Titel: LINKER: Entwicklungsgeschichte und Herstellung der modernen elektrischen Lichtquellen.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1912, Band 327 (S. 586–590)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj327/ar327180

ENTWICKLUNGSGESCHICHTE UND HERSTELLUNG DER MODERNEN ELEKTRISCHEN LICHTQUELLEN.

Von Dr.-Ing. A. Linker.

(Schluß von S. 573 d. Bd.)

Die Regina-Bogenlampenfabrik Köln-Sülz stellt ihre Jotalampen ebenfalls nach dem Pasteverfahren aus Wolfram her. Während die nach den anderen Methoden hergestellten Fäden unter dem Mikroskop kleine Einschnitte zeigen, an denen die mechanische Festigkeit naturgemäß geringer ist und der Faden infolge des größeren Widerstandes zuerst durchbrennt, zeigen die Fäden der Jotalampen eine vollständig gleichmäßige Oberfläche. Dieselbe wird nach einem patentierten Verfahren dadurch erzielt, daß durch ein besonderes Formieren und Brennen der Fäden bei sehr hoher Temperatur die Wolframmoleküle dichter aneinder gelagert werden. Die Bruchfestigkeit der Fäden ist dadurch bedeutend vergrößert worden.

Nach einem an Dr. D. Coolidge erteilten amerikanischen Patent läßt sich mit Hilfe des Pasteverfahrens auch ein röhrenförmiger Faden aus Wolfram herstellen, um zu erreichen, daß die strahlende Oberfläche bei geringem Volumen möglichst groß wird. Feinstes Wolframpulver wird durch Reduktion des Wolframtrioxyds mittels Wasserstoff oder fein verteiltem Kohlenstoff erhalten. Von diesem Pulver werden 40 Teile mit einem Amalgam aus je 30 Teilen Cadmium und Quecksilber in der Wärme zu einer Paste verrieben. Dieses Produkt wird nun durch Matrizen zu feinen Drähten gepreßt und es werden daraus schmale dünne Bänder von großer Oberfläche ausgewalzt. Diese flache Streifen zieht man nun durch geeignete Diamant- oder Stahldüsen, wodurch sie zu Röhren umgebogen werden. Dabei überlappt man entweder die Kanten, um den Faden zu verstärken, oder läßt auch einen Spalt zwischen ihnen. Um die flüchtigen Bestandteile zu entfernen, werden die entsprechend geformten Drähte in den Glasbirnen befestigt und nach Auspumpen der Luft durch den elektrischen Strom erhitzt. Dabei verdampfen Quecksilber und Cadmium und die Wolframteilchen sintern zusammen.

Nach dem Ueberzugsverfahren werden die Wolframfäden der Wolframlampen-A.-G., Augsburg-Gelnhausen, angefertigt. Die Firma arbeitete ursprünglich nach dem durch die Patente von Dr. Just und Hanamann geschützten Substitutionsverfahren (Engl. Patent Nr. 11949 vom Jahre 1906). Der Vorgang ist dabei etwa folgender:4) Durch einen sehr feinen Kohlenfaden wird in einer Atmosphäre von Wolframchlorid (WCl6) unter Einwirkung von Wasserstoff oder anderen reduzierenden Gasen ein elektrischer Strom geschickt, der den Faden auf eine solche Temperatur erhitzt, daß das Chlorid dabei zersetzt wird. Es scheidet sich dann Wolfram auf dem Kohlenfaden in metallischer Form ab.

Bei genügender Dicke des Ueberzugs werden die Fäden im Vakuum oder in einem indifferenten Gase (Wasserstoff) auf Weißglut erhitzt, wobei der Kohlenstoff vom Wolfram aufgelöst wird und mit ihm ein Wolframkarbid von weißer, glitzernder Färbung bildet.

