Ein einfaches Mittel zur Beseitigung von Zündschwierig-keiten bei Funken und elektrisch gezündeten Abreißbögen

(~it~i~ung aus der Abt. Stoffentwicklung der Robert Bosch GmbH., Stuttgart, und dem ZeiOwerk, Jeua.)

Ein einfaches Mittel zur Beseitignng von Ziindschwierigkeiten bei Fanken und elektrisch geziindeten AbreiSbSgen. Von

6. Bslz, H. Kaiser und P. H. Keck. Mit 1 Textabbildung. (Eingegangen am 19.Jdi 194l.j

Der Zweck der folgenden ~tte~ung ist, auf ein sehr einfaches Hilfsmittel zur Beseitigung von Z~nds~hwie~gkei~n bei Funken und elektrisch gezimdeten Abrei~b~gen aufmer~rn zu machen. Es ist nicht neu, aber trotz einiger technischer Anwendungen fast ganz unbekannt gebheben. Auch die Arbeiten, in denen die zugehijrigen physikalischen Fragen behandelt werden, sind unbeachtet geblieben ; erst in allerjiingster Zeit ist man von seiten der Gasentladungsphysik wieder darauf aufmerksam geworden. Es dtirfte daher - such mit Rticksicht auf seine grade praktische Bedeutung fur die spektrochemische Analyse - angebracht sein, etwas ausftihrlicher dariiber zu berichten.

1. Allgemeines iiber Ziindschwierigkeiten. Heinrich Her@ fand 1887, da9 eine Funkenstrecke leichter ziindet, wenn sie mit dem ultravioletten Licht eines zweiten Funkens oder eines Lichtbogens bestrahlt wird. E. WaTbu.rg15erkannte 1896, da6 die Wirkung der Bestrahlung auf den Funken in der Aufhebung des Ziind~erz~~ besteht. Erst spater fand man, da13die Bestrahlung auBerdem such die zur Ziindung notwendige Spannung herabsetat, und zwar bei kraftiger Bestrahlung urn mehrere Prozente. Diese Wirkung der Bestrahlung ist in den letzten Jahren eingehend theoretisch und experimentell untersucht worden (s. u. a. R. Schadell und W. RogowskilO). Ziindverzogerungen kijnnen sich bei spektrochemischen Lichtquellen in verschiedener Weise bemerkbar machen : Bei gesteuerten Funken und bei den elektrisch geziindeten AbreiBbiigen nach Pfeilsticker liegt die ziindende Spannung nur kurze Zeit an den Elektroden. Tritt der Durchschlag wahrend dieser Zeit nioht ein, so fallt die betreffende Einzelentladung aus; bei geringer Ziindverzogerung beginnt die Funkenfolge durch den Ausfall einzelner Entl~ungen zu ,,stottern“, bei starker setzt sie ganz aus, obwohl die ziindende Spannung die statische Durchschlag~pannung iibersteigt. Bei ungesteuerten Funken dagegen bleibt die Spannung lkngere Zeit an den Elektroden liegen, so dag ein viilliges Ausbleiben der Ziindung seltener ist ; es gelingt dann aber nicht, eine regelm&Bige Funkenfolge mit einer bestimmten Anzahl von Funken in jeder Halbwelle einzustellen, dazu ist der zeitliche Einsatz der Entladungen zu unregelmaDig (vgl. dazu H. Kaiser4). Abgesehen von der damit verbundenen Betriebsstorung wirken die Ziindschwierigkeiten nachteilig auf die Analysengenauigkeit. Ziindverzijgerungen treten vor allem bei Metallen mit hoher Elektronenaustrittsarbeit auf wie Ag, Cu, Fe, Pt, W usw. Sie sind stark von der mechanischen und chemischen Beschaffenheit der Oberflachen abhiingig, oft treten sie erst auf, wenn sich die Elektrodenobe~l~~hen durch vorhergehende Entladungen veriindert haben.

