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Beitrge zur Strahlung und zur Energieverteilung beim elektrischen Entladungsfunken hoher Frequenz.

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249
3. Beitridge xur Strahlung
u n d xur E,nrergieuerteilung beim elektrischen
Bnt8adungsfunken hoher Trequerw;
von HeiwrBch Fphr. Rausch v. T r a u b e w b e r g .
Oottinger Habilitationsschrift.
1. Einleitung.
Die vorliegende Arbeit hat den Zweck, einige quantitative
Beitrage zu den Strahlungseigenschaften und zu der Energieverteilung beim elektrischen Entladungsfunken zu erbringen.
Der Zusammenhang zwischen der Gesamtstrahlung eines
oszillatorischen Entladungsfunkens und den Entladungsbedingungen, unter denen er zustande kommt, sind bis jetzt
noch wenig erforscht. Aus der alteren Literatur sind hauptsachlich die Arbeiten von Massonl) zu nennen, der die sichtbare Strahlung eines Funkens mit Hilfe eines Kontrastphotometers mit einer Carcel-Lampe verglich. Durch seine lediglich relativen Messungen fand er die sichtbare Strahlung des
Funkens proportional der Kapazitat des Schwingungskreises
und dem Quadrat der Funkenlange , die Strahlung zwischen
Elektroden aus Zink, Zinn, Blei fie1 dabei groBer aus als bei
Kupfer, Messing und Eisen. In der neueren Literatur liegen
Arbeiten von A. PflugerB) vor; er untersucht insbesondere
die Energieverteilung auf die einzelnen Linien in den Funkenspektren der Metalle mittels Thermosaule in relativem MaB ;
nur einmal wurde der absolute Energiewert der Funkenstrahlung, jedoch nur fur eine ganz spezielle Anordnung, mit
der Gesamtstrahlung einer Refnerlampe verglichen und zu
ca. l/loo bis 'Iso ihrer Energie gefunden. Vom Verfasser liegt
eine Arbeit vor, betitelt: Uber den EinfluB des ElektrodenI) Masson, Ann. de Chin. et de Phys. 14. p. 129. 1865.
2) A . P f l i i g e r , Ann. d. Phys. 13. p. 890. 1904.
Annalen der Physik. IV. Folge. 40.
17
2 50
Beinrich Preiherr Rausch v. Trau6enberg.
materials auf die Licht- und Warmestrahlung des Entladungsfunkens l), in welcher die sichtbare und die Gesamtstrahlung
von Funken zwischen den Elektroden aus den verschiedensten
Metallen mittels Thermosaule in relativem Mag verglichen
werden ; als Hauptresultat der Arbeit erscheint die Feststellung
sehr starker Veranderlichkeit der Strahlung bei Variation des
Elektrodenmaterials bei gleichen Entladungsbedingungen. Die
vorliegende Arbeit hat nun das Ziel: erstens die Abhangigkeit
der Gesamtstrahlung des Funkens von bekannten Entladungsbedingungen quantitativ in ahsolutem Ma6 und bei verschiedenen Elektrodenmaterialien zu bestimmen. Hierzu war es
erforderlich , Kapazitat , Selbstinduktion , Einsatzspannung,
Dampfung, Funkenzahl quantitativ meBbar zu variieren und
dabei die Strahlung der Funken mittels absolut geeichten
Bolometers oder Thermosaule zu mewen. Zweitens wurde die
Verteilung der im Funken umgesetzten Gesamtenergie auf die
Strahlung und die Erwiirmung der Elektroden untersucht unter
Variation der Entladungsbedingungen.
11. Experimgnteller Teil.
A. Suhwingungakreise.
Als Schwingungskreise kamen die gleichen zur Verwendung, wie in der fruheren Arbeit des Verfassers uber den
Materialverlust der Elektroden.a)
Die Einsatzspannung 7, bestimmte sich nach der Qleichung
Po {volt)=
Jamp.
______
‘Far.
C bedeutet die Kapazitat, 6 die Funkenzahl pro sec. und J
den vom Induktor P, Fig. 1 nach der Kapazitat fliegenden Ladestrom (gemessen durch Drehspulamperemeter A); b wurde vom
Tourenzahler des Unterbrechers abgelesen.
Das logarithmische Dekrement 9- wurde aus der Beziehung
1) H. R a u s c h v o n T r a u b e n b e r g , Bulletin de 1’Acad. Imp. des
Sciences de St. Petersburg 1910.
2) H. R a u s c h v o n T r a u b e n b e r g , Phyeik. Zeitschr. 13. p. 415
bis 421. 1912.
Beitrage
ZUT
Strahlung und zur Energieverteilung usw. 251
ermittelt. i, , die effektive Stromst'arke im Schwingungskreis,
wurde mit Hilfe des Thermoelementes T und Galvanometers GI
gemessen; die Wellenlange I, mit einem Wellenmesser bestimmt. Die pro sec. durch die Strombahn des Schwingungskreises geforderte Elektrizitatsmenge b Q ergab sich aus der
Beziehung
(111)
bQ=bCyo
l+e
1-e
_ 42_
- -2
= b C P o coth
(3.
-
Die Variation der Kapazitat C konnte durch Parallelbzw. Serienschaltung von zwei Leidener Flaschen bewirkt
werden (C = 1,03, 2,02, 4,13 x 1O-O Farad.). Als Selbstinduktionen L dienten au6er den sonstigen Teilen der Strombahn auf Glas gewickelte Spulen von
gut isoliertem dicken Draht.
Eine variable Dampfung wurde
durch Einschalten eines stetig veranderlichen Widerstandes ws aus
dunnem bifilar gespannten Konstantandraht bewerkstelligt. Von diesem
Draht waren beliebige Langen mit
Fig. 1.
Hilfe von einem Schieber mit Quecksilberrinne abgreif bar. Auf Vermeidung der Partialentladnngen
beim Funken f (verursacht durch mehrmaliges Ziinden des
Funkens wahrend einer Anstiegsperiode des Induktorladestromes) wurde wie bei der friiheren Arbeit durch sorgfiiltiges Nachregulieren des Induktorspeisestromes, der die
beiden Fliissigkeitswiderstande wl und ~7~ durchlief, geachtet.
(Nan muB diesen so einregulieren, da6 die Funken bei f eben
gerade einsetzen !) Zur Berechnung von Vo wurde das Mittel
a m den mit der Unterbrechungszahl b etwas schwankenden
Einstellungen des Amperemeters B (1 Skt. = 1,07.10-6 Amp.)
genommen.
B. Strahlungsmessungen.
1. Apparatur und Eichung.
Um die Energie seiner Gesamtstrahlung zu messen, wurde
der Funke in bestimmtem Abstande einer mittels Hefnerlampe
geeichten Thermosaule besonderer Konstruktion gegenuber17 *
252
Heinrich Beihez-r Rausch v. Tz-aubenberg.
gestellt. Die Thermosaule stand in Verbindung mit einem
empfindlichen Drehspulspiegelgalvanometer von E d elm a n n
(1mm = 6,9x 10-lOAmp. bei 2,96 m Skalenabstand und einem
inneren Widerstand von ca. 600 Ln); die Saule war nach Angaben des Verfassers im Institut angefertigt.l) Da sie auch
vielleicht sonst zu Strahlungsmessungen Verwendung finden
konnte, moge ihre Konstruktion hier etwas eingehender beschrieben werden. Bei der Eonstruktion kam es darauf an,
groBe Empfindlichkeit bei kleiner Tragheit zu erreichen ; die
Nobilische Thermosaule ist zwar empfindlich, aber sehr trage.
Um die Empfindlichkeit fur die neue Saule zu steigern,
wurde eine gro6e Auffangflache fur die Strahlung gewahlt;
diese bestand aus ganz dunnem vorne geschwarztem Lamellenkupfer, welches auf der Riickseite mit ganz dunnem paraffiniertem Seidenpapier beklebt war; auf dieses Seidenpapier
wurden die Thermoelemente mit Hilfe eines ubergeklebten
Streifens Aluminiumpapier angedriickt. E s lagen unter jedem
Streifen 33 Elemente Eisen-Konstantan. In der Mitte waren
die Thermoelemente auf ein dunnes Bernsteinstabchen B mit
Schellack aufgeklebt, wie Figg. 2 und 3 zeigt.