Für die Umwandlung des Karbids in das Metall lassen sich nun verschiedene Verfahren benutzen. Entweder werden die Fäden durch einen elektrischen Strom in einem Gemisch von Luft und Wasserdampf erhitzt und die Kohle dabei oxydiert, oder man verflüchtigt die Kohle im Vakuum bei sehr hoher Temperatur, oder man setzt die Fäden in einen feuerfesten Tiegel, der die niederen Oxyde des Wolframs WO2 in Pulverform enthält, unter Luftabschluß einer Temperatur von etwa 1600° C aus, wobei die Kohle nach der Gleichung: WO2 + 2C = 2CO + W oxydiert und wolframfrei wird. Vom Konsortium für elektrotechnische Industrie, Nürnberg, ist ein anderes Verfahren5) der Entkohlung des Wolframkarbids zum Patent angemeldet, wonach der Faden in einem besonderen Gemisch von Gasen auf sehr hohe Temperatur erhitzt wird.

Als Endprodukt des Just-Hanamannschen Verfahrens erhält man einen röhrenförmigen metallischen Faden aus Wolfram, der gegenüber den massiven Fäden eine größere Festigkeit und geringeren Glanz beim Brennen besitzt, so daß das Licht weniger blendet.

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Die Wolframlampenfabrik Augsburg ist ferner dazu übergegangen, reines, pulverförmiges Wolfram auf kaltem Wege durch Elektrolyse der Chloride und Fluoride des Metalls zu gewinnen. Die Metallsalze des Wolframs, ferner des Molybdäns, Chroms und Urans haben nämlich die Eigenschaft, sich in einigen organischen Lösungsmitteln, z.B. Aceton, ohne Zersetzung oder Oxydation aufzulösen.

In ähnlicher Weise werden die Fäden der Helionlampe6) von Prof. H. C. Parker und W. G. Clark hergestellt. Dabei wird auf einem Kohlenfadenkern ein Ueberzug von Silizium hergestellt, indem man die den Faden umgebende Glasbirne mit einem Gasgemenge von Siliziumverbindungen anfüllt, aus denen sich beim Stromdurchgang reines Silizium niederschlägt. Die Bezeichnung „Helion“ verdankt die Lampe der Uebereinstimmung ihres Spektrums mit dem Sonnenspektrum. Der Helionfaden ist zwar nicht metallisch, verhält sich jedoch wie ein Metall. Er besitzt die Eigenschaft, daß er schon bei etwa 1750° C ein weiß glänzendes Licht erzeugt, während die Metallfäden erst bei 1900° C richtig leuchten. Der Temperaturkoeffizient des Fadens ist bis zu 1400°C negativ, wie bei den Leitern II. Klasse, von da an wächst der Widerstand mit der Temperatur wie bei den Metallen.

Etwas abweichend von den genannten Methoden ist die Herstellung der Canello-Glühlampe7). Hierbei wird ein Baumwollenfaden mit löslichen Salzen der seltenen Erden Zirkon, Cerium, Thorium getränkt, getrocknet und dann in einer Bunsenflamme geglüht, um den Kernfaden zu veraschen und einen solchen aus den Oxyden obiger Erden zu erhalten. Damit dieser Faden für den Strom leitend wird, taucht man ihn in eine Lösung von Osmium- oder Rutheniumsuperoxyd und erwärmt ihn in einer Atmosphäre von Schwefelwasserstoff, wodurch das Superoxyd in Sulfid verwandelt wird. Zur Reduzierung des Sulfids schickt man durch den bis jetzt noch schlecht leitenden Faden einen Strom und setzt ihn der Einwirkung einer organischen Verbindung, z.B., Traubenzucker oder besser Formaldehyd aus, und erhält dadurch einen dünnen Ueberzug von metallischem Osmium oder Ruthenium von relativ kleinerem Widerstand. Ueber diesen Metallüberzug kommt noch eine Schicht von Thoriumoxyd, welches aus den Dämpfen einer Lösung eines Thoriumsalzes in Azetylazeton auf dem Faden niedergeschlagen wird. Letzterer kann jedoch auch elektrolytisch in einem Bade von Thoriumnitrat mit Kohlenanoden erzeugt werden.

