Titel: Die Magnetitbogenlampe.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1907, Band 322 (S. 11–14)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj322/ar322004

Die Magnetitbogenlampe.1)

Von Dipl.-Ing. Walter Eminger, Câmpina (Rumänien).

Die Bogenlampenelektroden lassen sich in zwei große Hauptgruppen einteilen, in gewöhnliche Bogenlampenkohlen und in Flammenbogenelektroden, letztere wieder in Kohlenelektroden mit Leuchtzusätzen und in Elektroden, die entweder nur sehr wenig oder gar keine Kohle oder diese nur chemisch gebunden enthalten. Chemisch gebunden findet sich die Kohle in den Elektroden aus den Metallkarbiden, gar keine Kohle ist enthalten in den Elektrolytelektroden von Rasch2) und in den in den letzten Jahren in Amerika aufgetauchten Elektroden aus Metallegierungen, z.B. Ferrotitan, und aus Magnetit mit Titanoxyd.

Bei den gewöhnlichen Bogenlichtkohlen wird, abgesehen von den Dauerbrandlampen, das Licht fast ausschließlich von dem glühenden Krater der positiven Kohle geliefert, und zwar zu etwa 85 v. H. Die negative Kohle liefert ungefähr 10 v. H. und der etwa 3 mm lange nur wenig leuchtende Bogen nur etwa 5 v. H. der gesamten Lichtmenge.

Bei den Flammenbogenelektroden aus Kohle mit Leuchtzusätzen wird der 15 – 20 mm lange Lichtbogen durch die den Elektroden beigemengten Zusätze, z.B. Metallsalze, welche gutleitende Dämpfe bilden, leuchtend gemacht, indem die in den Bogen gelangten Teilchen dieser Zusätze denselben färben. Durch diese Zusätze erreicht man eine grössere Lichtausbeute. Nach Untersuchungen von Prof. Dr. Wedding3) ist bei derartigen Flammenbogenkohlen der Lichtbogen mit etwa 25 v. H. an der Gesamtstrahlung beteiligt, so daß auf die glühenden Kohlenspitzen 75 v. H. entfallen.

Die Elektrolytelektroden haben gar keinen Krater, wenn zwar auch die intensiv leuchtenden Elektrodenenden mitstrahlen.

Die Magnetit- und die Ferrotitan-Elektroden schließlich sind reine Flammenbogenelektroden. Der von den glühenden Elektrodenenden ausgestrahlte Lichtbetrag ist ganz unbedeutend, das ganze Licht wird daher praktisch nur von dem leuchtenden Bogen geliefert.

Bereits im Jahre 1885 wurde in Amerika von einem gewissen Lewis L. Jones in Brooklyn ein Patent auf eine Bogenlampenelektrode, bestehend aus den Oxyden des Eisens und aus Magnesiumoxyd, nachgesucht, das im Jahre 1892 auch erteilt wurde. (Amerik. Pat.-Schr. 484553.) Ueber die Ergebnisse mit diesen Elektroden ist indessen nichts in die Oeffentlichkeit gedrungen. Als Ausgangsmaterial verwendete der Erfinder rotes Eisenoxyd, Fe2O3. Eine Mischung von 10 v. H. dieses roten Eisenoxydes mit 90 v. H. Magnesiumoxyd sollte nach Angabe der Patentschrift gute Ergebnisse liefern. Beide Oxyde sind Nichtleiter. Um den Elektroden die genügende Leitfähigkeit |12| zu geben, reduzierte der Erfinder, indem er die fertigen Elektrodenstifte in Kohle einpackte und einer hohen Temperatur aussetzte, das nichtleitende Fe2O3 zu Magnetit, Fe3O4, oder er führte die Reduktion an der Oberfläche des Stabes bis zum Metall durch. Diese Elektrode dürfte als Vorläuferin der heutigen Magnetitelektrode aufzufassen sein.