-
CY
Fig. 2.
Die Elemente selbst wurden folgendermaBen hergestellt :
Ein Holzrahmchen von einem vierfach T-formigen Querschnitt
(Fig. 2) wurde eng mit bifilar gespanntem Eisen- und Konstantandraht (0,08 und 0,05 mm @) so bewickelt, daB auf dem
ganzen Rahmchen immer in aquidistanten Abstanden ein Eisenund ein Konstantandraht zu liegen kam. Nachdem das Rahmchen voll bewickelt war, schob man oben und unten ein
Bernsteinstabchen B unter die Drahte und klebte sie mit
1) Von Hrn. Mechaniker Gerlach.
Beitrage zur Strahlung und t u r Energieverteilung usw.
253
Schellack darauf fest. Dann wurden die Drahte an der StelleS
mit Weichlot moglichst dunn abwechselnd aneinander gelotet.
Nachdem samtliche Lotstellen hergestellt waren, schnitt man
mit einer Schere alle Drahte jenseits der Lotstellen durch und
erhielt nun zwei Thermosaulen auf beiden Seiten des Rahmchens.
I n der vorstehenden Untersuchung kamen zwei hintereinander
geschaltete Saulen von je 33 Elementen zur Verwendung. Die
ganze Saule (66 Elemente) hatte einen Widerstand von
ca. 370 Ohm.
Die beiden in Serie geschalteten Saulen T, und T, waren
in einem starkwandigen Kupferkasten Cu untergebracht ; im
Deckel des Kastens befand sich ein rechteckiger Ausschnitt,
der die beiden zu bestrahlenden Lamellen Jl
P
und L, frei lieI3. Die gesamte bestrahlte
Flache hatte eine Ausdehnung von ca. 12 qcm.
Der Kupferkasten mit der Saule wurde dann
in einem gro6eren Bolzkasten untergebracht
(Fig. 4); dieser war innen mit mattem schwarzen
Samt beklebt und besaB zwei-Diaphragmen D,
un-d D,. Der Kasten lieB sich bequem und
sicher horizontal und vertikal stellen. Die
Fig. 4.
Saule wurde nun nach drei Richtungen gepruft:
G ) Natur der Anstiegskurve.
,3) Integration uber kurzdauernde Bestrahlungen.
y ) Empfindlichkeit in absolutem Mag und Abhangigkeit derselben unter verschiedenen Bedingungen.
ad a) Es wurde der ,,An- und Abstieg der Siiule" als
Funktion der Zeit bei verschiedenen Intensitaten aufgenommen
und dabei Kurven vom Typus der Fig. 5 erhalten; es wurden
dabei Bestrahlungen von 3 bzw. 2 Minuten angewendet und
dann die Nachperiode 2 bzw. 3 Minuten weiter verfolgt. Wie
man sieht, war schon nach ca. 90" der Endausschlag auf
ca. 5 Proz. erreicht. Es kam manchmal vor, daS die Saule
n i c k vollstandig auf die Anfangsstellung zaruckging, was offenbar durch einen spontanen Gang ohne Bestrahlung oder durch
etwas Eindringen von warmer Luft in den Kasten verursacht
wurde, deswegen wurde immer das Mittel aus der Anfangsund Endstellung von der Maximalstellung in Abzug gebracht.
254
Heinrich Preiherr Rausch v. Traubenberg.
Die so korrigierten Maximalausschlage ,,a'' stimmten auch bei
relativ groBen Nullpunktsdifferenzen gut miteinander uberein.
ad p) Um zu ermitteln, ob die Saule uber kurz dauernde
Bestrahlungen richtig integrierte, wurde folgendermaBen verfahren : Zwischen die Beleuchtungslampe und die Saule wurde
24
I
I
I
I
1
180
ZW
300
360
20
16
12
8
4
0
60
120
Fig. 5.
eine drehbare Scheibe mit Ausschnitt (rotierender Sektor) eingeschaltet. Die Einstellung der Saule war von der Rotationsgeschwindigkeit des Sektors unabhangig.
ad y) I n absolutem MaB wurde die Saule mit Hilfe einer
Hefnerlampe geeicht. Nach K. Angstrom') betragt die Gesamtstrahlung der Hefnerlampe in l m Abstand
= 2150.10-* g-cal
sec-l omM2= 9,00 x low6Watt cm-2.
Die Eichung erfolgte, indem die Lampe in verschiedenen Abstinden vor die Saule gebracht wurde und die zugehorigen
Ausschlage bestimmt wurden. Die Hefnerlampe wurde auf
ein kleines Tischchen gestellt und in der ,,OCc-Stellungdurch
ein blankes Blech abgeblendet. Es ergaben sich die folgenden
Werte: (Tabelle I) R bedeutet den Abstand, a den Maximalausschlag.
Zwischen den Messungen I und I1 war die Saule neu
beruBt worden; die Resultate sind in Fig. 6 graphisch dargestellt. Bei vollem Tageslicht und bei verdunkeltem Zimmer
waren die erhaltenen Ausschlage praktisch gleich, z. B. a =24,75
und 2448.
-
1) K . & n g s t r 6 m ,
Reibl. 28. p. 247. 1904.
Beitrage zur Strahlung und zur Energieverteilung usw.
255
T a b e l l e I.
R cm
1
-.
R2
-.
105
ff
R2
105
I
87,3
107,3
137,3
78,5
108,s
138,5
198,5
8,611
1,53
1,44
1,59
1,52
1,55
1,49
1,34
12,6
8,49
5,21
2,54
3,39
Ebenso wie das Abrrtands- 25
gesetz der Lampe wurde auch 2’1
23
das Abstandsgesetz bei Be- 22
strahlung mit dem Funken 2l
20
gepriift. Der Funke befand 19
18
sich dabei vertikal uber der 17
Saule. Diese Stellung war 16
15
deswegen gewahlt, um den 14
13
EinfluB der urn den Funken 12
11
entstehenden warmen Luft 10
maglichst von der Saule ab- 98
zuhalten. Es wurden hierbei 7
6
die folgenden Resultate er- 5
halten (Tab. 11). Bei dieser 3+
MeBreihe war C , p0 , 6, 21
h = Const. Die geringen Unter0
schiede in der Funkenzahl b
wurden berucksichtigt.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I1 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fig. 6.
T n b e l l e 11.
R
cm
11,l
13,5
14,O
14,2
17,8
18,s
21,s
23,5
28,5
-.l
R2
108
8,13
5,50
5,lO
4,95
3,16
2,92
2,16
1,81
1,26
01
5 .104
Re
6,12
4,37
3,76
3,92
2,42
2,32
1,65
1,07
0,89
7,35
7,95
7,39
7,92
7,65
7,93
7,60
(5,911
7,03
256
Eeinrich Preiherr Rausch v. Traubenberg.
In Fig. 6 sind die Resultate graphisch wiedergegeben.
Um zu ermitteln, ob die Konvektionswarme wirklich genugend
von der Saule abgehalten war, wurde zwischen dem Funken
und der Saule ein Luftstrom erzeugt, der natiirlich die Strahlung hindurchlieb, aber die warme Luft mit fortfiihrte; es
wurden in beiden Fallen merklich die gleichen Resultate erhalten (a= 3,94 und 3,92, Abstand von der Saule = 14,24,
Abstand vom oberen Diaphragma B, = 5,7 cm).
Um nun die einem gewissen gemessenen Ausschlag a
entsprechende Energielsec N/ fur die gesamte Kugeloberflache
in Watt zu erhalten, benutzen wir die Beziehung
(IV)
W = cz r 2 7,35.
Watt.
Hierhei bedeutet a den Ausschlag, den wir im Abstand r
des Funkens von der Saule erhalten, unter der Annahme,
daB die Hefnerlampe in 100 ccm Abstand einem Ausschlag
a* = 15,4 cm erzeugt.