Das dritte des vorher genannten Verfahrens von Dr. Hans Kužel besteht darin, die Metallfäden aus kolloidalen Lösungen herzustellen8). Dabei ist es möglich, von den schwer schmelzbaren Metallen Mangan, Chrom, Molybdän, Uran, Wolfram, Tantal, Niob, Titan, Thorium, Zirkon, Osmium, Platin, Iridium, Palladium und dem nichtmetallischen Borsilizium plastische Massen herzustellen, indem man die Metalle als Elektroden eines Lichtbogens unter Wasser arbeiten läßt. Die Metallteilchen bilden dann kolloidale Suspensionen oder einen gallertartigen Teig, der sich wie Ton formen und durch feine Düsen in dünne Fäden ausspritzen läßt. Nach dem Trocknen und Erhitzen auf Weißglut wird der Faden in den kristallinischen Zustand übergeführt und bildet einen Draht von gleichmäßiger Dicke und Zusammensetzung. Während die Kolloide der Metalle die Eigenschaften von Leitern II. Klasse besitzen, d.h. bei höherer Temperatur einen kleineren Widerstand annehmen, zeigen die fertigen Fäden den Charakter der reinen Metalle mit positivem Temperaturkoeffizienten. Die Lampen werden unter dem Namen „Sirius Kolloid“ von der Jul. Pintsch-A.-G. hergestellt.

Die Tatsache, daß Wolfram wegen seines dem Tantal gegenüber höheren Schmelzpunktes sich zur Herstellung von Leuchtfäden mit geringem Leistungsverbrauch als besonders geeignet erwiesen hatte, gab der Siemens & Halske-A.-G. Veranlassung, Verfahren zur Herstellung von Wolframdraht zu ermitteln. Die Lösung dieser Aufgabe gelang im Jahre 1908, wenn auch unter Zuhilfenahme gewisser, geringer Zusätze, die nachträglich aus dem fertigen Draht entfernt wurden. So entstand die Wotanlampe mit einem gezogenen, aus einem Stück bestehenden und auf ein Traggestell gewickelten reinen Wolframdraht. Inzwischen ist es der amerikanischen Gruppe, welche Lizenzen für die Fabrikation und den Verkauf der Tantallampen außerhalb Europas besaß, gelungen, einen Wolframdraht aus reinem Wolframmetall nach einer neueren Methode zu ziehen, die manche Vorzüge gegenüber dem älteren Verfahren aufwies. Infolge bestehender Verträge erhielten damit auch die Auer-Gesellschaft und die Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin, einen guten Wolframdraht für ihre Lampen. Es ergab sich daraus für alle interessierten Parteien die Notwendigkeit, sich dahin zu vereinigen, daß zwischen den drei genannten Firmen ein freier Austausch der diesbezüglichen Patente vereinbart wurde.

Der Leuchtfaden wird nun bei den neuesten Lampen aus Wolframmetall gezogen und kann daher auf Fehlerfreiheit und richtige Beschaffenheit leichter kontrolliert werden, als viele einzelne Fäden. Allerdings bereitet das Ziehen des Drahtes manche Schwierigkeiten, wenn man berücksichtigt, daß der Draht 1/100 bis ⅕ mm Dicke sehr fein ist und die dazu notwendigen Diamantdüsen eine schwierige und peinlich genaue Herstellung des Ziehlochs erfordern. Während die Struktur des gespritzten Leuchtfadens eine körnige ist, zeigt der gezogene Draht ein sehniges, faseriges Gefüge, das allerdings während der Brenndauer allmählich in ein krystallinisches übergeht. Trotzdem ist die Lebensdauer bei etwa 1500 Std. größer als bei den gespritzten Fäden mit 1000 Std. Ein anderer Vorzug des Drahtes besteht darin, daß er zu Spiralen und Zickzacklinien geformt werden kann, wodurch das lichtspendende Element auf einen kleinen Raum konzentriert werden kann und damit die Eigenschaften einer punktförmigen Lichtquelle annimmt, welche besonders für Projektions- und Scheinwerferzwecke erstrebt wird.

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Durch den Uebergang zur Drahtlampe sind nicht allein Fortschritte in der Fabrikation, sondern auch im praktischen Gebrauch erzielt worden. So konnte die äußere Form wesentlich kleiner als bei den bisherigen Lampen gehalten und der Bereich der verfügbaren Lichtstärken nach unten hin erweitert werden. Infolge der geringeren Herstellungskosten konnte dann auch der Lampenpreis ermäßigt werden, so daß der Lampenersatz bei der dreifachen Nutzbrenndauer, d.h. für 20 v. H. Abnahme der Lichtstärke gegenüber der Kohlenfadenlampe nicht mehr in Frage kommt.