Ein einfachea Mitt.4 zur Beaeitigung von Ziindschwierigkeitn

bei Funken.

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2. Beseitigung der Ziindschwierigkeiten durch eine ,,Lockspitze“. Es war bisher allgemein iiblich, die Ziindschwierigkeiten bei spektrochemischen Lichtquellen durch Bestrahlung der Elektroden mit dem ultravioletten Licht einer Hg-Lampe zu beseitigen. Es gibt aber ein vie1 wirksameres Mittel, das zudem den Vorzug groBor Einfachheit und Billigkeit besitzt. Man braucht niimlich nur die Funkenstrecke mit einer sohwachen Hilfsentladung, einem kleinen Funken oder einer stillen Entladung, aus kurzem Abstand zu bestrahlen. Eine solche Hilfsentladung kann man besonders einfach und wirkungsvoll erzeugen, wenn man eine Nadelspitze leitend mit einer der Elektroden verbindet und so anordnet, daB sie etwa IO-15 mm von der Funkenstrecke entfernt und von dort aus sichtbar ist, wie es Abb. 1 an zwei Beispielen zeigt. Die Spitze mu8 scharf sein tind man muB darauf achten, daB keine uberschlage von der Gegenelektrode zur Spitze vorkommen ; abgesehen von der Storung des Funkeniibergangs in der 2594 Funkenstrecke wiirde die Spitze dadurcb bald stumpf und wirkungslos werden. Wir verwendeten zu unseren Versuchen Grammophonnadeln, die sehr geeignet sind. Eine solche leitend mit einer Elekt8rode verbundene Spitze wollen wir als ,,Locksspitze” bezeichnen. ?? _? Wir verdanken die Bekanntschaft mit Abb. 1. Funkenstrecken mit Lockspitzen diesem einfachen Hilfsmittel einem Zufall. 7.“~ Aufhebung des Ziindverzugs. Der erstgenannte von unsversuchte die Ziindschwierigkeiten beim Pfeilstickerschen AbreiBbogen zu beheben, die bei Verwendung wassergekiihlter Elektrodenhalter* besonders unangenehm waren. Dabei beobachtete er, da13die Ziindschwierigkeiten aufhorten, wenn Metallteile in unmittelbare N&he der Elektroden gebracht wurden. An diese Beobachtung schloB sich die weitere Untersuchung an, die in einigen deutlich erkennbaren Schritten verlief. Wir fanden zunachst, daB die beseere Ziindung des AbreiBbogens nur dann eintrat, wenn ein Funke oder eine Korona-Entladung zu dem Metallstiick iiberging. Weiter zeigte sich, daB die Wirkung ausblieb, wenn diese Hilfsentladung durch irgend welche Teile des Stativs gegeniiber der Hauptfunkenstrecke verdeckt wurde. Wir vermuteten daher, daB es sich urn eine Art Photoeffekt handeln konnte. Abschirmversuche bestatigten die optische Natur der Erscheinung und nach dieser Erkenntnis gelang es, den Befund vollstandig zu kliiren und such die alteren Arbeiten aufzufinden, die wir im Abschnitt 3 besprechen werden. Die Wirkung einer Lockspitze auf den Funkeniibergang ist uberraschend. Als Beispiel dafiir bringen wir in der folgenden Tabelle einige Vergleichsmessungen mit dem Fewsnerschen Funkenerzeuger an abgefunkten Eisen-Elektroden. Die Entladungsart war: FF 4 (17kV), C = 3000 pF, L = 0,08 mH. Beim zweiten Versuch wurde die Funkenstrecke mit einer Alpinalampe der Quarzlampen* Siehe G. B&z: Z. Metallkde 33, 260 (1041).