-
2. D i e Messungen.
Mit der vorbeschriebenen Apparatur wurden nun Messungen iiber die Gesamtstrahlung des Entladungsfunkens unter
verschiedenen Entladungsbedingungen, unter Verwendung verschiedenen Elektrodenmateriales und unter Variatioh des Gases,
in welchem der Funke uberging, angestellt. Die Abhangigkeit
von den verschiedenen Schwingungskreis- ,,Parametern" V0, C,
8, L, b wurde zunachst am Magnesium studiert und zwar,
weil der Funke zwischen Elektroden aus diesem Metalle eine
kraftige Strahlung zeigte und sehr regelmabig war.
Abhanyigkeit dey Strahlung von der Zinsatzspannung 7,.
Bei diesen Messungen wurde die Kapazitat C, die Selbstinduktion I; konstant gehalten, ebenso der Widerstand w 3 , es
wurde auch auf mSglichst gleiche Funkenzahl 6 eingestellt,
eine Variation von b naturlich berucksichtigt. V, wurde aus
der Beziehung I, 9. aus I1 und b Q aus 111 berechnet. Die
Umrechnung der erhaltenen Strahlung in Watts erfolgte nach IV.
( C = 4,13. l o w gFar., il = 195 m, r = 18,5 cm, Elektroden
Mg-Kugeln von ca. 1 cm Durchmesser.)
I n der Rubrik ,,Watt" ist die Strahlung des Funkens
fur die ganze Kugeloberflache gemeint; b Q siud Coulomb pro
Sekunde. f bedeutet die Funkenlange in Millimetern.
Beitrage zur Strahlung und zur Energieverteilung usw.
T a b e l l e 111.
-
i
I I /-.
~
01
-
5050 0,116
8650 0,109
10120 0,111
12880 0,118
14080 0,121
0,70
2,85
3,85
6,30
7,60
257
~
Watt Watt 104 Watt
Watt b &, lo3
bQ b*Q8
b Qf0,0176 7,07 2,50
3,13
4,95
4,91
0,075
2,13
17,O 4,25
0,097
5,02
2,04
19,0 5,10
1,99
0,159 22,s 6,95
5,40
1,96
0,192
5,55
24,5 7,83
~
~
Wie man aus vorstehender Tabelle entnehmen kann,
wlchst die Strahlung des Funkens leidlich proportional mit
6 Q 7, d. h. proportional dem Produkt aus gefiirderter Elektrizitatsmenge und Einsatzspannung. Der Quotient Watt16 Q f
zeigt fur die kleinste Funkenlange eine erhebliche Abweichung
beim Ubergange zu gro6eren E’unkenlangen, jedoch sonst ebenfalls gute Konstanz. Natiirlich ist die Messung von f bei Nr. 1
nicht sehr genau, so da6 die Entscheidung, ob die Funkenstrahlung proportional mit P, oder mit f bei gleicher pro Sek.
geforderter Elektrizitatsmenge wachst, sich aus den vorliegenden Messungen nicht eindeutig fallen 1aBt. Die Resultate der
Tab. 111 sind in Fig. 7 graphisch dargestellt.
w
20
18
16
14
12
70
8
6
4
2
0
Fig. 7.
Heinrich Preiherr Ravsch v. Baubenbery.
258
Abhlingigkeit der Strnhlung Don der Kapazitat C des Schwingungskreises. Bei diesen Messungen wurde die Funkenlange f
konstant = 3,2 mm gehalten, die Kapazitat durch Kombination
von zwei Leidener Flaschen auf die Werte 1,03, 2,02,
4,13.10-@Far. gebracht. Die Wellenlauge il des Schwingungskreises wurde mit einem Wellenmesser bestimmt. In den
Stromkreis war noch eine Spule von einigen Windungen ein.
geschaltet. 1’ betrug 13,2 cm.
--
T a b e l l e IV.
~
b
Watt
vo
-~
14,O 16900
0,0365
2,59
14,2 14200
1,30
0,0885
3,18
1,41
14,l 14500
0,0820
2,87
1,30
14,2 14200
O,C1832
2,99
1,33
14,O 12200
0,141
3,30
1,26
14,l 12900
0,136
3,11
1,25
2c
IS
16
14
12
10
8
6
4
2
I’
bQV.’
Fig. 8.
Man erkennt aus der vorstehenden Tabelle sowie &us der
Fig. 8 Proportionalitat zwischen den vom Funken ausgestrahlten
Beitraye zur Strahlung und zur Energieverteilung usw.
259
Watts und der sekundlich gefhrderten Elektrizitatsmenge ; offenbar ist bei Messung. 6 ein Fehler in der Spannungsmessung
eingetreten (vielleicht durch Ubererregung des Induktors , wa8
bei der kleinen Kapazitat leicht eintreten kann, auch ist die
Kapazitat der ubrigen Leitungsbahn des Schwingungskreises
gegenuber C vernachlassigt worden.)
Abhangiykeit der Strahlung voa der Bamptuny 9. des
Schwingunyskreises. Bei dieser MeBreihe wurde C, 5 , il konstant gehalten und die Dampfung i3 des Schwingungskreises
durch Variation des Widerstandes m3 entsprechend verandert.
Tab. V zeigt die Ergebnisse dieser Untersuchung.
T a b e l l e V.
C = 4,130
-
Far., r = 18,5 em, 1 = 195 m, f = 3,OO mm.
-~
~
b
12,4
12,6
12,3
12,6
12,7
12,7
12,6
Watt
~
~
0,364
0,538
0,540
Watt
-- Watt
bQo104
bQ
-bQ
.lo3
0,118
0,0885
0,0755
0,0592
0,0390
0,0379
0,118
~
20,4
13,7
9,62
6,51
4,46
4,46
21,o
5,80
6,45
7,85
9,lO
8,75
8,49
5,65
5,13
5,60
6,90
8,05
7,65
7,42
4,91
Wie man sieht, ist bei Variation der Dampfung das
Verhaltnis Watt/b Q 77 nicht konstant, sondern wachst mit
steigernder Dampfung, d. h. die Strahlung nimmt langsamer ab wie die gefarderte Elektrizitatsmenge (bezogen auf
Po = const.).
Abhanyigkeit der Strahlung von, der Tellenlanye 6zw. Selbstinduktion, des Schwingungskreises. Bei konstanter Funkenlange
und Kapazitat wurden verschiedene Spulen in den Schwingungskreis eingeschaltet, und die Strahlung in gewohnter Weise
gemessen.
Bei der Nessung war
C = 4,13
,
r = 13,2 cm.
Heinrich Freihew Rausch v. Traubenbery.
260
T a b e l l e VI.
19
195
15,4
9740
0,107
20
660
14,3
9600
0,076
5,70
21
1960
15,2
10150
0,071
4,OO 0,0511
22
195
14,5
12250
1
0,111
10,6
14,8
0,136
0,0750
I
0,190
Die Strahluug nimmt somit mit wachsender Wellenlange
bzw. Selbstinduktion, bezogen auf konstante geforderte El.
und konstantes Yo ab.
Abhangigkeit der StrahZung von der finkenzahl b. Zwischen
Funkenzahl pro sec 6 und dem der Strahlung proportionalen Ausschlag a der Saule ergab sich die folgende Beziehung:
T a b e l l e VII.
Nr.
I
a
23
3,97
24
7,09
25
1 I,?
26
27,2
!
2,94
9,40
Es herrscht somit Proportionalitat zwischen Fnnkenzahl
und Strahlung (abgesehen von Nr. 23 vielleicht a wegen seiner
Kleinheit ungenau). Es wurde stets mit Funkenzahlen gr6Ser
als 7 pro see meistens mit 14-15 pro sec gearbeitet.
Die Abhangigkeit der Strahlung von der Elektrodenform.
Bei dieser MeBreihe wurde der EinfluB der Elektrodenform
auf die Strahlung untersucht. Der Abstand r war gleich
13,2 cm; die Kapazitat betrug 4,13
Far., h. = 195 m.
Es wurden Mg-Elektroden von den folgenden Querschnitten
verwendet.
-
Reitrage zur StTahlung und zur Eiiergievesteilung usw. 261
A)
B1
C)
spitz,
I
~
7
L.
I abgedacht-zylindrisch,
1-
Dl
E)
zplindrisch,
Zylinder mit Ansatz,
I
)
halbkugelformig.
