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Der Schwingkristall und die Ursachen seiner Wirkungsweise.

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ANNALEN DER PHYSIK
5.FOLGE, 1931, BANDS, H E F T 1
Der Bchw4qbristall
un d die Ursachern s e i n e r Wirkungsweise
70%
Erich Habann
(Mitteilung aus dem Institut fur Fernmeldetechnik der T. H. Braunschweig)
(Mit 9 Figuren)
I n h alt: Der Schwingkristall wird empirisch verbessert. An Hand
von Experiment und Rechnung werden die Ursachen seiner fallenden
Charakteristik aufgedeckt.
E c c l e s und Lossewl) entdeckten den negativen Widerstand von Kristallkont'akten. Der aufiere Aufbau eines solchen
Kristallkontalrtes ist dem der Detektoren der drahtlosen Telephonie analog : ein dunner Metalldraht lehnt im losen Kontakt
gegen ein Mineral. Als Mineral
kommen nur solche Leiter in
Frage , die sich elektrolytisch
=
nicht zersetzen. Bewahrt haben
sich bestimmte Sulfide, 2;. B.
MeBschaltung
Bleiglanz und gewisse Oxyde
wie Rotzinkerz. An solchen
Fig. 1
Kontakten nimmt man mit
wachsendem Strom zuerst ein Steigen und dann ein Fallen der
elektrischen Spannung wahr. Infolge dieser Eigenart ist nur
die Schaltung nach Fig. 1 fur die Untersuchung brauchbar.
Der Widerstand w mufi hier so hoch bemessen werden, dafi
der Spannungsabfall an ihrn stets gro13er ist als a n dem zu
untersuchenden Kontakt K. Der Strom J ist dann im wesentlichen durch den Widerstand w bestimmt. Man variiert die
Batteriespannung E oder den Vorschaltwiderstand '10 und beob-
;?q-@+
1) 0. W. Lossew, Der Krystadyne, Ztschr. f. Fernmeldetechnik
S. 132. 1925. Oscillating Crystals, Radio News S. 1167. 1925. Oszillierende
Kristalle, Ztschr. f. Fernmeldetechnik S. 97. 1926.
Annalen der Physik. 5. Folge. 9.
1
2
E. Habann
achtet zu jedem eingestellten Stromwert J am Kontakt den
zugehorigen Spannungswert V . I m Gebiete der fallenden
Charakteristik ist der Widerstand des Kontaktes negativ
gegenuber Stromanderungen und hier in bekannter Weise zur
Schwingungserzeugung benutzbar. Der Effekt tritt uberhaupt
oder besser hervor, wenn der Metalldraht bei den Sulfiden
das positive, bei den Osyden
das negative Potential erhalt en hat.
Fur die Ursache des negativen Widerstandes der
Schwingkristalle sind zwei
Theorien aufgestellt worden:
Die Charakteristik des
Kristallkontaktes ist der des
Lichtbogens analog.
Nach
Lossew stellt der Kristallkontakt einen Miniaturlicht bogen dar. Der Effekt beruht
hiernach im wesentlichen auf
StoBionisation der Luft. Lossew vermag an einigen
Schwingkristallen bei Stromdurchgang
charakteristische
Leuchterscheinungen nachzuweisen.
S i x t u s l ) zeigt an ExperiCharakteristik in Abhangigkeit
ment und Rechnung, da13 fur
von der Temperatur. Platindraht
den Effekt die Warme vervon 0,l mm Durchmesser als
antwortlich
gemacht werden
negative Elektrode
konne,
insofern,
als mit wachFig. 2
sendem Strom eine groBere
Warme in der Kontaktstelle erzeugt werde und die War& den
Ubergangswiderstand ermaBige. Temperaturerhohung wirkt in
der Tat auf Spannung erniedrigend ein, wie es beispielsweise die
Charakteristiken in Fig. 2 zeigen, die bei den verschiedenen
Temperaturen von ZOO, 120°, 145O, 251O an dem unten beschriebenen Kontakt aufgenommen worden sind.
1) K. S i x t u s , vber den Schwingkristall, Ztschr. f. techn. Phys.