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G. Balz, H. Kaiser und P. H. Keck: Ein einfaches Mittel ZUPBescitigung

gesellschaft Hanau bestrahlt* . Als Ma3 fiir die Sicherheit der Ziindung diente der Elektrodenabstand, bei dem zuerst bestimmte UnregelmiiBigkeiten des Funkeniibergangs beobachtet wurden. Elektrodenabstand bei Beginn des ,,Stotterns” 1. Ohne Hilfsmittel . . . . 2. Bestrahlung mit Hg-Lampe . 3. Mit Lockspitze . . . . . .

2,5 mm 6,5 mm 9,0 mm

1VGlligem Aussetzen der Funkm I 5,5 mm 10,O mm 15,0 mm

Die Verbesserung, die die Spitze bringt, ist ohne weiteres zu erkennen. Besonders eindrucksvoll wirkt ein solcher Versuch, wenn man den Elektrodenabstand zunachst so groB wahlt, da3 ohne Hilfsmittel gar keine Funken iibergehen und bei UV-Bestrahlung nur einzelne. Wenn man dann die Lockspitze anbringt, setzt sofort eine ganz regelmal3ige Funkenfolge ein. Auf den Ubergang der Ziindfunken beim Pfeilstickerschen AbreiBbogen wirkt die Lockspitze ebenso. ,4ul3er dem Aussetzen des Ziindfunkens gibt es beim AbreiDbogen noch eine andere Art von Ziindschwierigkeiten, die darin besteht, da3 die Bogenentladung trotz des iibergehenden Ziindfunkens ausbleibt. Diese Storung hangt mit dem Anstieg des Bogenstroms zusammen und 1iiBt sich vermindern, wenn die Selbstinduktion im Bogenstromkreis vermindert wird**. In manchen Fiillen wurde beobachtet, da3 die Lockspitze such diese Storung beseitigt; das ist wohl so zu erklaren, da3 der rechtzeitig einsetzende Ziindfunke langere Zeit und mit grijl3erer Energie brennt und dadurch das Mitkommen des Bogens erleichtert . Bei einem ungesteuerten Funkenerzeuger der Schcibeschen Art [s. 41 wird die ohne Bestrahlung unregelmiifiige Funkenfolge sofort regelmasig, wenn man eine Lockspitze anbringt. Bei allen Versuchen, die wir angestellt haben, hat sich ergeben, daB die Wirkung der Spitze auf die Ziindung starker ist als die starker Quarz-Hg-Lampen, z. B. des S 190-Brenners der Quarzlampen-Gesellschaft, Hanau. AuBerdem fallen die Storungen durch Hg-Linien im Spektrum fort, die das von den Elektroden zuriickgeworfene Licht der Bestrahlungslampe hervorruft. Beim Feussnerschen Funkenerzeuger empfiehlt es sich, nicht nur an der Analysenfunkenstrecke, sondern such an den festen Elekt,roden des rotierenden Unterbrechers Lockspitzen anzubringen. Die Spitzen miissen so angeordnct werden, da3 sie von den umlaufenden Elektroden aus sichtbar sind, ehe diese bei ihrem Umlauf die festen Elektroden erreichen. 3. Die von der Lockspitze

ausgehende

Strahlung.

Die Wirkung der Spitze beruht auf einer sehr kurzwelligen Strahlung, die von einer schwachen Biischelentladung an der Spit.ze ausgeht und die Luft in der Funkenstrecke ionisiert. Ehe wir naheres iiber die Eigenschaften diesel Strahlung sagen, wollen wir kurz iiber ihre Geschichte berichten. * Das Brennerrohr war 115 mm von der Funkenstrecke entfernt, die Elektroden wurden durch ein rundes Loch von 17 mm Durchmesser bestrahlt, das sich in 45 mm Abstand von der Brennerachse in der Wand des I.ampengeh&uses befand. Das entspricht der iihlirhen Aufstellung einer solchen Bestrahlungslampe. ** S. such H. Kniser u. X. Sohm: Spectrochim. Ahrta 2. Yl (1941).

von Ziindschwierigkeiten

bei Funken

und rlektrisch

geziindeten

AbreiBbijgen.