Die Resultate sind in Tab. VIII zusammengefaBt. I n der
ersten Rubrik ist mit dem groBen Buchstaben die Form bezeichnet.
T a b e l l e VIII.
I
--
I
fir76
1
32
33
35
36
3,80 12670
3,90 15320
3,70 12000
3,85 13580
3,85 13550
3,75 12920
2,OO
7840
3,75 13200
3,85 13420
2,00
7870
4
a
-0,106 11,s
0,115 12,6
0,099 11,7
0,114 14,3
0,113 14,9
0,110 12,7
0,098 5,05
0,112 13,O
0,111 14,O
5,65
0,lOt
Watt.
Mittel
.lo4
0,151 25,O 6,05 4y75
0,161 24,l 6,69 5,02
0,149
26,O 5,75 4,79
24,8 7,39 '44
0, I83
0,191 23,7 8,05 5,91
22,7 7,14 5,53
0,162
0,0645 16,s 3,74 4,79
24,5 6,79 5,13
0,166
24,2 7,40
0,179
0,0725 18,9 3,84
} 4,87
4,79
} 5,65
}
5,15
Wie man sieht, hatte die Elektrodenform keinen sehr
wesentlichen EinfluB auf die Strahlung, die Versuche waren
besonders deswegen angestellt worden, um festzustellen, ob
durch Reflexion an den Elektroden zuviel Strahlung in die
Saule gelangen konnte im Vergleich mit einer sich kugelfdrmig
ausbreitenden Strahlung.
Abhangigkeit der Strahlung uom Elelitrodenmaterial. Von
besonderem Interesse erschien es, die Intensitiit der Strahlung unter konstanten Entladungsbedingungen, aber hei Ver-
2 62
Heinrich Freiherr Raiisch v. Traubenberg.
wendung von verschiedenem Elektrodenmaterial zu studieren.
Es wurde versucht, den Elektroden, soweit es ging, moglichst gleiche Gestalt zu geben, allerdings war das bei
Uran, das sich nicht bearbeiten lieI3, nicht der Fall; zwei
Stucke metallisches Uran wurden mit Hilfe von Weichlot in
zwei ausgebohrten Messinghaltern befestigt ; bei Platin und
Gold wurden Kalotten aus diesen Metallen auf Messingkugeln
als Uoterlage gelotet. Cr verdanke ich dem liebenswurdigen
Entgegenkommen von Hrn. T a m m a n n , die iibrigen Substanzen
waren von M e r c k soweit als moglich als purissima bezogen.
Die Messungen erfolgten in Luft; die Kapazitat betrug
4,13.10-9 Far.,
il= 195 m
und
T
= 13,2cm.
Die Resultate sind in Tab. IX zusammengefabt:
T a b e l l e IX.
-- ~
~
To
-
~
8
a
~
Watt
-- __
44
45
46
~
I
1
1,
Eisen
Calcium
13,O
14,6
14,O
12,4
14,2
12,s
12,4
12,6
12,l
12,4
12,7
14560
12480
12930
13430
12250
12650
13500
13600
13250
12650
12840
0,142
0,112
0,116
0,113
0,117
0,109
0,111
0,115
0,108
0,105
0,107
26,3
13,4
14,9
7,85
7,30
12,o
6,20
6,OO
17,2
8,90
9,40
0,336
0,172
0,191
0,101
0,0935
0,154
0,0795
0,0769
0,220
0,114
0,120
bQ
.I08
Watt
___
hd)
W
I&v
. 104
-
~
~
~
22,l
27,O
25,8
24,4
24,7
24,6
24,9
24,6
24,5
24,s
25,2
15,2 10,5
6,39 5,lO
7,40 5,71
4,12 3,07
3,78 3,08
6,25 4,94
3,19 2,36
3.13 2,29
8,95 6,73
4,60 3,62
4,77 3,73
AuBer den Metallen dieser MeBreihe war noch friiher mit
einem anderen Schwingungskreis , allerdings ohne Beriicksichtigung der Dampfung und mit einer Leidener Flasche
die Strahlung verschiedener Metalle bei einer Funkenlange
von 3 mm mit der von Magnesium verglichen worden; obgleich
die absoluten Werte nicht angebbar sind, mogen die relativen
Werte bez. auf Magnesium doch angefuhrt werden; in der
weiter angefiihrten Reihe der Metalle sind diese Werte mit
Beitraye zur Strahlung und zur ~ n e r g ~ e u e r ~ e ~usw.
~ u n y263
einem * versehen. Bei Metallen, zwischen denen der Funke
schwer einsetzte, wurde bei diesen vorlaufigen Messungen nach
dem Vorschlage von Eickhoff ein diinner Draht an einer
Elektrode befestigt und mit seiner Spitze dem Funkenkanal
so weit genahert, bis der Funke zwischen einer parallel geschalteten Mg-Funkenstrecke von 3 mm und der zu untersuchenden gleich leicht einsetzte. Natiirlich sind die Messungen besonders bei den kleinen Werten der Strahlung und
bei Materialien, bei denen der Funke sehr unregelmaBig war,
recht unsicher.
Vereinigen wir samtliche Werte in eine Reihe, so erhalten wir:
T a b e l l e X.
Metal1
Strahlung
Metall
Strahlung
~
~
.
. .
.
. .
*Natriurn . .
Uran . . .
Eisen. . . .
Magnesium.
Cer
. . . . .
.
*Cadmium
. .
'Zink .
. . .
*Aluminium. . .
Calcium . . .
.
.
6,18
1,94
1,25
l,oo
0,92
0,90
0,89
0,73
0,68
*Bisrnut . . . .
Thallium . . .
Platin . . . .
*Blei . . . " .
Gold . . . . .
*Kupfer . . . .
*Zinn . . . . .
*Silber . . . .
0,65
0,57
0,57
0,54
0,43
0;41
0,41
0,36
Die aufgestellte Reihe zeigt keinen durchsichtigen Parallelismus mit sonst bekannten Beziehungen zwischen den
Metallen, allenfalls noch mit der elektrischen Spannungsreihe.
Man mu6 natiirlich berucksichtigen, daB die Intensitat der
Strahlung bei den einzelnen Metallen in verschiedenen Spektralbereichen liegt und deswegen diejenigen Metalle mit ausgepragt
ultravioletter Emission relativ zu kleine Werte ergaben.
Immerhin ist der Unterschied der Strahlung sehr auffiallig,
urn so mehr, als kalorimetrische Messungen ergaben, daB der
auf den Funken entfallende Energieanteil der geeamten im
Schwingungskreis vorhandenen Anfangsenergie bei verschiedenem Elektrodenmaterial ziemlich gleich ausfiel.
Abhangigkei.? der StTahhng vom Gase, in aelches der EZcnke
einyebettet war. Zur Untersuchung des Einflusses verschiedener
Heinrich Freiherr Rausch v. Traubenbery.
264
Gase auf die Funkenstrahlung wurde der Funke in ein GlasgefAB mit Quarzfenster eingeschlossen, und die Gase in sanftem
dtrome durch das GefaB geleitet. Die Versuche wurden mit
Magnesiumelektroden in den Gasen: Luft, Sauerstoff und Stickstoff angestellt; die Gase wurden Bomben entnommen, der
Stickstoff vorher durch Pyrogallol und Kalilauge und uber
erhitztes Cu-Drahtnetz geleitet. C betrug 4,13.
Far.,
il = 260 m, T = 15,2 cm. Der EinfluB des Gases machte sich
in der Weise bemerkbar, daB die Strahlung in 0, am groBten
und in N, am kleinsten war. F u r Luft = 1 erhalten wir:
in 0, = 1,15, in Luft = 1,00, in N, = 0,885.
DaB der absolute Wert Wattlb QV nach Tab. XI, mit den
friiheren Messungen verglichen, zu klein ausfiel, hat wohl in der
Absorption der nicht sehr gut polierten Quarzplatte seine
Ursache.
T a b e l l e XI.