Neuerdings ist auch die Jul. Pintsch A.-G., Berlin, dazu übergegangen, nach einem anderen Verfahren aus Wolfram gezogene Fäden für die neuen Sirius-Drahtlampen zu verwenden, während die Union Elektr.-Gesellschaft m. b. H., Hamburg, für die Jridial-Metalldrahtlampen Drähte aus einer Iridiumlegierung herstellt.

Die niedrigste Lichtstärke aller modernen Lampen beträgt 10 HK bei 110 V und 16 HK bei 220 V mit einem Leistungsverbrauch von etwa 1 bis 1,2 Watt/HK unabhängig von der Spannung. Ausgenommen davon sind die Wotanlampen, welche sogar für 5 HK bei 110 V und 10 HK bei 220 V in einer sehr zierlichen und gefälligen Form gebaut werden, allerdings mit einem Verbrauch von 1,3 W/HK. Die Lampen hoher Leuchtkraft von 200 bis 1000 HK verbrauchen dabei nur noch etwa 0,8 W/HK.

Den Eigenschaften der verschiedenen Fadenmaterialien entsprechend haben die einzelnen Lampensorten besondere charakteristische Merkmale und Unterschiede gegeneinander, die sich besonders ausprägen in den sogen. Glühlampencharakteristiken und der Farbe des ausgestrahlten Lichts.

Da die Leuchtkraft der Lampen sich sehr stark mit der Spannung ändert, so mußte an ein Leitungsnetz mit konstanter Klemmenspannung die Forderung gestellt werden, daß die infolge des Leitungswiderstandes beim Aus- oder Einschalten von Stromempfängern im Netz auftretenden Spannungsänderungen eine gewisse Grenze nicht überschreiten, weil andernfalls dadurch ein unruhiges Brennen der Lampen hervorgerufen werden könnte. Für Kohlenfadenlampen durfte der höchste Spannungsverlust nicht mehr als 2 v. H. der Gebrauchsspannung betragen, wobei die Aenderung der Leuchtkraft von etwa 12,5 v. H. für das Auge sich schon weniger angenehm bemerkbar machte.

Allgemein läßt sich nun die Leuchtkraft H der Glühlampen als Funktion der Klemmenspannung E für Spannungen in der Nähe der normalen Gebrauchsspannung darstellen durch die Gleichung

H = c ∙ Ek

und diese Funktion als Charakteristik der Lampe f (H, E) bezeichnen. Darin ist c eine Größe, die von der Fadenanordnung und seinen Dimensionen abhängt. Der Koeffizient k wird vom Fadenmaterial, Temperaturkoeffizienten und Lichtemissionsvermögen beeinflußt. Ich habe nun für nachfolgende Lampen die Charakteristiken f (H, E) experimentell aufgenommen, wofür sich dann die in der Tab. 1 angegebenen Werte ergaben.

Tabelle 1.

Gleichungen der Glühlampen-Charakteristiken.
1. Kohlenfaden H = 4 ∙ 10– 12 ∙ E6,2
2. Metallisierte Kohle 12 ∙ 10– 9 ∙ E4,7
3. Nernst 8,9 ∙ 10– 16 ∙ E8,3
4. Tantal 1,8 ∙ 10– 7 ∙ E4,2
5. Osramfaden 5,2 ∙ 10– 7 ∙ E3,9
6. Zirkon 23 ∙ 10– 7 ∙ E3,7
7. Wolfram (Augsburg) 1,8 ∙ 10– 7 ∙ E3,7
8. Sirius Kolloid 16 ∙ 10– 7 ∙ E3,6
9. Allg. Elektr.-Ges. (Faden) 2,8 ∙ 10– 7 ∙ E3,9
10. Bergmann 15 ∙ 10– 7 ∙ E3,7
11. Jota 2,5 ∙ 10– 7 ∙ E3,7
12. Osram-Draht 2 ∙ 10– 7 ∙ E3,6
13. AEG-Draht 2,1 ∙ 10– 7 ∙ E3,6
14. Wotan 1,9 ∙ 10– 7 ∙ E3,6
15. Iridial 3,5 ∙ 10– 7 ∙ E3,6
16. Sirius-Draht 6 ∙ 10– 7 ∙ E3,6

Der Einfluß der Spannungsänderungen auf die Leuchtkraft läßt sich nun aus den gefundenen Werten von k leicht bestimmen.