S. 70. 1928.
Schwingkristall und die Ursachen seiner Wirkungsweise
3
Beide Anschauungen sind nicht stichhaltig.
Zur StoBionisation der Luft sind mindestens 15-17 Volt
notwendig. Viele der an Kontakten beobachteten Charakteristiken zeigen aber nur Spannungen, die weit unterhalb der
notwendigen Ionisierungsspannung liegen. So ist beispielsweise
im gesamten Verlaufe einer Charakteristik keine hohere
Spannung wie 4 Volt beobachtet worden.
Mit einigen Kontakten lassen sich in Schwingschaltung
aufierordentlich hohe Frequenzen von 12,3 * lo6 Hertz1) erzeugen. Die Warme aber ist nach allem, was wir von ihr
wissen, zu trage, um derartig schnelle Schwankungen mitzumachen.2)
Die folgende Untersuchung setzt sich zum Ziel, zunachst
die Ursachen der an Schwingkristallen beobachteten Erscheinungen aufzudecken.
Der Effekt der fallenden Charakteristik ist bei den Naturkristallen meistens njcht leicht zu beobachten. Man muB viele
Stellen mit dem Metalldraht abtasten, ehe man einige brauchbare gefunden hat, und auch diese verandern sich mit der
Zeit. VerhaltnismaBig am besten tritt der Effekt noch an
frischen Bruchstellen auf. Um stabile und reproduzierbare
Verhaltnisse fur die IJntersuchung zu schaffen, ist es notwendig,
den Kontakt zunachst rein empirisch zu verbessern.
Es wurde vermutet, daB die Kristallstruktur der Mineralelektrode wesentlich am Effekt beteiligt sei. Ilanach muBte
die fallende Charakteristik um so besser hervortreten, je reiner
die kristallinen Formen des Minerals ausgebildet sind, und sich
hier vielleicht an bevorzugten Flachen besonders geltend
machen. Fur die Untersuchung wurde der Bleiglanzkristall gewahlt. Er findet sich in der Natur gut ausgebildet vor,
kristallisiert in Wurfeln, laBt sich leicht spalten und hat ein
einfaches Gefuge: Aiif eine einfache Schicht Bleiatome folgt
nebeneinander und ubereinander eine einfache Schicht Schwefelatome. Bei einer solchen Struktur ist eine Ungleichwertigkeit
zweier gegenuberliegenden Wurfelflachen im Kontakt zu erwarten. Dies konnte aber nicht beobachtet werden. Dafur
1) Vgl. BuBnote 1, S. 1.
2) Vgl. hieriiber E t t e n r e i c h , Phys. Ztschr. 21. S. 208. 1920 und
L e h n h a r d t , Der Detektor, S. 40, 86. Berlin 1926.
1"
4
E. Habann.
konnte festgestellt werden,. dai3 auf derselben Kristallflache
die wirlrsamen St ellen meistens dicht beisammen lagen. So
wurde der Verdacht rege, dalj fur den Effekt zwar nicht die
kristalline Form, aber Verunreinigungen, die der Naturkristall
enthielt, von Bedeutung seien. ITnd so war es auch. Der
naturliche Bleiglanzkristall enthalt bekanntlich Verunreinigungen von Silber-, Antimon-, Eisen- und Zinksulfid. Bleisulfid, rnit 4-10 Proz. Zinksulfid zusammengeschmolzen, liefert
eine Elektrode rnit brauchbaren Kont,aktstellen. Eine genauere Untersuchung hat dann ergeben, da13 fur den Qrundstoff eine gleichgeartete Verbindung eines bestimmten anderen
Metalls als Beimengung spezifisch ist und dal3 die verbessernde
Wirkung der Beimengung bei verhaltnismaBig kleinen Mengen
auftritt und ein Optimum hat. Den Erfolg dieser Erkenntnis
beweist die auljergewohnliche Charakteristik der Fig. 2 mit
der Spitzenspannung von 135 i-Volt ! Die bdreffende Elektrode bestand aus Zinkoxyd und 2-3 Proz. Kupferoyxd und
wurde hergestellt, indem die beiden Oxpde fein pulverisiert,
gemengt und in einem Quarzrohr zwischen zwei Graphitstiften
mit Wechselstrom geschmolzen wurden. Ein Teil der Sc,hmelze
war a m Graphitst'ift haft,en geblieben. Dieser Stift diente in
Fig. 2 und fur die folgenden Untersucliungen als Kontaktelektrode, indem ein Metalldraht von 0,l-0,3 mm Durchmesser (in Fig. 2 Platin von 0,l mm Durchmesser) mit
seiner Spitze die am Graphitstift haftende Oxydmasse
beruhrte.