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kurzwellige Strahlung ist niimlich mehrere Male neu aufgefunden und zwar a,uf ganz verschiedenen Wegen. Als erster beobachtete 1895 E. Wiedemann16, daB von Funken und anderen elektrischen Entladungen eine bis dahin unbekannte Art von Strahlen ausgeht, die er ,,Entladungsstrahlen” Zum Nachweis der Strahlung benutzte er die Tatsache, daB sic bei nannte. bestimmten Salzen Thermoluminescenz erregt. Sein Schiiler M. W. Hoffmann hat die Strahlung auf ihre wesentlichen Eigenschaften untersuchts. Fiir uns ist eine 1926 erschienene Arbeit von c. E. Wynn- William.s17 besonderb wichtig ; er untersucht niimlich Funkenstrecken, bei denen der Ziindverzug durch eine Lockspitze aufgehoben ist und benutzt diese Wirkung zum empfindlichen Nachweis der Strahlung. In einer Reihe sehr einfacherundiiberzeugender Versuche weist er nach, da0 die Entladungsstrahlen wahrscheinlich kurzwelliges Licht mit einer Wellenllinge unter 1000 _& sind. Weitere Arbeiten von J. D. Morgan6 und J. Thomson14 bestiitigen seine Befunde und kliiren einige Nebenerscheinungen. 1933 findet E. Qreiner’ die kurzwellige Strahlung in ZLhlrohrentladungen, 1938 findet sie H. Raethe@ mit der Nebelkammer bei Funken. In einer soeben erschienenen Arbeit hat H. Rae&P die iilteren VerGffentlichungen besprochen und iiber die Geschichte der Strahlung zusammenhiingend berichtet. Dort ist such gesagt, welche Bedeutung diese kurzwellige Strahlung nach der heutigen Auffassung fiir den Aufbau von Gasentladungen hat. Ober technische Anwendungen der Strahlung ist sehr wenig zu finden. Aus den englischen Arbeiten ergibt sich, daI3 Funkenstrecken mit einer isolierten Spitze dicht an einer der Hauptelektroden als Standard-Funkenstrecken zu irgend welchen MeBzwecken benutzt worden sind. Diese Funkenstrecken werden ,,three point, gap“ genannt. Die wirksame Strahlung geht dabei von einem kleinen Funken aus, der zwischen der Spitze und der einen Hauptelektrode iibergeht. Er wird als ,,pilot“ , ,,trigger“ oder ,,tease spark“ bezeichnet. Diese Anordnung mit isolierter Spitze ist nicht ganz so wirksam wie die mit einer leitend verbundenen Lockspitze. N&here Angaben iiber die technische Verwendung fehlen leider. Genau dieselbe Anordnung ist aber in Deutschland schon seit etwa 40 Jahren verwendet worden, und zwar in der Kraftfahrzeugzubehiirindustrie urn Ziindeinrichtungen von Explosionsmotoren zu prtien*. Ferner konnten wir feststellen, daB Marconi zur Zeit der Funkentelegraphie eine Kugelfunkenstrecke mit 2 Lockspitzen gebaut hat. Sie ist im Handbuch der drahtlosen Telegraphie und Telephonie von E. Nespr7 abgebildet. An spektrochemischen Arbeiten ist uns nur eine von N. S. Swen.titzkils bekannt geworden. Er erleichtert die Ziindung von Wechselstrombijgen durch einen kleinen Hilfsfunken. Nach der Art der Hilfsentladung und den Angaben des Verfassers ist aber anzunehmen, daD die Wirkung vorwiegend auf der Strahlung des kleinen Funkens im langwelligen UV beruht (s. dazu Abschnitt 4). Aus den verschiedenen Verijffentlichungen ergibt sich iibereinstimmend folgendes Bild von den Eigenschaften der Entladungsstrahlen : I)iese

worden,

1. Die Strahlung entsteht in Funken, Biischelentladungen, dunkeln und unselbs&ndigen Entladungen. In den letzten drei Arten anscheinend besonders stark. Das Elektrodenmetall hat keinen merkbaren Einflul3. * In den Werkstiitten von R. Bosch wurde die Dreispitzenfunkenstrecke s&on 1993 von Q. Ho&d, dem Erfinder der Hochspannungsmagnetztidung, benutzt (6 S. 26). Auch die technische Anwendung in Form einer mit ,,IoniaierungsplBttchen“ (Kreisscheibe mit Spitzen) versehenen Ziindkerze fiir Vrrbrcnnungsmotoren ist envirhnenswert (6 S. 266).