-
~
~
13,4
13,l
13,O
12,6
13,4
13,6
13,8
1
12030
12630
12780
13210
12680
11170
11200
0,108
0,110
0,109
0,111
0,112
0,104
0,104
Watt Watt
FQ 1 0 4
bQ
__
3,71
3,Ol
3,59
2,84
3,57
2,79
3,57
2,70
4,16
3,27
4,21
3,77
3,86
3,45
C. Inergiemessungen.
Die im Schwingungskreise vorhandene Energie CPOa/2
verteilt sich auf die einzelnen Teile des Schwingungskreises
nach MaBgabe ihrer effektiven Widersyande oder Dampfungsanteile. Ein Teil wird in den Kondensatoren durch Randstrahlung und durch Umelektrisierungsarbeit verbraucht, ein
Teil wird in den Spulen und Leitungen in Joulesche Warme
verwandelt , ein Teil wird im Entladungsfunken umgesetzt.
Uns interessiert hier der auf den Entladungsfunken entfallende
Betrag. Dieser Betrag zerfallt nun seinerseits in verschiedene
Einzelfaktoren; so wird ein Teil dazu verbraucht, um die
Beitrage zur h'trahlung und zur Etiergievertedung usw.
265
Elektroden zu erwarmen, ein Teil wird in Licht und Warmestrahlung, ein Teil in Schallenergie umgesetzt. Endlich spielen
sich noch im Entladungsfunken teils endothermische, teils
exothermische chemische Prozesse ab , deren Warmetonungen
ebenfalls bei dieser ,,Energiebilanz'( des Entladungsfunkens zu
berucksichtigen sind. In der vorliegenden Untersuchung wurde
die auf den Funken entfallende Gesamtenergie / sec Sgkalorimetrisch gemessen, indem der Funke mit den Elektroden in
ein Kalorimeter eingeschlossen wurde. Die Eichung des Ealorimeters in Watt erfolgte mit Hilfe von Gleichstrom (a).
Der auf die Elektroden entfallende Betrag %el. wurde
gesondert bestimmt , indem die Erwarmung einer Elektrode
mit einem eingebohrten Thermoelement gemessen wurde und
nachher die gleiche Ejwarmung durch ,,Qleichstrom-Watts"
bewirkt wurde. Die GroBe des Strahluagsanteiles in Watt By
war durch die Messungen des vorigen Abschnittes bekannt.
Die durch eventuelle Verbrennung des Elektrodenmaterials
frei werdende chemische Energie ?Bo
lieB sich berechnen, da
der Verlust an Elektrodenmaterial durch Wagung bekannt war.
Die bei der Funkenentladung auftretende Schallenergie
wurde nicht gesondert bestimmt, doch IieBe sich dieselbe wohl
mit Hilfe einer Rayleighschen Scheibe ermitteln. Ebenso
wurden unter Energieaufnahme verlaufende chemische Prozesse
nicht berucksichtigt.
a) Bestimmung d e r i m F u n k e n u m g e s e t z t e n G e s a m t en e r g i e / see Bg.
Bei der Konstruktion des Kalorimeters war als wesentlichster Gesichtspunkt darauf zu achten, mijglichst gleichartige
Bedingungen beim Funken, als auch bei der Gleichstromeichung zu erzielen. Ferner muBte das Kalorimeter schallund strahlungsundurchlassig sein. Bei den Kalorimetern , bei
denen die Ausdehnung des Gases, in welchem der Funke ubergeht, als thermischer Indikator verwendet wird, ist der obigen
Bedingung nicht einwandfrei genugt, als weitere Fehlerquelle
erscheinen bei ihnen die durch chemische Veranderungen des
Gases hervorgerufenen Volumveranderungen. Beim B a t t e l l i
und M a g r i schen Kalorimeter mit doppeltem Luftmantel ist
diese letztere Fehlerquelle vermieden, jedoch die durch die
Annalen der Phgaik. IV. Folge. 40.
18
266
Heinrich Freiherr Rausch v. l'kaubenberg.
Zuleitungen abfliebende Warmemenge nicht geniigend berucksichtigt ; ferner ist es durchsichtig und nic,ht sehr schalldicht.
Nach vielen Vorversuchen verwendete ich ein Kalorimeter
entsprechend der Fig. 9 ; der Funke war zunachst in ein dunnwandiges Gefab C, aus Schablonenkupfer eingeschlossen (Hohe
4,3 cm, Breite 5 cm). Unten
I Gs
war das GefaB durch die dunne
Hartgummischeibe i?; welche zugleich die 1sol;ttion fur die eine
Elektrode bildete, verschlossen.
L Die Scheibe wurde durch sechs
Schrauben an den Ring 3,
angepreBt , die zwischengelegte
Gummischeibe G diente als
Dichtung, zur Verstarkung der
Scheibe H diente der Ring 3,.
Der Halter der oberen Elektrode war durch Gewinde in
der Mutter M verstellbar und
konnte von oben durch den
Griff K bedient werden. Durch
K
die beiden Glasrohren GI und G,
wurde das Cu-GefaB an der Hartgummileiste I, festgehalten, zugleich dienten diese Rohren,
durch Hahne verschliegbar, zur
Zuleitung verschiedener Gase.
Die Zuleitungen Zlund 2, verFig. 9.
banden die Elektroden mit den
Klemmen h; und K,. Die im Innern des GefaBes Cl angebrachte
Heizspirale 8 stand mit den Klemmen K, und K4 in Verbindung.
Die Heizspirale bestand aus dunnem Konstantandraht von
9,53 Ohm Widerstand. Um das Kupfergefiafi Cl war auben ringsherum, an Bernsteinisolatoren befestigt, ein dunner Platindraht P
(von ca. 24 Ohm) zickzackformig aufgewickelt; er war durch
starkere Kupferzuleitungen mit den Klemmen K5 und K6 verbunden, er lag in einem Zweige einer Briicke und diente als
Bolometerdraht der hier in Anwendung kommenden elektrischen
Temperaturmessung. Das ganze GefaB Cl tauchte nun in ein
Beitrage zur Strahlung und zur Energieverteiluny usw.
267
zweites mit 01 gefulltes Gefa6 C, (H0he 8,s cm, Breite 8 cm)
ein und lie6 sich in demselben bequem zwecks kraftiger
Durchruhrung durch einen Elektromotor auf- und abbewegen;
der Bolometerdraht wurde dabei vom 0 1 umspult. Als eigentliche Kalorimeterflussigkeit muBte hier gut isolierendes Paraffin01
verwendet werden , um die Hochspannungsleitung 2, isoliert
durchfuhren zu konnen (die andere Elektrode, .&, und das
Gefa6 C, lagen an Erde). Das GefaB Ca befand sich selbst
zum Schutz gegen au6eren Warmeeinflu6 in einem Zinkgefa6 ZK
(Hohe 30 cm, Breite 10 cm). Dieses stand wieder in einem
groBen mit Wasser gefulltem Akkumulatorenglase (20 x 20 x 48).
Die Gefa6e C,, C, und Z K hatten Glasfenster, um den Olstand
beobachten zu konnen. Ein im Innern von C, angebrachtes
Rohrchen mit Radiumbromid verhinderte den Entladeverzug.
Da das Kalorimeter sehr trage war, erfolgte die Messung
und Eichung folgenderma6en:
Einige Zeit vor Beginn der Messung wurde der Ruhrer in
Gang gesetzt und der Bruckenstrom (15 Milliamp.) geschlossen,
dann wurde wahrend einer Vorperiode von 6 Min. der Gang
des Galvanometers beobachtet (es diente a13 Galvanometer
dasselbe Instrument wie bei den Strahlungsmessungen, jedoch
mit 500 Ohm Vorschaltwiderstand). Dann wurde zur Zeit t = 0,
u = 0 der Funke bzw. Gleichstrom fur die Dauer von 3 Min.
eingeschaltet , genau nach 3 Min. wieder unterbrochen und
3 Min. weiter geruhrt , und die Endeinstellung nach diesen
3 Min. = oc abgelesen; als Anstieg des Kalorimeters diente
dann der Wert u uo korr. der Vorperiode. Besondere
Vorversuche hatten niimlich gezeigt , da6 der Anstieg des
Kalorimeters ziemlich unregelmaBig war (wegen der schlechten
W armeleitfahigkeit des Oles und der verschiedenartigen Energieabgabe beim Funken und beim Heizdraht). Der einige Zeit
nach Ausschalten der Heizung sich einstellende Endausschlag u
zeigte aber gute Konstanz und war ia proportional, wie aus
Tab. XI1 hervorgeht, aus der man die Eichung des Kalorimeters in Watts entnehmen kann. Die Werte der Tab. XI1
sind in Fig. 10 graphisch wiedergegeben. Mit diesem Kalorimeter wurde die Abhangigkeit der Funkenenergie I sec Bgvon
verschiedenen ,,Parametern" der Entladung bei Magnesiumelektroden in Luft untersucht.
