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Der Einflu elektrischer Felder auf die Transporterscheinungen in Gasen.

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H. SENFTLEBEN:
EinfluB elektrischer Felder auf die Transporterscheinungen i n Gasen 273
Der EinfluS elektrischer Fefder
auf die Transporterscheinungen in Gasen
Von HERMANN
SENFTLEBEN
Mit 4 Abbildungen
Inhaltsiibersicht
I m Rahmen der Untersuchungen iiber die Einwirkung iiuaerer Felder auf die Transportphiinomene in Gasen fehlte - nach der eingehenden Untersuchung des Einflusses magnetischer Felder - noch der Nachweis des analogen Effektes durch elektrische Felder. I m
folgenden werden Versuche beschrieben, aus denen hervorgeht, daO die Wiirmeleitfiihigkeit
von Dipolgasen durch auBere e l e k t r i s c h e Felder beeinflufit wird, und daB die Gesetzmiiaigkeiten in mancher Hinsicht mit denen iibereinstimmen, welche bei der Untersuchung
des Einflusses m a g n e t i s c h e r Felder auf paramagnetische Gase gefunden wurden. I n
beiden Fallen hat man es mit einer Beeinflussung der mittleren freien Weglknge zu tun.
Uber den EinfluB magnetischer Felder auf die TransportgroBen (Warmeleitung, innere Reibung und Diffusion) liegt eine ganze Reihe von Untersuchungen vorl). Die beobachteten Effekte bestehen darin, daS das Magnetfeld in
paramagnetischen Gasen ejne Abnahme aller drei TransportgroBen bewirkt.
deren GroBenordnung im Maximum 1%betragt. Die Abhangigkeit des Effektes
von den auSeren Bedingungen (Feldstarke, Gasdruck, Temperatur) zeigt deutliche GesetzmaBigkeiten, die fur alle Vorgange parallel laufen.
Zur theoretischen Deutung liegen verschiedene Untersuchungen vor 2). Die
experimentellen Ergebnisse wiesen darauf hin, daD es sich um eine Beeinflussung der mittleren freien Weglange der Gasmolekiile handeln miisse, und
zwar um eine Verkleinerung derselben infolge scheinbarer VergroBerung des
molekularen Wirkungsquerschnittes. Eine quantitative Deutungsmoglichkeit
zeigte zuerst GORTER.Sie gelang ihm und seinen Mitarbeitern auf Grund genauer Diskussion der andersartigen Mittelwertsbildungen, die durch das Ein.________
l) Zusammenfassender Bericht: K. F. HERZEELD,
Handb. u. Jahrbuch Chem. Phys.
3/2, IV. S. 222 (1939); Betr. W i i r m e l e i t u n g : H. SENFTLEBEN,
Physik. Z. 31, 961 (1930);
H. SENFTLEBEN
u. J. PIETZNER,I. Ann. Physik 16, 907 (1933); 11. Ann. Physik27, 108
(1936); 111. Ann. Physik 27, 117 (1936); IV. Ann. Physik 30, 541 (1937); E. RIEQER,Ann.
Physik 31, 453 (1938); D. SICHTIG,Ann. Physik 38, 274 (1940); Betr. I n n e r e R e i b u n g :
H.. ENGELHARDT
u. H. SACK,Physik. 2. 33, 724 (1932); M. TRAUTZ
u. E. FROSCHEL,
Ann.
Physik 22, 223 (1935); H. SENFTLEBEN
u. H. GLADISCH,Ann. Physik 30, 713 (1937); 33,
471 (1938); H. TORWEGGE,
Ann. Physik 33, 459 (1938); Betr. D i f f u s i o n : H. SENFTLEBEK
u. H. SCHULT,Ann. Physik 7, 103 (1950).
2, M. v. LAUE,Ann. Physik 23, 1 (1935); 26, 474 (1936); C. J. GORTER,
Naturwiss. BG,
140 (1938); F. ZERNICKE
u. C. van LIER, Physica 6, 961 (1939); C. J. GORTER,Ned. Tijdsschr. v. Natuurkd. 7, 89 (1940).