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G. Balz, H. Kaiser und I’. H. Keck:

Ein einfaches Mitt4

zur Beseitigung

2. Die Strahlung breitet sich geradlinig aus. Sie l&Bt sich durch elektrische oder magnetische Felder nicht beeinflussen. 3. Die Strahlung wird nicht regelmUig, sondern nur diffus reflektiert*. 4. Die Strahlung kann Luft von 760 Torr einige Zentimeter weit durchdringen. (Nach Raethe ist der Absorptionskoeffizient 1,8 cm-l.) 5. Die durchstrahlte Luft wird ionisiert. (Da die Ionisierungsspannungen der Luftmolekiile zwischen 12,5 und 15,8 eV liegen, mu6 die Wellenliinge der Strahlung kleiner als 1000 A sein.) 6. Die Strahlung wird von Glas, Quarz und FluBspat nicht durchgelassen, such nicht von Papier, Holz und dgl. Durchllissig sind eehr diinne Hiutchm aus Celluloid. 7. Die Strahlung erregt bei bestimmten Salzen Thermoluminescenz. Aus all dem ergibt sich, da6 die Wiedenzunnschen Entladungsstrahlen eine kurzwellige Lichtstrahlung unter 1000 A sein miissen. Man vermutet, da0 die Strahlung von den Molekiilen. der Luftgase ausgeht, denen einige in diesem Spektralgebiet beobachtete Absorptionsbanden zugeschrieben werden. In Emission ist die Strahlung bisher noch nicht spektrographisch beobachtet worden. Die kurzwellige Strahlung scheint haupts&chlich oder sogar nur im Anfangszustand von Gasentladungen aufzutreten. Sie ist daher bei unselbsthndigen und stillen Entladungen besonders stark, bei ausgebildeten Funken dagegen nur schwach zu beobachten. Die besonders gute Wirkung der Biischelentladung an einer Lockspitze ist demnach verstlndlich. Es gibt eine ganze Menge verschiedener Anordnungen, mit denen man die Strahlung erzeugen und den Ziindverzug von Funkenstrecken aufheben kann. Wenn man z. B. irgend einen Isolator dicht an eine Elektrode der Funkenstrecke bringt, so kann der Ziindverzug schon durch die kleinen Entladungen aufgehoben werden, die zur Oberfliiche des Isolators iiberspringen**. Auch dunkle Entladungen die durch Influenz an Ecken und Spitzen in der N&he einer Funkenstrecke auftreten, kiinnen schon geniigen. Hierher gehtiren such die Bcobachtungen von J. Slqian und W. E. Berkey I*, da6 die Ziindverzdgerung an Funkenstrecken, wie sie als Blitzschutz hiiufig Verwendung finden, weitgehend herabgesetzt werden kann, wenn die Elektrodenoberfliiche mit einer diinnen Schicht kleiner scharfkantiger Teilchen (Porzellan, Carborund oder Aluminium) beklebt wird. Wenn man beim Arbeiten mit Funken darauf achtet, findet man die Wirkung der kurzwelligen Strahlung iiberall und es erscheint deshalb besonders merkwiirdig, da6 sie nicht allgemein bekannt wurde. Man kann diese Erscheinungen auf den verschiedensten technischen Gebieixn, bei denen Funkenstrecken gebraucht werden, niitzlich anwenden, z. B. fiir Blitzschutz, Uberspannungsschutz usw.