- +-
18*
268
Heinrich Freiherr Rausch v. Traubenberg.
Tabelle XII.
i
0,15
0,20
070
0,25
0,30
0,30
0,30
0,40
0,40
Watt
2,70
4,70
4,60
7,20
10,3
10,o
9,85
17,s
18,l
0,215
0,382
0,382
0,598
0,860
0,860
0,860
1,53
1,53
1,26
1,23
1,21
1,21
1,20
1,17
1,15
1,17
1,19
Fig. 10.
1. Abhangigkeit der &nkenenergie/ sec mngvon der Einsutzspamung Yo illustriert Tab. XIII, C = 4,13 . loe9 Far.,
3. = 195 m.
269
Beitrage zur Strahlung und zur Energieverteilung usw.
Wr.
1 I
1;
b
4
55 1 5530
13,8
0,143
9160
13,9
9500
14,2
1
I I 1 .tYs-1
a
Watt
6,OO
0,500
0,126
15,9
1,35
0,106
15,7
1,33
'
1
Watt
6 9
Watt ,
bQV
56,9
103
8,80
16,7
81,l
21,l
63,l
88,5
66,5
Wie wir sehen, ist der Quotient W a t t l b Q P nicht konstant, Bondern die Funkenenergielsec agwird fiir kleine Einsatzspannungen relativ zu gro8.
2. ,4bAiinyigkeit von %Ivon
g der Kupuzitat wurde durch
Veranderung von C auf die Betrage 1,03, 2,02, 4,13.10-g Far.
ermittelt. Die Resultate enthalt Tab. XIV.
T a b e l l e XIV.
Watt
0,365
I . 1 IbQ
4,14
W a t t Watt
-104
bQ bQV
88,5
78,3
Wie man sieht, ist agder gefijrderten Elektrizitatsmenge,
reduziert auf gleiche Spannung, angeniihert proportional.
Mit genau derselben Anordnung wurde nochmals die Abhangigkeit der Strahlung von der Kapazitat bestimmt. Tab. XV
( r = 13,2 cm).
T a b e l l e XV.
- --
-
b
vo 4
- -61 4,t3 15,4 9740 0,107
Watt
bQ
5,82
~
~
~
igv'104
~
~
62 2,02 14,s 10100 0,093 131
63 2,02 14,9 10000 0,093 131
64 1,03 15,l 10900 0,138 104
6,50 0,0832
65 1,03 14,9 11000 0,136 104
1,85 0,0236
6,50 0,0832
2,OO 0,0356
I
5,98
13,l
6,35
6,30
13,l
6,36
6,31
5,15
4,77
4,34
4,99
4,96
4,70
270
Heinrich Freiherr Rausch v. Traubenberg.
Die Absolutwerte von W / b Q P stimmen leider untereinander
nicht gut iiberein , doch erscheinen sie zur Bilanzuberlegung,
die wir im folgenden anstellen werden, immerhin verwendbar.
3. Alhang<gkeit von ?Bgvon der Bampfung. Durch
Variation des Widerstandes m3 (Fig. 1) wurde auf verschiedene
Dampfungen des Schwingungskreises eingestellt, C war dabei
= 4,13. 10-D Far., A = 195 m. Die Resultate finden sich in
Tab. XVI.
T a b e l l e XVI.
66
0,107
14,2
9400
15,2
1,29
30,6
62,5
67
0,194
14,l
9580
10,2
0,860
11,5
74,5
68
0,441
14,2
9570
!
6,30
0,525
5,14
103
664
77,8
107
Ahnlich wie bei der Strahlung Tab. V fielen auch hier
die Wattlb Q P-Werte fiir groSe Dampfungen relativ zu groB
aus, offenbar haben wir dieses Verhalten einer Steigerung des
Funkenwiderstandes mit wachsendem auBeren Widerstand der
Beitrage zur 8 t r a h h g und zur Eneryieverteilung usw.
27 1
Strombahn zuzuschreiben, ein Verhalten, welches auch schon
von friiheren Autoren beobachtet wurde. Tragt man die Werte
von b Q Y als Funktion von 8,sowie die Strahlung %, und die
Funkenenergie/sec ‘mg ebenfalls als Funktion der Dampfung
auf, so sieht man, wie !Byund 213, stets oberhalb der b Q 7 Kurve verlaufen (Fig. 11).
4. Binfl.p der Selbstinduktion auf %Ig
In .die Strombahn
wurde eine gro6e Selbstinduktion (dicker Draht auf Glasspule)
eingeschaltet: es ergab sich Tab. XVII. C == 4,13.
Far.
T a b e l l e XVII.
Nr.
I
Ir
V,,
8
01
Watt b Q . i 0 3
rQb&P
.lo4
69
195
14,2
9500
0,106
15,7
1,33
21,l
63,2
66,5
70
1960
14,6
10200
0,073
15,5
1,32
33,6
39,5
38,5
Wir erhalten als Quotient von bQT’ fur (69) und (70)
3=
’&tu,’
66 5 =
38,5
1,73,
wahrend wir fur die Strahlung aus den Messungen (19) und (21)
finden, mit Einschaltung von Selbstinduktion in die Strombahn, nimmt somit cet. par. die Strahlung vie1 schneller ab
wie die Funkenwarme.
b) Restimmung der E l e k t r o d e n e r w a r m u n g
%el.
der gesamten
Der auf die Elektroden entfallende Betrag
Funkenenergielsec Bg wurde mit der folgenden Anordnung
bestimmt (Fig. 12).
Die geerdete kugelformige Magnesiumelektrode el (Durchmesser = 1 cm) war angebohrt und in die Hohlung mit Siegellack
ein Eisen-Konstantanthermoelement Th eingesetzt; auBerdem
war die Kugel der Lange nach durchbohrt und in das Loch ein
diinner Konstantandraht H, ohne die Wandung des Loches
zu beruhren, durchgezogen, an seinen Enden waren dickere
272
Heinrich Freiherr Rausch v. Ikaubenherg.
Kupferdrahte Cu angelotet und diese mit Hilfe von Siegellack
an die Enden des Loches befestigt. Es wurde dafur Sorge
getragen, daB weder der Heizdraht noch das Thermoelement
SchluS gegen die Kugel batten. Das Thermoelement war mit
dem vorbeschriebenen Drehspul-Spiegelgalvanometerunter Vorschaltung von 1500 Ohm verbunden. Der Ausschlag, welcher
nach 3 Min. Heizung ungefahr stationar wurde, wurde abgelesen und das Mittel aus Nullpunkt vorher und nachher
Fig. 12.
nach 3 Min.) abgelesen. Indem man dann spater einen bekannten Gleichstrom i durch den Widerstand IE (= 0,696 Sr)
schickte, lieBen sich die zu einer bestimmten Kugelerwarmung
notwendigen Watts bestimmen. Die Kugel diente hier selbst
gewissermahn als Kalorimeter ; allerdings erfolgte die Zufuhrung der Energie beim Funken und beim Gleichstrom
nicht in gleicher Weise, doch konnte angenommen werden,
da8 bei der grogen W armeleitfahigkeit des Metalles diese
Fehlerquelle nicht allzu stark ins Gewicht fiel.
Mit bekanntem Gleichstrom wurden die folgenden Eichwerte erhalten (Tab. XVIII). Die Wattwerte sind gleich mit
2 multipliziert, da wir ja die Erwarmung beider Elektroden
in Rechnung zu setzen haben.
T a b e l l e XVIII.
Beitrage zur Strahlung und xur Energieverteiluny usw.