18 Ann. Physik. 7. Folge. Ed. 15
Annalen der Physik. 7. Folge. Bend 16. 1966
274
treten einer Larmorprazession der paramagnetischen Molekiile im Magnetfeld
notwendig werden. Auf Grund dieser oberlegungen lieBen sich fast alle beobachteten Effekte quantitativ deuten, vor allem auch die Tatsache, daB sie sich
ganz allgemein als Funktion des Quotienten aus der Feldstarke ( H ) und dem
Gasdruck ( p ) erwiesen. I n jedem Palle war also, wenn man mit I die TransportgroBe bezeichnet, die prozentuale Anderring derselben
Fur den Fall auSerer e l e k t r i s c h e r Felder liegen die Verhaltnisse ganz
anders; eine Prazession der Molekiile kann nicht eintreten, wohl aber konnen
Gasmolekiile, welche einen elektrischen Dipol tragen, im elektrischen Felde
einer Richtwirkung unterliegen, und diese kann, wenn die Form der Molekiile
nicht kugelsymmetrisch ist, auch eine h d e r u n g des Wirkungsquerschnitts und
damit der freien Wegliinge bewirken.
Der Nachweis ekes solchen Effektes und seine Untersuchung ist schwierig,
weil es nicht moglich ist, in Gasen elektrische Felder von einiger Stiirke aufrechtzuerhalten, ohne daB ein Stromdurchgarlg eintritt. Erschwert wird die Situation
noch dadurch, daB der gesuchte Effekt ebenso wie im Falle magnetischer Felder
mit zunehmendem Gasdruck a bnimmt und deshalb iiberhaupt nur bei niedrigen
Drucken meBbar ist. Bei solchen tritt natiirlich noch leichter eine Entladung ein.
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, blieb nur der Ausweg, inhomogene Felder
zu benutzen, in denen sich bekanntlich unter Umstanden recht betrachtliche
Feldst,arken aufrecht erhalten lassen.
Die im folgenden beschriebenen Untersuchungen behandeln den EinfluO
elektrischer Felder auf das Warmeleitvermogen ( I ) von Dipolgasen. Untersuchungen der inneren Reibung von Gasen in elektrischen Feldern haben zu
keinen reproduzierbaren Ergebnissen gefiihrt, nicht einmal sicher das Vorzeichen
eines solchen Einflusses feststellen konnen. Der EinfluB auf die Diffusion ist
sicher sehr gering und iiberaus schwer nachweisbar, so daB von den drei TransportgroBen fur eine exakte Untersuchung nur das Warmeleitvermogen
win Frage kam. Die Messung desselben
geschah nach dem bekannten Verfahren vonSCHLEIERMACHER3).Abb. 1
zeigt das Schema der Versuchsanordnung. I n den GefiiBen R , und R,, die
mit dem zu untersuchenden Gas gefiillt werden, sind Driihte D, und
D, (etwa 0,03mm 0 ) ausgespannt,
umgeben von Metallzylindern C, und
C,. Die Drahte sind mit den Widerstanden w1 und w, zu einer WEEATSToNEschen Briickenanordnung vereinigt, deren Galvanometer G ist. An
Abb. 1. Versuchsanordnung
den Zylinder C, kann eine Gleichspannung gelegt werden. V miSt die zwischen C , und dim Draht D, (Erde)
liegende Spannung. Die Drahte werden durch einen geeigneten Heizstrom auf
3)
A. SCHLEIERMACHER,
Wied. Ann. 34, 623 (1888).
H. SENFTLEBEN
: EinfluB elektrischer Felder auf die Transporterscheinungen in Gasen 275
etwa 50" iiber die AuBentemperatur erhitzt. Die Dimensionen der Gefa13e
und Driihte sind so gewahlt, daB bei den in Frage kommenden Gasdrucken k e k e
Stromung in den GefaBen auftritt4) und der Warmetransport vom Draht zum
Zylinder nur durch Leitung erfolgt 6 ) . Die MeBgefaBe wurden durch einen
Thermostaten auf konstanter Temperatur gehalten.