Jetzt sind wir in der Lage, nach der Ursache der fallenden
Charakteristili zu forschen.
Der Stromubergang zwischen der Kathode und der Anode
im Kontakt wird durch zwei Faktoren geregelt. Der Strom
hangt erstens davon ab, rnit welcher Kraft die Elektronen in
der Kathode erfaljt und in den Kontaktraum befordert werden.
Die elektrische Feldstarke an der Kathode ist hierfiir ma&
gebend. Zweitens wird der Elektronenstrom um so leichter
fliefien, je weniger er durch die reinen Widerstandshindernisse
im Kontaktraum gehemmt wird. Das Widerstandshindernis
kann hier nur das Medium, also die Luft sein. Der erste Faktor,
die elektrische Feldstarke, wird naturlich immer eine Rolle
spielen. Ob der zweite Faktor, der Widerstand des Mediums,
zu beachten ist, mu6 untersucht werden.
-
Der Widerstand wird bestimmt diircli die Dichte des
Mediums und durch die LBnge und den Querschnitt des Elektronenstromweges im Medium.
Die Lanqe des Stromweges ist identisch mit dem Kontaktabstand. Wenn der Widerst'and des Mediums, hier also der
Kontaktabstand, die Form der Charakteristik iiberhaupt beeinfluBt, dann muB sich der Kontaktabstand mit der Strornstarke andern. Und wird die Form der Charakteristik durch die
h d e r u n g des Kontaktabstandes wesentlich bedingt, so mu13
sich die Form der Clharakteristik auch in der Kontaktabstandsanderung auspragen, insbesondere muB im fallenden Teile der
Charakteristik rnit wachsendem Strom der Kontaktabstand
kleiner werden. DaB sich der Kontaktabstand mit der Stromstarke verandert, hat Seidll) beobachtet. Der Kontakt, mit
entsprechend bemessener Selbstinduktion und Kapazitat zu
einern Schwingungskreis zusammengeschaltet, liefert im Gebiet
der fallenden Charakteristik niederfrequente elektrische Strome
im Schwingungskreis. Diese Strome andern im selben Rhythmus den Kontaktabstand. Der Kontakt wird so zu einer
akustischen Tonquelle.
Beobachtet man aber bei der Aufnahme der statischen
Charakteristik den Kontaktdraht unter dem Mikroskop bei
650facher VergroBerung - der Kontaktdraht hat genugend
Rillen, die als Fixierungspunkte dienen konnen - so sieht
man rnit wachsendem Strom den Draht sich im Sinne einer
VergroBerung des Kontaktabstandes verschieben. Demnach
treten zwai Abstandsanderungen rnit den Stromanderungen
auf, aber nicht in dem Sinne, daB sie als Ursache der fallenden
Charakteristik gedeutet werden konnen. Die Abstandsanderung
ist lediglich eine Begleiterscheinung.
Der Querschrzitt des Elektronenstromes konnte nur dann das
Fallen der Charakteristilr unterstutzen, wenn er sich mit
wachsendem Strom bet'rachtlich vergrol3erte. Fiir die Anschauung wurde sich so das folgende Bild ergeben: Bei kleinem
Strom wiirden die Ellektronen in einem engsten Stromfaden
von der Kathode zur Anode hiniiberflieoen. Mit starker wer1) F. Seidl, Phys. Ztschr. 37, S. 64, 816. 1926; K. L i c h t e n ecker, Seidls selbsttonender Kristall, Ztschr. f. techn. Phys. S. 161.