273
Aus der zugehorigen Eichkurve (Fig. 13) lassen sich beliebige Zwischenwerte entnehmen. Es wurde nun mit dieser
70
60
50
W
ao
I
a
2o
10
0
Fig. 13.
Einrichtung die auf die Elektroden entfallende Energie/sec als
Funktion der Einsatzspannung bzw. Funkenlange gemessen.
Far.,
A = 195 m ,
die Resultate befinden sich in Tab. XIX.
C = 4,13.
1 I
V,
Watt b & . l O S
Nr.
f
71
3,40
12300
11,9 0,106
57,s 0,825
23,O
35,9
29,l
10,4
30,4
b
3
a
72
3,40
11950
53,2 0,755
20,s
36,4
73
2,20
8820
13,6 0,097
52,3
0,745
20,5
36,4
74
1,20
5650
13,7
I 0,105
33,2
0,470
11,l
42,3
0,099
41,l
.
74,8
Wie wir aus der Tabelle ersehen, ist die pro Sekunde auf
die Elektroden entfallende Energie nicht b Q P, sondern b Q,
2 74
Beinrich Freiherr Bauseh
ZI.
Traubenberg.
..
d. h der sekundlich geforderten Elektrizitatsmenge proportional
und von der Einsatzspannung wenigstens von 5650 Volt an,
und von der Funkenlange unabhangig.
c) A b s c h g t z u n g der c h e m i s c h e n Reaktionswiirme.
Angenommen wird die Verbrennung von Magnesium in
Sauerstoff. Wir haben dann die Reaktionsgleichung:
2Mg
+ 0, = 2Mg0 + 286800 g-cal .
Um 1 Watt zu erzeugen, mufiten somit pro Sekunde verbrenpen:
4,lO
m g Magnesium.
-
Aus den Resultaten der Arbeit: ,,Uber einen Zusammenhang zwischen Elektrizitatstransport . . .'' l) wissen wir daB
mg
die Elektroden pro transportierte Coulomb 9,lO.
verlieren; bei unserem Versuche (7 1) z. B. verbrennen somit
2,09 .
mg Magnesium in der Sekunde. Diese erzeugen
somit eine Energie pro Sekunde von 0,051 Watt. Der Anteil
der chemischen Reaktionswarme mu6 jedenfalls proportional
mit 6 Q und nicht proportional mit b Q 7 wachsen, da die
verbrannte Menge des Elektrodenmaterials proportional der
geforderten Elektrizitatsmenge zunimmt ; es ist deswegen
nicht wahrscheinlich, da6 die Strahlung, welche j a 6 Q Y proportional wachst : als Hauptquelle die Reaktionswarme zur
Voraussetzung hat, welche allerdings bei Magnesium in Sauerstoff ca. ein Drittel der Strahlungsenergie ausmachen konnte.
Aufstellung einer Energiebilanz f u r den Funken. Um zu
finden, welcher Anteil der gesamten im Funken umgesetzten
Energie (Bg)
auf die Strahlung (BJ und auf die Elektrodenentfallt, benutzen wir die Messungen:
erwarmung (!Bel.)
Nr. (57) zur Bestimmung von %$,
17
11
(61)
(73)
91
11
91
m(,,
11
1,
91
%el.)
C = 4,13.10-9 Far.,
I = 195 m .
Reduzieren wir in diesen Messungen auf gleiches 6, 9. und TOTl
wobei wir bei dieser letzteren Reduktion a,,
quadratisch, 1233, und
1) H. Rausch v o n T r a u b e n b e r g , 1. c.
2)
V, = 9353 Volt b = 14,3 Volt, 8 = 0,103.
Beitrage zur Strahluiig und zur Bnergieverteilung usw. 275
'Be,.aber linear reduzieren miissen, so erhalten wir bei einer
dabei gefdrderten Elektrizitatsmenge 1sec
b Q = 21,6- loM3Coul./sec
die Gesamtenergie/sec
Bg= 0,136 Watt,
fur die einzelnen Komponenten von !Bgaber:
fur die Strahlungsenergie
,, ,, Elektrodenenergie
,, ,, chemische Energie
. . .
. . .
. . .
%, = 0,121 Watt
'%i. = 0,785
ZBC = 0,048
,,
,,
Summe = 0,954 Watt
Es fehlen somit noch 1,36 - 0,954 == 0,41 Watt, die wir
auf Rechnung von Versuchsfehlern und der nicht besonders
gemessenen Schallenergie setzen konnen ; (wenn wir statt
Messung 57, 56 verwendet hatten, ware der Unterschied
zwischen Dg und {?By Del.j noch groBer geworden). Die
Strahlungsenergie betragt somit ca. nur 9 Proz. der gesamten Energie, wahrend ca. 60 Proz. auf die Kugelerwarmung
entfallen. Dieses Verhaltnis bleibt naturlich nicht fur alle
Einsatzspannungen konstant , es verschiebt sich vielmehr mit
wachsenden Funkenlangen immer mehr und mehr zugunsten
der Strahlung, welche j a proportional
wachst , wiihrend
die Elektrodenerwarmung nur proportional Yo zunimmt. AuBerdem ist (vgl. Tab. VI, XVII und X) die Strahlung Funktion
der Wellenlange il und des Elektrodenmaterials. Bei niedrigen
Frequenzen, d. h. cet. par. kleinen maximalen Stromamplituden,
fallt die Strahlung relativ gering aus. DaB die GroBe der
maximalen Stromamplitude (verbunden mit kurzer Dauer) ein
wesentlich bestimmender Faktor fur die Intensitat der Strahlung sein muB, wurde noch weiter durch eine Beobachtung
plausibel gemacht, die ich mit einem Gleichstrorn-Lichtbogen
anstellte. Ich lie6 in der Versuchsanordnung der Tab. XI
einen ca. 2 mm langen Lichtbogen zwischen Mg-Elektroden
i n Stickstoff brennen. Die Netzspannung betrug 440 Volt;
obgleich in dem mit 0,11 Amp. brennenden Bogen 7,9 Watt
vernichtet wurden , betrug seine (durch das Quarzfenster geschwachte) Strahlung nur 0,015 Watt, wahrend ein Funke von
1,59 Watt Gesamtenergie, Messung 50 eine Strahlung yon
0,09 Watt ergab, also ca., 30 ma1 mehr.
+
276
Efeinrich Freitierr Rausch v. Traubenberg.
Beziehungen der gewonnenen Resultate zu den Bogen- bzw.
Funkenkonstanten.
F u r den Wattverbrauch am Lichtbogen gilt die Heziehung:
Bg= a J 6 ,
tV)
fiir einen Bogen von der Lange f mm ist:
+
(VI)
a = a,+
6 = b,
+
a, f ,
6,f.
F u r die Glimmentladung gilt die formalgleiche Beziehung ;
setzt man (VI) und (V) ein, so erhalt man
VII)
Bg=J(a,+a,f)+41 f6,f.
F u r die Bogenentladung zwischen Cu-Elektroden gilt nun nach
G u y e und Z e b r i k o f f
a = 21,3
3 , 0 3 f Volt,
+
b = 10,69 + 1 5 , 2 4 f Watt.
F u r die Glimmentladung nach S t u c h t e y :
a = 340 + 70 f Volt ,
6 = - 0,025
+ 0,568 f Watt.
Bekanntlich kann man die Funkenentladung in eine
Glimmstromphase und in eine Bogenstromphase zerlegen. Die
Glimmstromphase ist nach den Untersuchungen von Ros c h a n s k y l ) fur Magnesium sehr kurz. Wenden wir unsere
Formel (VII) auf die Bogenstromphase an: fur J setzen wir
die maximale Stromamplitude Jo = 2 n n C 7, ein; es kommt
uns hier eben nicht auf die richtigen absoluten Werte an,
sondern nur darauf, festzustellen, wie sich die Glesamtenergie
auf die einzelnen Faktoren der Formel (VII) verteilt; in
unserem Beispiel wird bei G = 4,13 .
Far. und b = 195
mehr :
J, = 188 Amp. fur f = 1 mm,
J, = 331 ,,
,, f = 2 ),
J, = 446 ,,
,, f = 3 ,,
4 = 570 9 1 7 7 f = 4 7 ,
1) D. R o s c h a n s k y , Ann. d.