Zur Untersuchung wurden die Drahte geheizt und die Widerstande w 1 und
w 2 so abgeglichen, daB das Galvanometer G keinen Ausschlag zeigte. Trat beim
Anlegen der Spannung V zwischen Zylinder C, und Draht D, ein Ausschlag auf,
so wies dieser auf eine Temperaturanderung des Drahtes hin,
die nur durch eine Anderung des
Warmeleitvermogens des Gases
verursacht sein konnte. - Um
festzustellen, ob keine unerwiinschten Nebeneffekte auftraten, wurden zunachst dipollose Gase (Luft, Tetrachlorkohlenstoff) untersucht. Bei
keinem Druck war ein EinfluB
des elektrischen Feldes festzustellen. Ersetzte man aber diese
Gase durch dipoltragende Gase, Abb. 2. AbhLngigkeit der relativen WLrnieleiz. B. Athylchlorid (C,H,Cl) mit
tungsanderung von der Peldstarke
einemDipolmomentp = 2 . lo-,*,
so war beim Einschdten des Feldes deutlich eine Erwarmung des Drahtes D ,
festzustellen, d. h. es mul3te eine Abnahme des Warmeleitvermogens eingetreten sein. Sehr groBe Effekte zeigte auch das Gas CHCI, (Chloroform) mit
einem Dipolmoment p = 1 10-ls. Abb. 2 zeigt die Ergebnisse von Messungen
a n Chloroform bei Drucken zwischen 11Torr und 77,3 Tom. Aufgetragen ist als
Funktion der angelegten Spannung V der ,,Effekt", wenn man als solchen die
Al
relative Bnderung des Warmeleitvermogens (A), d. h. die GroBe - bezeichnet.
1
Es zeigt sich ein Ansteigen des Effektes mit der Feldstarke, welche ja proportional der angelegten Spannung V ist. Zunachst ist die Zunahme stark, wird
dann schwacher und strebt moglicherweise einer Sattigung zu. Die GroBenordnung des Effektes ist etwa O,O1yo;die Fehlergrenze der Messungen ist je nach
4) H. SENFTLEBEN
u. P. SCRNABEL,
Z. angew. Physik 11,428 (1959). Aus dieser Arbeit
kann fur alle GroBen und Orientierungen konzentrischer Zylinder und fur Gase bei beliebigen Drucken und Temperaturen entnommen werden, ob der Warmetransport zwischen den
Zylindern durch Leitung oder Konvektion allein oder durch beides gleichzeitig geschieht.
5) Vgl. H. SENFTLEBEN
u. W. BRAUN,Z. Physik 102, 480 (1936); H. SENFTLEBEN
u.
H. GLADISCH,
Z. Physik 126, 289 (1949); H.. SENBTLEBEN
u. E. BULTNANN,Z. Physik 136,
389 (1953). H. SENFTLEBEN
u. R. LANQE-HAHN,
Z. Naturforsch. 13a, 99 (1958). In diesen
Arbeiten werden die starken Warmeeffekte behandelt, welche in Gasen und Blussigkeiten
beim Anlegen elektrischer Belder auftreten, wenn in dem Medium eine Stromung einsetzt,
welche ein Temperaturgefalle und elektromechanische (Elektrostriktions-)Effekte
bewirkt.
Um diese grol3en Effekte zu vermeiden, muBte streng darauf geachtet werden, daB der
Whrmeubergang n u r durch L e i t u n g erfolgte. Im ubrigen bewirkt der groBe Elektrostriktionseffekt stets eine Zunahme des Warmeubergangs, wiihrend es sich bei dem weiterhin zu
beschreibenden Effekt meist um eine Abnahme des Wiirmetransportes handelt.
18*
Annalen der Physik. 7. Folge. Band 15. 1965
276
der GroRe des Effektes zwischen 1und 10%. AuRer bei den genannten Gasen ist
der Effekt noch beobachtet worden a n Benzonitril (C,H,CN; ,u = 4 . 10-ls) und
Acet~nitril(,u = 3,5.
CH,CN. Bei diesem Gas wurde eine geringe Zunahme des Warmeleitvermogens festgestellt, welche nur schwer nachweisbar
war aber doch reel1 zu sein scheint, wed sie die im folgenden zu besprechende
GesetzmaBigkeit genauso zeigt wie die Gase mit a b nehmender Warmeleitfahigkeit.