4. Weitere

Ursschen

fiir die Erleichterung

der Ziindang.

AuDer der kurzwelligen, gasionisierenden Strahlung gehen von einer Lockspitze noch andere Wirkungen aus, die zur Beseitigung von Ziindschwierigkeiten * Auf die diffuse Reflektion ist besondem zu achten, wenn man die Strahlung irgendwie abschirmen will. ** Q. Balz verwendete zuerst ein isoliertes Hochspannungskebel, das mit aeiner Isolation, also ohne leitende Verbindung, an die beiden Elektroden gelegt wurde. Damit l&l% eich die Aufhebung des Ziindverzuges sehr schbn vorfiihren. Jedoch k6nnte dabei neben der Strahlung such noch die geringe reetliche LeitfiLhigkeit dcr Kabelisolation mitwirken. (S. dariiber die anechliel3ende Arbeit von H. Kaiser.)

von Ziindschwierigkeiten

bei Funken

und elektriech

geziindeten

AbreiBbagen.

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beitragen. Zuniichat ist die langwellige UV-Strahlung zu erwiihnen, die die Luft zwar nicht ionisieren kann, die aber beim Auftreffen auf die Elektroden der Funkenstrecke Photoelektronen auslast und dadurch die Ziindung erleichtern kann. Sie wirkt also ebenso wie die Strahlung einer Hg-Lampe. Da die Luft fiir langwelliges UV durehl5sRig ist, hat sie eine gri5l3ere Reichweite. Sie wird such von Quart durchgelassen und ist ohne weiteres spektrographisch nachzuweisen. yiihrend die kurzwellige Strahlung von positiv und negativ geladenen Spitzen ausgeht, zeigt die langwellige Strahlunq deutliche Polaritiit. 6ie geht nur von positiven Spitzen aus, wie die Versuche von J. Thomson’4 gezeigt haben. Wir konnten das durch eigene Versuche bestlitigen. AuBer der langwelligen UV-Strahlung kann die Ziindung such durch Ionen erleichtert werden, die in der Entladung an der Lockspitze entstehen und in die Funkenstrecke gelangen. Das kann durch Luftbewegungen, Diffusion oder den von der Spitze ausgehenden elektrischen Wind geschehen. Diese Wirkung der Spitze k6nnte mit zeitlicher Verzagerung einsetzen und aufhi5ren; wir glauben das in einigen Fiillen bei griifierem Abstand der Spitze von der Funkenstrecke beobachtet zu haben. Endlich mul3 man noch die Mijglichkeit, offen lassen, daB die durch die Spitze hervorgerufene Verzerrung des elektrischen Feldes zwischen den Hauptelektroden bei manchen Anordnungen die Ziindung erleichtern kiinnte ; an diese MBglichkeit denkt man zuerst, wenn man von der Strahlung noch nichts weiB. Doch diirfte die Feldverzerrung gegeniiber der Strahlung meist ganz bedeutungslos sein. Die anderen beiden Mijglichkeiten dagegen kiinnen sich je nach der Anordnung und nach der Art der Hilfsentladung in verschiedenem MaBe nebcu oder vor der kurzwelligen Strahlung bemerkbar machen. Zum SchluD ist es uns eine angftnehme Pflicht, Herrn Dr. G. Hansen, dem Leiter des Physikalischen Laboratoriums des ZeiRwerks fiir die, tatkrgftigc FGrderung dieser Arbeit und fiir seine Mitwirkung bei den rntscheidenden Vcrsuchen herzlich zu danken.

Zu8ammenfa88ung. Die bei Funken und AbreiBbiigen sehr stijrenden Ziindverziigerungen lassen sich in einfacher Weise beseitigen, indem man die Funkenstrecke mit der kurzwelligen gasionisierenden Strahlung bestrahlt, die von einer stillcn Entladung an einer Nadelspitze ausgeht. Uber die Eigenschaften dieser Strahlung und iibrr ihre Geschichte wird kurz berichtet.

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