Phys. 36. p.
281. 1911.
Beitrage zur Strahlung und zur Energieverteiluny usw.
27'1
Setzen wir diese Werte von J, und f in die Formel (VII)
ein unter Benutzung der G u y e und Zebrikoffschen Konstanten, so erhalten wir:
T a b e l l e XX.
frnm
J,
a,
4
a, J, f
b,
bl f
ail
1
188
4 000
570
10,7
15,2
4 595
2
331
7100
2000
10,7
30,5
9 140
3
446
9500
4050
10,7
45,7
13606
4
570
12200
6900
10,7
61,O
19 172
Tragen wir die einzelnen Faktoren a. 4 , alJ , f , mg als
Funktion von fgraphisch auf, so erhalten wir Fig. 14. Eine ganz
ahnliche Beziehung zwischen
den einzelnen Faktoren gilt auch
fur die Glimmstromphase.
Untersuchen wir nun die ,,5
Gesamtenergie des Funkens, die
Strahlungsenergie und die Elektrodenerwarmung a19 Funktion
der Funkenlange , indem wir
in den Tabellen 111, XI11 und
XIX die gemessenen Gesamt- o,5
watts, die Strahlungswatts und
die Elektrodenwatts auf
C = 4,13. lO-O, b = 12,8,
0 F.mm 1
2
3
4
9 = 0,115,
1 = 195 m
Fig. 14.
reduzieren, so erhalten wir, wenn
reduzieren,
wir die Funkenlangen
Funkenlangen aus den gemessenen
gemessenen Einsatzspannungen
Einsatzspannungen
berechnen ::
,,i'
u
fur die
fur die
Gesarntenergie/sec. 'Bg Strahlenenergie/sec. %By
f
2,26
1,20
2,38
Watt
f
fur die Elektrodenenergie %Be,.
Watt
f
Watt
0,0171
0,068
0,095
0,167
0,205
1,23
2,16
3,30
0,595
0,820
0,402
278
Heinrich Freihew Rausch v. Baubenberg.
Tragen wir nun diese einzelnen Faktoren als Funktion
von f auf, so erhalten wir Fig. 16, welche in dem relativen
Verlauf der einzelnen Faktoren mit der vorigen Figur groBe
Abnlichkeit, hat. Offenbar entspricbt das ,,ael.
Glied" dem
,,a,,-Glied". Allerdings wird das mit f 2 wachsende Glied im
Vergleich mit dem Gliede a, f J, relativ zu klein, wir haben
-
trnm F
1 =
Br, 2
= %el.,
3 =
B,,.
Fig. 15.
im Funken wohl noch auger der Strahlung noch andere mit
f quadratisch wachsende Glieder, die wir in unserer Bilanz
nicht mit beriicksichtigt haben.
B e r e c h n u n g d e r moglichen Zahl d e s S t r a h l u n g s t r a g e r s i m
F u n k e n und d e s pro S t r a h l u n g s t r g g e r e n t f a l l e n d e n E n e r g i e ant e i l es.
Aus den Resultaten der Arbeit ,,Uber den Materialverlust
der Elektroden . . ." erscbeint der SchluB plausibel, daB man
sich den Elektrizitatstransport im Funken so denken kann,
daB jedes verdampfte Metallatom als zweiwertiges Ion denselben vermittelt. Aus der sekundlich geforderten Elektrizitatsmenge b Q und der bekannten Ladung des elektrischen Elementarquantums ( E = 4,9.lo-', elektrost. Einheiten) konnen
wir die Zahl N der sich pro Sekunde am Elektrizitatstransport
beteiligenden Elektrizitatstrager berechnen; machen wir nun
weiter die Annahme, daB die Elektrizitatstrager gleichzeitig
Beitriige 2ur Shahlung und zzr Energieverteilung usw. 27 9
als Strahlungstrager aufzufassen sind, so ist auch damit ihre
Zahl bekannt.
In unserer Messung (61) ergibt sich z. B.
N=
2 3 , 4 . 1 0 - 3 . 3 109
=
9,s. 10-10
7,5* 1 0 1 8 .
-
Die Strahlung betrug 0,136 Watt = 0,136 lo6 Erg/sec.
Auf ein Teilchen entfallt somit die Energie
tu,,
0,136.10'
= __-~
= 1,8-10-l1 Erg,
1 , 5 . 10'6
ein Wert, der der Gro6e des Energiequantums h u fur eine
Frequenz, bei welcher die Hauptemission des Funkens zu erfolgen scheint (h Y fur il = 3000 8 = 0,65. 10-l1 Erg), der
GroBenordnung nach nahe kommt. Allerdings ist der Wert
von m, keine Konstante, sondern steigt mit Po und ist vom
Elektrodenmaterial abhangig, auBerdem ist natiirlich der Einflu6 bzw. die Wiirmetonung der chemischen Prozesse zu beriicksichtigen. Die pro Elektrizitatstrager auftretende Warmetonung wiirde sich zu
fa,
.= 1
052* lo' - 0,69. 10-11
7 , 5 . 10'6
ergeben und fiif Magnesium dem Wert des Energiequantums
nahe kommen. Natiirlich ist to, stark vom Elektrodenmaterial
abhangig und auBerdem vom Gase, in welches der Funke eingebettet ist, so da6 es vorlaufig noch verfriiht erscheint, aus
den vorliegenden Beziehungen tiefergehende theoretische
Schliisse zu ziehen.
Kurse Zusammenfasaung der Resultate.
1. In der vorliegenden Arbeit wurde die Gesamtstrahlung
oszillatorischer Funken mit einer Thermosaule besonderer
Konstruktion in absolutem MaB gemessen und die Abhangigkeit von den Entladungsbedingungen, dem Elektrodenmaterial
und dem Gase studiert.
2. Es zeigte sich dabei, daB die Strahlung des Funkens
(Magnesium) bei konstanter Dampfung und Selbstinduktion
proportional war dem Produkt aus geforderter Elektrizitatsmenge und Einsatzspannung.
280 Heinrich lrreiherr Rausch
v. Traubenberg. Beitrage usw.
3. Die Strahlung variierte sehr bedeutend mit dem Elektrodenmaterial und war fur Natrium am graBten (6,2) und fur
Silber am kleinsten (0,36).
4. Eine Veranderung des Gases (02,
Luft, N,) hatte keinen
sehr wesentlichen EinfluB auf die Strahlung von Mg.
5. Es wurden neue Kalorimeter ausgearbeitet, um die
Gesamtenergie des Funkens, sowie um die auf die Elektroden
entfallende Energie in absoiutem MaB unter verschiedenen
Entladungsbedingungen zu bestimmen. Die gewonnenen Resultate wurden mit den Resultaten von (2) verglichen und e8
wurde gefunden, dsB auf die Strahlung des Mg-Funkens (bei
P, = 9000 V.) nur ca. 9 Proz. der Gesamtenergie entfiel
und die Elektroden (deren Erwarmung proportional der geforderten Elektrizitatsmenge unabhangig von Po stieg) wesentlich mehr erhielten, ein Verhaltnis, welches sich mit Abnahme
der Selbstinduktion und Steigerung der Einsatzspannung zugunsten der Strahlung verschob.
6. Die Resultate von 5. zeigten in ihrer Abhiingigkeit
von der Funkenlange groBe Ahnlichkeit mit den einzelnen
Gliedern der A yrtonschen Formel fur den Energieverbrauch
am Bogen.
7. Es wurde unter der Annahme der Gleichheit von Elektrizitatstragern und Strahlungstragern der auf einen solchen
entfallende Anteil der Strahlungs- und chemischen Energie berechnet und von der GroBenordnung lo-” Erg gefunden.
Zum SchluB mochte ich Hrn. Geheimrat Dr. E. W i e c h e r t
fur sein uberaus freundliches Entgegenkommen und Hrn.
F. T r e y fur die wertvolle Hilfe, die er mir bei vielen Versuchen und Berechnungen zuteil werden lieB, meinen warmsten
Dank aussprechen.
Die Versuche wurden am Geophysikalischen Institut der
Universitat Gottingen ausgefuhrt.
(Eingegangen 17. November 1912.)
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