1927; A. E n s b r u n n e r , Der selbsttonende Kristall und das membranlose Telephon. Telegraphen- und Fernsprechtechnik S. 285. 1928.
dendem Strom wurde sich der Querschnitt des Stromfadens
betrachtlich vergroBern, bis einer weiteren VergroBerung die
Sbmessungen der benutzten Elektroden Greneen setzen. Die
Tiefe des Fallens der Charakteristik wiirde also im wesentlichen
durch den Querschnitt der Metalldrahtelektrode bestimmt
werden, und bei geniigend diinnem Draht miiBte erst gar kein
Fallen der Charakteristik eintreten. I n dieser Richtung angestellte Versuche mit Elektroden versehiedenen Querschnitts
zeigten nicht den erwarteten EinfluB. Am Zustandekommen
der fallenden Charakteristik ist der Querschnitt
des Widerstandes nicht
beteiligt .
Der EinfluB der Dichte
des Mediums auf die Charakteristik kann unmittelbar gepriift werden. Die
Fig. 3 zeigt zwei Charakteristiken, die an demselben Kontakt einmal
bei 754 mm und das andere
Ma1 bei 12 mm Luftdruck
aufgenommen worden
Charakteristik in Abhangigkeit vom
sind.1) Die DichteverringeLuftdruck. Negative Elektrode:
rung wirkt erniedrigend
Eisendraht von 0,l mm Durchmesser
auf alle Spannungen. Danach konnte die Dichte
Fig. 3
sehr wohl am Zustandekommen der fallenden C’harakteristik beteiligt sein, wenn
die Dichte ihrerseits vom Strom beeinflul3t wurde und zwar
in dem Sinne, da13 sie sich mit wachsendem Strom verkleinerte.
Die Hypothese klingt plausibel. Merkwurdig ist allerdings der
auBerordentliche Druckunterschied, der notwendig ist, um die
Spannungen so sehr zu verandern, wie es die fallende Charakteristik verlangt. Daher ist eine Bestatigung cler Hypothese erwunscht.
Wenn das Medium den Elektronen bei ihrem Flu13 durch
den Kontaktraum einen Widerstand entgegensetzt, der um so
gro13er ist, je dichter das Medium ist, so muB sich diese Eigen1) Vakuumversuclie finden sich bereits in der Arbeit von Sixtus.
Schuingkristull urid die Ursuchen seiner Wirkungsweise
‘I
schaft besonders bemerkbar machen, wenn man von dem
Medium Luft zu dem dichteren Medium einer nichtleitenden
Flussigkeit ubergeht. Die Wahl fie1 auf physikalisch so verschiedene Flussigkeiten wie Benzol und Rizinusol, das letztere
in Physikerkreisen
mehr wegen seiner
Dipoleigenschaf t und
hohen Kapillarkonstante beliebt und
deswegen auch hier
verwendet.
Dem
Kontakt, der in Luft
die obere Charakteristik in Fig. 4
ergab , wurde ein
Tropfen Benzol oder
ein Tropfen Rizinusol hinzugesetzt. Das
Benzol verdunst et e
mit der Zeit. Nach
dem Verdunsten trat
wieder die Luftcharakteristik hervor.
Das Rizinusol war
haftbarer. Der Kontakt war aber so
stabil und die Verhaltnisse waren derart reversibel, daB Charakteristik in Abhsngigkeit vom Medium.
der unt8er St,rom beNegative Elektrode:
findliche
RizinusEisendraht von 0,l mm Durchmesser
kontakt bequem
Fig. 4
mittels Benzol gewaschen werden konnte. Es trat dann immer mehr die
Benzolcharakteristik hervor und nach dem Verdunsten des
Benzols die Luftcharakteristik. So konnten die Einflusse der
Medien nacheinander verfolgt werden. Die Ergebnisse, an demselben unverandert gelassenen Kontakt aufgenommen, sind in
der Fig. 4 festgehalten. Das Gegenteil von dem erwarteten
Effekt ist der Fall. Die Spannungen liegen in dem dichterem
I
Medium der Flussigkeiten durchweg riiedriger als in dem Medium
der Luft! Somit spielt die Dichte des Mediums nicht die von
der fallenden Charakteristik geforderte Rolle. Damit scheidet
der Widerstand iiberhaupt als fur die fallende Charakteritik
unwesentlich aus unserer Betrachtung aus und der erste
Faktor, die elektrische Feldstarke an der Kathode, mu13 allein
fur die Form der Charakteristik verantwortlich gemacht werden.