Der erste größere Artikel über die Magnetitbogenlampe erschien von Steinmetz am 21. Mai 1904 in Electrical World. Die von ihm beschriebene Lampe der General Electric Comp. verwendet als positive Elektrode eine über der negativen Magnetitelektrode angeordnete Kupferelektrode, die nicht verzehrt wird. Nur die negative Magnetitelektrode nützt sich ab. Der Magnetit ist in ein dünnwandiges Eisenrohr gepreßt. Durch das Titan soll das etwas unruhige Licht des Magnetit beruhigt und der Wirkungsgrad der Lampe erhöht werden. Bei einem für Kohlenelektroden üblichen Querschnitt beträgt der stündliche Abbrand etwa 3 mm, was bei einer Stiftlänge von 200 mm einer Brenndauer von 50–60 Brennstunden entspricht. Zur Erhöhung der Brenndauer kann bei der Fabrikation der Elektroden ein Teil des Oxydes zum Metall reduziert werden. Bei schwacher Reduktion aber fällt die Elektrode porös aus und besitzt dann eine geringere Lebensdauer, bei zu starker Reduktion aber geben die Elektroden ein unruhiges blaues Licht und sprühen Funken. Es wird daher statt der Reduktion zur Herabsetzung des Abbrandes besser ein inaktives Material als Zusatz gewählt. Derartige Elektroden brennen völlig ruhig und nützen sich innerhalb von 20–30 Stunden um nur etwa 25 mm ab, so daß eine 200 mm lange Elektrode für 150 bis 200 Brennstunden ausreicht. Es soll sogar möglich sein, die Brenndauer durch Aenderung der Zusammensetzung des Elektrodenmaterials unter Verringerung des Wirkungsgrades bis auf 500–600 Stunden zu steigern. Meßergebnisse teilt Steinmetz in diesem Aufsatz nicht mit.

Vor etwa Jahresfrist, Mai 1905, erschien in der Zeitschrift Electrical World eine Veröffentlichung des Amerikaners Jsador Ladoff, in welcher er über Meßergebnisse mit Ferrotitan-Elektroden berichtet, wie sie die britische Patentschrift 226 vom Jahre 1904 von Ladoff & Mac Naughton beschreibt. In dieser Patentschrift schlagen die Erfinder für die darin beschriebenen Metallelektroden als Leuchtzusatz Titan, als leitende Substanz Eisen vor. Statt Eisen kann auch Kupfer oder ein anderes Metall, statt Titan auch ein anderer Leuchtstoff, z.B. Magnesium verwendet werden. Die Stifte werden bei Verwendung von Eisen entweder aus einer Ferrotitanlegierung oder aus Rutil, TiO2 und Magnetit Fe3O4 durch Reduktion in Kohle hergestellt.

Ladoff teilt in seinem Aufsatze Untersuchungsergebnisse mit Stiften verschiedener Zusammensetzung mit. Er benutzte zunächst Elektroden aus Magnetit, Hämatit und Titanoxyd und umgab die Elektroden wegen ihrer Zerbrechlichkeit mit Eisenhülsen. Wurden mehr als 10 v. H. Titanoxyd zugesetzt, so wurde der Lichtbogen äußerst unruhig. Die Lichtausbeute war größer, wenn nur Magnetit und Titanoxyd und kein Hämatit verwendet wurden. Wurden ferner Elektroden aus Magnetit und Titanoxyd reduziert, so nahm die Lichtausbeute zu. Die Reduktion gestattete außerdem größere Beimengungen an Titanoxyd, und der Lichtbogen brannte sogar bei einem Gehalt von 90 v. H. Rutil und 10 v. H. Magnetit ruhig. Die besten Ergebnisse lieferten Stifte, die 50 v. H. Rutil und 50 v. H. Magnetit enthielten. Die vollkommen reduzierten Stifte waren völlige Metallstäbe und härter wie Stahl.

Die sphärische Helligkeit, die sich bei verschieden reduzierten Stiften. ergab, wurde von L. B. Stillwell und H. S. Putnam bestimmt. Zu den Messungen wurden benutzt:

1. Zwei Stifte mit 80 v. H. Ferrotitan von 0,57'' Durchmesser,

2. Zwei Stifte mit 30 v. H. TiO2 und 70 v. H. Fe3O4 von 0,52'' Durchmesser,

3. Kohlenstifte von ½'' Durchmesser.

Die Meßergebnisse sind in Tab. 1 wiedergegeben.

Tabelle 1.

Ferrotitan Rutil Kohle
Widerstand f. d. Zoll (Ohm) 0,00164 0,00284 0,0846
Gewicht f. d. Zoll (Gramm) 9,64 14,33 4,83
Stiftdurchmesser 0,57'' 0,52'' 0,50''

Ampere

3,51

3,5

3,5
Volt 48,3 55,8 49,1
Watt 169,4 195,4 171,4
Bogenlänge 0,375'' 0,35'' 0,125''
Lebensdauer f. d. Zoll u. Std. 3,85 11,1 2,8
Mittlere sphärische c. p. 510,6 283,0 84,0
Watt f. d. c. p. 0,579 0,701 2,5

Ampere

6,6

6,6

6,6
Volt 49,5 48,7 50,1
Watt 326,7 321,4 330,3
Bogenlampe 0,40'' 0,375'' 0,18''
Lebensdauer f. d. Zoll u. Std. 1,1 1,96 1,7
Mittlere sphärische c. p. 968,0 737,0 243,0
Watt f. d. c. p. 0,341 0,436 1,35

Ampere

9,6

bei 9,6 Amp.
geschmolzen

9,6
Volt 39,0 50,0
Watt 1 374,4 480,0
Bogenlänge 0,375'' 0,19''
Mittlere sphärische c. p. 1155,0 485,0
Watt f. d. c. p. 0,330 0,986

Bei den Versuchen war die obere positive Elektrode aus Kohle. Für Kupfer statt Kohle ergaben sich etwas geringere Werte.