Aendert sich die Spannung von dem normalen Wert E um ± p v. H., so würde die Leuchtkraft die Werte

und

annehmen.

Bei einer Gesamtänderung von E um p v. H. würde demnach die absolute Lichtschwankung sein:

oder, wenn man die Exponentialfunktionen in unendliche Reihen auflöst und alle anderen Glieder außer dem ersten vernachlässigt,

Die relative Lichtschwankung s in Prozenten des Mittelwertes H ausgedrückt, ist dann

.

Stellt man die relativen Schwankungen s in Abhängigkeit von p dar, so erhält man gerade Linien als f(s, p), deren Neigungswinkel arctg k nur vom Koeffizienten k abhängig ist.

Diese Linien setzen uns in die Lage, eine die praktische Leitungsberechnung interessierende Frage zu beantworten, nämlich für welchen höchsten Spannungsverlust die Leitungen bei Verwendung der neueren Lampen zu berechnen wären. Wie wir vorher gesehen haben, ergibt eine Lichtschwankung von s = 12,5 v. H. gerade die Grenze der Erträglichkeit. Zieht man daher durch diesen Punkt eine Parallele zur Abszissenachse, so schneidet sie die einzelnen Geraden in Punkten, deren Abszissen den prozentualen Spannungsverlust p ergibt. So sind die in Tab. 2 zusammengestellten Werte für die verschiedenen Lampen gefunden.

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Tabelle 2.

Zulässiger Spannungsverlust p bei s = 12,5 v. H. Lichtschwankung.

Nernst 1,5 v. H.
Kohlenfaden 2
Metallisierte Kohle 2,64
Tantal 2,96
Osram, AEG (Faden) 3,2
Zirkon, Wolfram, Bergmann, Jota 3,38
Sirius Kolloid 3,47
Osram-, AEG-Draht, Iridial, Sirius-Draht 3,48
Wotan 3,58

Die zweite Eigentümlichkeit der modernen Glühlampen besteht in der anderen Farbe des Lichts gegenüber den Kohlenfadenlampen. Während letztere eine mehr rötliche Färbung zeigen, werden bei den Metallfadenlampen die roten Strahlen durch die blauen überdeckt, so daß das Gesamtlicht weißer wird. Die Ursache dieser Erscheinung liegt in dem Umstände, daß die Metallfadenlampen bei einer höheren Temperatur brennen. Dadurch wird das Maximum der ausgestrahlten Energie dem Bereiche der sichtbaren Strahlung genähert und der Wirkungsgrad verbessert.

Diese Verschiebung nach der Seite der blauen Strahlen des Spektrums läßt sich nun quantitativ dadurch nachweisen, daß man bei gleicher Gesamthelligkeit der zu vergleichenden Lampen sich einzelne einfarbige Strahlen durch entsprechende Lichtfilter absondert und deren relative Helligkeit prüft. Im allgemeinen wird es genügen, von dem gesamten Lichtstrom die Strahlen Rot, Gelb, Grün, Blau herauszugreifen. Dabei kann man nach drei Methoden verfahren.

Die einfachste Art, die einfarbigen Strahlen zu erhalten, besteht darin, entsprechend gefärbte Gläser oder Gelatine, wie man sie als Lichtfilter in der Farbenphotographie verwendet, vor die Lichtquelle zu stellen oder sie damit von allen Seiten zu umgeben. Der Nachteil dieser Filter besteht darin, daß sie schwer abstimmbar sind und bei der Wärme leicht springen oder unbrauchbar werden. Außerdem ist es, abgesehen von dem hohen Preise, schwierig, monochromatische Gläser herzustellen, die nur eine Farbengattung durchlassen. Nur das Rubinglas entspricht diesen Anforderungen.