Der Elektronenst,rom wird nun durch die elektrische Feldstarke an der Kathode bedingt, die elektrische Feldstarke
ihrerseits ist von der Spannung am Kontakt abhangig. Unter
der Voraussetzung, da13 die elektrische feldstarke lediglich von
dieser Spannung hervorgerufen wird, mu13 mit wachsendern
Elektronenst,rom, also mit wachsender Feldstarke auch die
Spannung am Kontakt standig zunehmen. Die fallende
Charakteristik zeigt das Gegenteil. Demnach ist die Voraussetzung falsch: die elektrische Feldstarke an der Kathode
mu13 noch von einer anderen elelitrisehen Kraftquelle verursacht werden und das kann naturgema13 nur eine Raumladung aein.
Welcher Art ist die Raumladung? Sie ruhrt zunachst
nicht von den reinen Elektronen her. Denn dann ware die
Raumladung um so starker, je langsamer sich die Elektronen
bewegten, je dichter also das Medium ist. Die negative Raumladung der Elektronen miigte sich danach in einer Fliissigkeit
wie Benzol oder Rizinusol vie1 starker bemerkbar machen wie
in Luft: die Spannungen der Charalrteristik miifiten in Luft
allgernein niedriger liegen wie in der Fliissigkeit. Das Umgekehrte ist nach Fig. 4 der Fall. So kann die Ladung des
Kontaktraumes bei Luft nur von positiv oder negativ aufgeladenen Luftteilchen herriihren. Die Entscheidung iiber das
Vorzeichen der Ladung fallt der folgende Versuch: Man beobachtet bei konstantem Strom und somit auch konst,anter
Kathodenfeldstarke die Spannung am Kontakt, einmal, wenn
sich der Kontakt im Vakuum befindet, das andere Mal, wenn
er sich in Luft von At,mospharendruck befindet. Eine positive Raumladung sucht die Feldstarke an der Kathode und
darnit den Strom zu vergro13ern. Dieses Streben der positiven
Raumladung wird bei gewaltsam konstant gehaltenem Strom
durch geringere Spannung am Kontakt kompensiert : die
Spannung mu13 bei konstant gehaltenem Strom im Vakuum
groBer sein als in Luft von Atmospharendruck. Umgekehrt
liegen die Verhaltnisse bei negativer Ladung der Luft. Fig. 3
zeigt deutlich bei jedem Strom eine hohere Spannung in Luft
von Atmospharenclriick als im Vakuum: die Luftteilchen sind
negativ geladen.
Und jetzt wird auch klar, warum die Flussigkeit6n
schlechter wie Luft funktionierten: die Flussigkeitsmolekule
verrnochten nicht in dem MaBe
wie die Luftmolekule sich Elektronen anzueigenen und so negative Ionen zu bilden. Und
jetzt bietet sich eine Moglichkeit, den Kontakt sowohl zu
verbessern wie zu verschlechtern.
Die Gase entwickeln bekanntjlichl) eine verschiedene
Neigung , Elekt'ronen einzufangen und negative Ionen zu
bilden. Snuerstoff besitzt die
Fahigkeit, Wasserstoff zeigt sie
Charakteristik in Sauerstoff und
in Wasserstoff. Negativer Pol:
Eisendraht von 0,l mm
Durchmesser
Charakteristik
bei positiver Polung
des Eisendrahtes
(0,l mm Durchmesser)
Fig. 5
Fig. 6
kaum. Diese charakteristischen Unterschiede mussen sich sofort bemerkbar machen, wenn der Kontakt in Wasserstoff
von Atmospharendruck gesetat wird und der Wasserstoff dann
durch reinen Sauerstoff ersetzt wird. Fig. 5 zeigt das Verhalten desselben Kontaktes in den beiden Medien: In WasserI ) Vgl. z. B. A. Giintherschulze, Elektrische Bleichrichter und
Ventile, S. 30. Berlin 1929.