Ferner wurden Messungen bei derselben Spannung mit allen drei Stiften angestellt. Wurden beide Elektroden aus Titanelektroden gebildet, so ergab sich bei etwa 70 Volt fast eine Verdopplung der Lichtstärke. Abtropfen des Materials wurde trotz der Verflüssigung beider Elektroden an ihren Endflächen nicht bemerkt.

Ladoff fand ferner noch, dass ein Sinken des spezifischen Wattverbrauches mit zunehmender Stromstärke bis zu etwa 6 Amp. stattfindet, und daß von da an der Verbrauch annähernd unverändert bleibt. Die Untersuchung wurde in den Grenzen von 3–7 Amp. angestellt.

Ferrotitanelektroden verhalten sich, wie die Messungen zeigen, in bezug auf Lichtausbeute günstiger wie Magnetitelektroden. Der Unterschied ist aber nicht sehr bedeutend und wiegt den größeren Abbrand der Elektroden nicht auf, so daß also Magnetitelektroden mehr zu empfehlen sind.

Die Firma Gebr. Siemens & Co. in Charlottenburg hat sich durch D. R. P. 165617 der Kl 21 f ein Verfahren schützen lassen, derartige Magnetitelektroden aus den Sauerstoffverbindungen des Eisens durch Schmelzen derselben mittels des elektrischen Lichtbogens und Eingießen in Eisenröhren herzustellen. Im folgenden sollen die Untersuchungen von Elektroden, die nach diesem Verfahren hergestellt sind, mitgeteilt werden. Es wurden folgende Zusammensetzungen gewählt:

1. Magnetit ohne Zusatz,
2. mit 15 v. H. Rutil,
3. 30
4. 50
5. 70
6. Rutil ohne Zusatz.
|13|

Die chemische Analyse des verwendeten Magnetit ergab in drei Analysen folgenden Gehalt an Fe3O4:

91,07 v. H.
91,19
91,22

Der Rest setzte sich zusammen aus Al2O3, CaO, MgO und SiO2.

Als Röhren wurden nahtlose Präzisionsrohre der Mannesmannröhrenwerke von 200 mm Länge, 14 mm 1. W. und ½ mm Wandstärke benutzt. Röhren über ½ mm Wandstärke ergaben beim Wegbrennen ein unangenehmes Flackern, während bei ¼ mm Wandstärke sehr leicht ein Wegschmelzen stattfand.

Der Widerstand einer leeren Eisenhülse von 200 mm Länge und ½ mm Wandstärke ergab sich im Mittel zu 0,00131 Ω, ihr Gewicht zu etwa 38,31 g. Bei einer Stromstärke von 10 Ampere beträgt hiermit der Spannungsabfall in der ganzen leeren Hülse 0,0131 Volt. Durch die Temperatursteigerung beim Brennen findet nun eine Aenderung des Widerstandes statt. Der Spannungsabfall in den fertigen Elektroden wurde während des Brennens durch ein an die Elektrodenenden angelegtes Voltmeter bei den Stromstärken 6–10 Ampere gemessen, und hierbei wurden für 15 cm Elektrodenlänge folgende Werte für den Spannungsabfall gefunden (Tab. 2).

Tabelle 2.


Ampere
Magnetit
ohne Zusatz
Magnetit mit
50 v. H. Rutil
6 0,0116 0,0133
7 0,0133 0,0150
8 0,0150 0,0175
9 0,0166 0,0183
10 0,0183 0,0200

Diese Werte zeigen, daß der Spannungsabfall in der gefüllten Eisenhülse beim Brennen um einen kleinen Betrag größer ist, als in der leeren Hülse, daß er aber immer noch sehr klein und zu vernachlässigen ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 13

Ueber die mittleren Gewichte der einzelnen Elektroden von 200 mm Länge gibt Tab. 3 Aufschluß.

Tabelle 3.