Die Ahnlichkeit der in Abb. 2 wiedergegebenen Kurven mit solchen des
Effektes in m a g n e t i s c h e n Feldern legte die Moglichkeit nahe, daR auch beim
elektrischen Effekt ein der G1. (1) analoges Gesetz gelten konne. Mit andern
Worten, es konnte hier (wenn die Feldstiirke mit E bezeichnet wird), der Effekt
nur e k e Funktion von E / p sein, oder, weil die Feldstarke E proportional der
Spannung V ist, die in den Kurven als Abszisse aufgetragen ist, es konnte gelten
- T.ro
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chlorid. Es ist bemerkenswert, wie genau die gemessenen Werte trotz der sehr
betrachtlichen Variation von Feldstarken und Drucken fur jedes Gas auf e i n e r
Kurve liegen. Die Abweichungen bleiben stets innerhalb der MeDgenauigkeit.
Diese GesetzmaSigkeit (GI. (2)) ist vollkommen analog der bei den Ergebnissen
H. SENFTLEBEN
: EinfluB elektrischer Felder auf die Transporterscheinungen in Gasen 277
fur den EinfluB magnetischer Felder gefundenen (GI. 1). Dies H/p-Gesetz gab
den ersten AnstoB dazu, den Effekt auf eine Anderung der freien Weglange
zuriickzufiihren. Man kann also vermuten, daB auch elektrische Felder eine
h d e r u n g des Wirkungsquerschnitts der Gasmolekiile und damit der freien Weglange bewirken. - I n der gleichen Richtung weisen die Ergebnisse von Messungen des elektrischen Effektes an Mischungen von Dipolgasen, welche allein den
Effekt zeigen, mit dipollosen Gasen. Abb. 4 zeigt zunachst den Effekt a n reinem
Chloroform6), dann an einer Mischung von Chloroform mit Luft und schlieBlich
den EinfluB des Zusatzes von Tetrachlorkohlenstoff. Das Mischungsverhiltnis
war dabei stets 1: 1. Wiihrend das leichte Gas den Effekt nur unwesentlich herabsetzt, wird er durch das dem Chloroform gegeniiber beinahe gleich schwere
Gas (CCl,) ungefahr auf die Hiilfte geschwiicht. Auch dies Verhalten entspricht
den Ergebnissen bei Messungen des magnetischen Effektes an Mischungen von
para- und diamagnetischen Gasen.
Um genaueren Einblick in die Vorgange zu erhalten, miissen wesentlich
eingehendere Untersuchungen angestellt und die Messungen auf vie1 mehr Gase
ausgedehnt werden. Die Verhaltnisse sind hier komplizierter als im Falle der
Wirkung magnetischer Felder; das geht schon daraus hervor, da13 der Effekt
zwar an das Vorhandensein eines Dipols gebunden ist, daB er aber in seiner
GroBe nicht allein durch die Starke des Dipols bestimmt ist. Darum erscheint es
dem Verfasser sicher, da13 es bei der Deutung der Erscheinungen wesentlich auf
die Form der Molekiile und auch auf die Lage des Dipols im Molekiil ankommt.
Gerade betreffs dieser beiden Fragen wird man wahrscheinlich bei weiterer
Verfolgung des Problems interessante Schliisse ziehen konnen.
Aus auBeren Griinden konnen diese Untersuchungen vom Verfasser nicht
weiter gefiihrt werden. Dies ist auch der Grund, warum hier die bisherigen Ergebnisse trotz ihrer Unvollstandigkeit veroffentlicht werden.
Die vorliegenden Untersuchungen wurden in den C h e m i s c h en W e r k e n
Hii 1s durchgefiihrt. Der Werksleitung, vor allem dem Vorsitzer des Vorstandes
Herrn Professor Dr. Dr. BAUMANN,
danke ich fur ihre groljziigige Unterstiitzung.
Mein Dank gilt auch der Deutschen Forschungsgemeinschaft, welche die Arbeit
durch Sachbeihilfen wesentlich forderte.
6)
Al,
Die Absolutwerte von -weichen in den Abbildungen (bei gleicher angelegter Span-
L
nung V ) voneinander ab. Der Grund liegt in der Verwendung verschiedener MeBgefaBe
und MeBdriihte und damit sehr verschiedener Feldstiirken.
R e c k l i n g h a 11s e n , FraunhoferstraSe 1.
Bei der Redakt.ion eingegangen am 12. Oktober 1964.
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