine Teilchen, Corpuskeln genannt, von der Kathode mit ungeheurer Geschwindigkeit
gegen die Tantalmasse fortgeschleudert. Dabei werden infolge des Anpralls große
Mengen kinetischer Energie vernichtet und in Wärmemengen umgesetzt, die eine so hohe
Temperatur hervorrufen, daß das Tantalmetall in kurzer Zeit zum Schmelzen kommt.
Tantal wird von kochender Salzsäure, Schwefelsäure Salpetersäure und Königswasser
oder in alkalischen Lösungen nicht angegriffen. Nur Flußsäure übt eine Einwirkung
aus. In der Rotglut läßt es sich zu Blech hämmern und kalt zu Draht walzen und
ziehen. Durch wiederholtes Glühen und Hämmern erlangt es dagegen die Härte des
Diamanten bei größter Zähigkeit. Seine Zerreißfestigkeit beträgt 9000 kg/qcm. Mit
Kohlenstoff bildet
es in der Rotglut Karbide, die sehr brüchig sind. Reines Tantal hat ein spez.
Gewicht von 16,5 im Gegensatz zu dem in den Lehrbüchern der Chemie angegebenen von
12,8 (nach Moissan), woraus ersichtlich ist, daß man
bisher niemals Tantal in reiner Form, sondern nur als Karbid gekannt hat. Der spez.
elektrische Widerstand beträgt ρ = 16,5
Mikrohm-Zentimeter, d.h. etwa ⅙ von dem des Quecksilbers. Der Temperaturkoeffizient
ist α = 0,234 v. H. für 1° C. Während also bei der
Kohlenfadenlampe der Widerstand mit höherem Temperaturkoeffizient bezw. Spannung
abnimmt, wird er bei den Metallfadenlampen größer, so daß letztere beim Einschalten
einen stärkeren Strom als den normalen führen.
Aus dem Tantalmetall werden nun Fäden von äußerst geringer Dicke (0,05 mm für 110 V,
25 HK) gezogen. Da nun für 110 V Spannung eine Länge von 65 cm erforderlich ist und
die Glühlampe die Größe einer Kohlenfadenlampe nicht überschreiten sollte, so muß
der Faden in 22 Zickzackwindungen auf einem der Siemens
& Halske A.-G. patentierten System von Haltedrähten
in Wellenform befestigt werden.
Im Anfang des Jahres 1906 trat auch die Deutsche
Gasglühlichtgesellschaft, Berlin, mit einer praktisch brauchbaren
Metallfadenlampe, die sie entsprechend der ursprünglichen Zusammensetzung des
Glühkörpers aus Osmium und Wolfram als Osramlampe
bezeichnete, an die Oeffentlichkeit. Sie hatte gegenüber der Tantallampe den Vorzug,
daß sie nur etwa 1 W/HK anstatt 1,5 W/HK verbrauchte. Versuche mit Verbindungen von
Zirkon und Kohle führten zur Konstruktion der Zirkonkohlen- und Zirkon-Lampe
von Dr. Hollefreund, Berlin, während die Firma J. Pintsch, Berlin, nach dem Verfahren von Dr. H. Kužel die „Sirius-Kolloid“-Lampe in den Handel
brachte. Es folgten dann die Lampen der Wolframlampen
A.-G., Bergmann Elektrizitätswerke, Allgemeine
Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin, und einige Lampen, die noch weniger
bekannt sein dürften, z.B. die Helion-Lampe von Prof. H.
C. Parker und W. Clark,
Dozenten an der Columbia-Universität, die Canello-Lampe
und die von J. A. Heany zum Patent angemeldete Titanfadenlampe vom Jahre 1907.
Alle diese Arten von Lampen haben Glühfäden, deren Herstellung nicht durch Walzen
oder Ziehen erfolgen konnte. Da nämlich die hierfür in Frage kommenden Metalle in
reiner Form zu spröde und brüchig, teilweise auch sehr schwer schmelzbar sind, um
daraus Material zum Ziehen von Drähten herstellen zu können, so mußte man die Fäden
durch Zusammensintern kleiner Teilchen erzeugen. Dabei kann man drei Verfahren
unterscheiden:
1. das Pasteverfahren nach Dr. Auer v.
Welsbach,
2. das Ueberzugsverfahren nach Dr. Just-Hanamann,
3. die Methode der Anwendung kolloidaler Lösungen nach Dr.
Kużel.
Schon im Jahre 1900 wurde von der Deutschen
Gasglühlicht-A.-G., Berlin, die jetzt nicht mehr fabrizierte Osmiumlampe nach
dem Pasteverfahren hergestellt.
Osmium gehört zur Gruppe der Platinmetalle und besitzt ein spez. Gewicht γ = 22,5. Es ist an der Luft leicht oxydierbar, sein
Schmelzpunkt liegt bei 2500° C. Aus der Osmiumsäure (OsO4), die durch Glühen an der Luft oder Behandlung mit Chlor in Gegenwart
von Wasser erhalten wird, scheidet sich durch reduzierende Mittel Osmiummetall als
feines Pulver ab. Durch geeignete Bindemittel, z.B. Zuckerlösung, wird aus dem
Osmiumpulver eine Paste hergestellt, die durch feine Diamantdüsen zu dünnen Fäden
von etwa 0,1 mm Dicke ausgepreßt wird. Nach dem Trocknen der entsprechend gebogenen
Fäden wird durch Glühen das Bindemittel verkohlt. Darauf erfolgt das Formieren,
indem die Fäden in einer feuchten, wasserstoffhaltigen Atmosphäre allmählich bis auf
etwa 2800 bis 3000° C erhitzt werden. Dabei wird der Kohlenstoff aus dem Faden
entfernt und die feinen Osmiummetallteilchen werden in der hohen Temperatur so fest
aneinander geschweißt, daß sie einen Metallfaden von 0,05 mm ∅ und gleichmäßiger
Beschaffenheit bilden, dessen Temperaturkoeffizient α =
0,372 v. H. für 1° C beträgt.
Da das Osmiummetall sehr weich und teuer ist und wegen seines geringen Widerstandes
nur für Lampen bis zu 50 Volt benutzt werden konnte, stellte die Firma seit dem
Jahre 1906 den Glühfaden aus Wolfram mit einigen Zusätzen
von Osmium, Molybdän und dergl. her und nannte die Lampe danach Osramlampe. Die Dicke des Fadens bei einer Lampe für 110
Volt und 25 HK betrug 0,044 mm.
In ähnlicher Weise wurde die Zirkonlampe von Dr. Hollefreund aus Zirkonoxyd und einem Bindemittel
hergestellt, während Dr. Zernig eine Mischung von Zirkon
und Wolfram benutzte.
Auch auf die TitanfadenlampeElectrical World 1907, S.
334. von J. A. Heany vom Jahre 1907
wurde das Pasteverfahren angewendet. Titan findet sich in der Natur ziemlich selten
als Titanoxyd (TiO2). Es bildet als freies Metall
ein graues metallglänzendes Pulver. Der Glühfaden wird aus einer Paste einer
leitenden Titanverbindung hergestellt, indem Titanoxyd (TiO2) durch Erhitzen in Ammoniak zu Titandinitrid
(TiN2) umgewandelt und dieses mit Wasser oder
Paraffin zu einer Paste angerührt wird. Die Fäden werden im Vakuum erhitzt, wobei
sich das Dinitrid zersetzt und einen Glühkörper aus reinem zusammengesintertem
Titanmetall zurückläßt.
(Schluß folgt.)