Material
Gewicht
g
Fe3O4 145,29
Fe3O4 mit 15 v. H. TiO2 144,75
Fe3O4 mit 30 v. H. TiO2 152,64
Fe3O4 mit 50 v. H. TiO2 153,5
Fe3O4 mit 70 v. H. TiO2 130,09

Von dem Lichtbogen wurden bei verschiedenem Zusatz von Rutil photographische Aufnahmen gemacht, welche Fig. 1, 1a, 2 und 2a wiedergeben. Fig. 1 und 2 sind Momentaufnahmen bei 20 mm Bogenlänge und oben angeordneter positiver Kupferelektrode auf ortochromatischen Isolarplatten, und zwar stellt Fig. 1 den reinen Magnetitbogen, Fig. 2 den Lichtbogen einer Elektrode mit 30 v. H. Titanoxyd dar. Aus den Photographien geht deutlich hervor, daß der Magnetitbogen ohne Titan der voluminösere ist.

Textabbildung Bd. 322, S. 13

Fig. 1a und 2a zeigen dieselben Lichtbögen in kleinerem Maßstabe, und zwar sind diese Aufnahmen Zeitaufnahmen (Expositionsdauer 6 Sekunden) unter Vorschaltung einer Gelbscheibe. Im Gegensatz zu Fig. 1 und 2 ist bei diesen Photographien der Kern dunkel, die Hülle hell. Die Gelbscheibe hat nur die gelben Strahlen hindurchgelassen. An der Stelle a (Fig. 3) – dieselbe gibt die Bogenflamme im Schnitt wieder und unter dem Schnitt ist die Intensität der Strahlen senkrecht zur Achse wiedergegeben – ist natürlich auch eine gelbe Strahlung vorhanden. An den äußeren Teilen des Bogens, bei b, ist aber die Lichtstrahlung für die Flächeneinheit der Projektion ein Vielfaches der Lichtstrahlung bei a und daher ist der Eindruck auf der photographischen Platte bei b auch größer.

Textabbildung Bd. 322, S. 13

Die Magnetitflamme hat, wie die Photographien zeigen, bei der Stromrichtung Magnetit minus und oben angeordneter positiver Kupferelektrode eine Kegelform. Die Kupferelektrode liefert so gut wie gar keinen Dampf in den Lichtbogen, nutzt sich daher nur wenig und hauptsächlich nur durch äußere Oxydation ab, die um so größer ist, je kleiner die Elektrode ist, je mehr sie also erwärmt wird, ferner je öfter und je länger die Elektrode benutzt worden ist.

Aendert man bei derselben Elektrodenstellung die Stromrichtung, so erhält man nebenstehendes Bild (Fig. 4).

Textabbildung Bd. 322, S. 13

Durch den Zusatz von Titanoxyd wird das Licht an gelben und grünen Strahlen bereichert, während gleichzeitig die chemischen Strahlen abnehmen. Das Volumen des Lichtbogens wird kleiner, der Lichtkegel spitzer. Mit höheren Zusätzen als 50 v. H. nimmt die Stabilität wesentlich ab. Ein reiner Titanoxydlichtbogen war nur schwierig ganz kurze Zeit zu unterhalten. Geringere Zusätze wirken dagegen wieder beruhigend, indem der Siedepunkt des Elektrodenmaterials dadurch erhöht wird. Magnetit ohne Zusatz fängt sehr leicht an zu kochen, und die aufsteigenden Dampfblasen bewirken ein unangenehmes Zucken des |14| Lichtbogens. Der natürliche Weg, dieses durch das Kochen i des Materials hervorgerufene Zucken zu beseitigen ist der, höher findende Substanzen zuzusetzen, oder aber das Kochen durch Ableitung der Wärme zu verhindern, z.B. durch Dochtung der Elektroden mit Kupfer.

Textabbildung Bd. 322, S. 14

Auf diesem Wege wurden bei Magnetitelektroden ohne Titanzusatz günstige Ergebnisse erzielt. Es wurden ferner die beiden Diagramme (Fig. 5) aufgenommen, die den Verlauf der Schwankungen der Stromstärke bei einer gekühlten und einer ungekühlten Elektrode ohne Titanzusatz wiedergeben. Aus den Diagrammen geht deutlich der beruhigende Einfluß der Kühlung hervor. Reine ungekühlte Magnetitelektroden flackern nicht bloß, von Zeit zu Zeit findet bei größeren Stromstärken auch ein größerer Wärmeaustausch durch eine erhöhte Dampfentwicklung von der Kathode in den Bogen statt. Hierbei sinkt die Lichtstärke beträchtlich, während das Flackern aufhört. Eine Beobachtung mit einer photographischen Kamera ergibt, daß der Kernquerschnitt in einem solchen Augenblick größer ist als gewöhnlich. Gleichzeitig steigt die Stromstärke, während die Spannung sinkt. Beispielsweise wurde beobachtet:

Ampere Volt
Brennen normal 9,45 65,5
anormal 10 61,5

(Schluß folgt.)

D. p. J. 1904, Bd. 319, S. 542.

|11|

D. p. J. 1902, Bd. 317, S. 703.

|11|

E. T. Z. 1902, S. 708.

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