Die zweite Methode zur Trennung der Farben würde darin bestehen, das Licht der Lampen durch eine Linse parallel zu machen und dann mittels eines Glasprismas in einzelne Farben zu zerlegen. Durch Anwendung einer Blende könnte man dann die Farben einer gewünschten Wellenlänge allein auf das Photometer einwirken lassen und durch Vergleich mit einer gleichfarbigen Lichtquelle ihre Helligkeit feststellen. Darin aber besteht eine Hauptschwierigkeit, sowie außerdem das Erfordernis eines kostspieligen Instrumentariums.

Die dritte und gleichzeitig die einfachste Möglichkeit der Strahlentrennung ist folgende:

Man stellt sich ein ringförmiges Glasgefäß her, indem man zwei Bechergläser verschiedenen Durchmessers konzentrisch ineinander am Boden festkittet. In den ringförmigen Hohlraum zwischen den Wandungen wird nun die farbige Filterlösung hineingegossen, und die zu untersuchende Lampe in den freien Hohlraum des inneren Becherglases hineingehängt.

Zur Messung wurde nach dem Substitutionsverfahren eine Hilfslichtquelle benutzt, deren Licht durch eine davor befindliche und mit der gleichen Lösung angefüllte Glasküvette so gefärbt wurde, daß die Vergleichsfelder des Photometerkopfes gleiche Färbung zeigten, wodurch die Genauigkeit der Messung wesentlich gesteigert wurde.

Für die Filterlösungen wurden Farbstoffe der Höchster Farbwerke A.-G. verwendet. Jedoch mußte zur Erzielung einfarbigen Lichts eine Mischung mehrerer Farbenlösungen erfolgen, deren Durchlässigkeit für die einzelnen Wellenlängen des Lichts spektroskopisch festgestellt wurde. Teilt man das ganze Spektrum in 170 Teile, so kann man die Farbenart durch die Länge im Spektrum definieren.

Tab. 3 gibt die Zusammensetzung der Lösungen und die Lage der Durchlässigkeit im Spektrum in Teilen desselben oder durch die Wellenlänge des Lichts in Millionstel Millimeter (μμ) an.

Tabelle 3.


Licht
Farbstoff
in 1000 ccm Wasser
Länge im
Spektrum
Wellenlänge
μμ
rot 450 mg Tartrazin
450 „ Rose bengale
0–35 1000–650

gelb
3750 „ Rapidfiltergelb
50 „ Methylenblau
40 „ Tartrazin
65 „ Rose bengale

35–65

650–540
grün 200 „ Filtergrün II
100 „ Naphtolgrün
65–85 540–490
blau 100 „ Methylenblau
45 „ Kristalviolett
85–120 490–440

Nimmt man nun für die Kohlenfadenlampe bei den vier Strahlensorten eine relative Helligkeit von 100 v. H. an, so ergeben sich für die anderen Glühlampen nach Tab. 4 folgende Werte:

Tabelle 4.

Relative Helligkeit der Strahlen verschiedener Lampen.


μμ
1000–650
rot
650–540
gelb
540–490
grün
490–440
blau
Lampe v. H. v. H. v. H. v. H.
Kohlenfaden 100 100 100 100
Metallis. Kohle 105 70 131 141
Nernst 95 88 160 195
Tantal 97 93 117 145
Osramfaden 101 79 158 190
Zirkon 98 86 155 190
Wolfram (Augsburg) 102 74 125 158
Sirius Kolloid 98 86 147 218
AEG (Faden) 101 88 137 189
Bergmann 102 83 137 205
Jota 101 76 130 155
Osram
AEG
Wotan
Iridial

Drahtlampen
101
102
100
98
80
85
83
92
155
142
140
120
185
190
185
160
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Aus der Tabelle erkennt man, daß im Gegensatz zu der allgemeinen Ansicht die roten Strahlen in nahezu gleicher Menge vertreten sind, dagegen sind die gelben geringer, die grünen und blauen aber stärker geworden, wodurch sich die weißlichere Farbe des Lichts leicht erklären läßt.

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The Electrician 1906, S. 1047.

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Electr. World 1907, Nr. 16, S. 780.

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Electr. World 1907, Nr. 1, S. 10 und Electr. Review, New York 1907, Nr. 3, S. 111.

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Electr. World 1906, S. 474.

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Elektrotechn. und Maschinenbau. Wien 1906, S. 119.

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