30
E. Habann
stoff wird eine schlechte, in Sauerstoff eine ungewohnlieh
gute und steile Charakteristik wahrgenommen, deren sehr hohe
Spitzenspannung weit auljerhalb des Skalenbereiches des betreffenden Meljinstrumentes gelegen hat.l)
Nach diesen Erkenntnissen mu13 uns daran gelegen sein,
die Bildung der Raumladung genauer zu verfolgen. Es ist
nicht anzunehmen, dalj die Gasteilchen von vornherein die
Ladung besitzen. An frischen Kontaktstellen mu13 die Entstehung der Raumladung zu beobachten sein. Nach einigem
Abtasten mit dem Metalldraht wurden nun Stellen gefunden,
die ein merkwurdiges Verhalten zeigten. War dem Metalldraht das positive Potential gegeben, so erhielt man eine
Charakteristik nach Fig. 6. Sie unterschied sich in iiichts
von der bei Detektoren bekannten Charakteristik und war
nirgends fallend. Sie andert sich auch nicht, wenn sie mehrmals hin und her durchlaufen wurde. Wurde dann umgepolt
und dem Metalldraht das negative Potential gegeben, so beobachtete man an demselben Kontakt zunachst (Fig. 7, Kurve 1)
eine Charakteristik, die der in Fig. 6 glich. Bei einer bestimmten
Stromstarke (40 * mA) machte sich aber ein seltsames Steigen
der Spannung bemerkbar und die Charakteristik verlief weiterhin in einer hoheren Spannungslage. Beim Zuruckvariieren
des Stromes erschien die fallende Charakteristik in ausgezeichnet'er Klarheit (Kurve 2 in Fig. 7) und fortan wurde - man
mochte den Strom hin und her variieren, so oft man wollte bei dieser Polung nur noch Charekteristiken von der letzten
Art (Kurve 2) wahrgenommen. Sie bildeten sich immer schoner
aus, wo das noch moglich war. Polte man nun wieder um
und gab dem Metalldraht wieder das positive Potential, so
wurde die zuletzt erschienene Form (Kurve 2 von Fig. 7) auch
bei der positiven Polung zunachst beibehalten (Kurve 3 in
Fig. 8). Beim Zuruckvariieren des Stromes aber trat die
Charakteristik 4 in Fig. 8 hervor und fortan wurde bei dieser
Polung nur noch die der positiven Polung eigentumliche
1 ) Es ist interessant, daR der Kontakt gerade in Wasserstoff versagt,
der sich unter den Gasen wegen seiner guten Warmeleitfahigkeit auszeichnet und der doch fur das Funktionieren der Poulsenlampe ein unerIaRlicher Bestandteil ist. Hier liegt ein einfacher experimenteller Beweis
vor, d a R es sich bei dem Kontakt weder um einen Miniaturlichtbogen
handelt, noch die fallende Charakteristik durch Warmeeffekte zustande
kommt.
S’chwilzgkristall und die Ursachen seiner Wirkungsweise
11
Charakteristik 4 durchlaufen, wie sie ursprunglich in Fig. 6
beobachtet wurde. 80 war der Zustand wieder erreicht, von
dem wir ausgegangen waren. Das Spiel konnte an demselben
Kontakt wiederholt werden.
Die Charakteristiken zeigen auf das deutlichste das Zustandekommen der negativen Raumladung. I n Fig. 6 ist sie
0“
I
I
I
I
I
I
70 20 30 40 50 60 hr/.%’/zmA
Charakteristik bei negativer
Polung des Eisendrahtes
(0,l mm Durchmesser)
Fig. 7
Charakteristik bei positiver
Polung des Eisendrahtes
(0,l mm Durchmesser)
Fig. 8
noch nicht vorhanden, an den hoheren Spannungen der Kurven
in Figg. 7 und 8 macht sie sich kenntlich. Die Raumladung
entsteht und vergeht danach unter dem Einflul3 des elektlrischen Stromes. Ihre Bildung ist von der Polung und der
Stromstarke abhangig.
Wir werden allen diesen Erscheinungen mit den folgenden
einfachsten Annahmen gerecht : Die negativ geladenen Gasteilchen entstehen duroh Vereinigung von Elektronen mit den
neutralen Gasteilchen. Bwischen den drei Komponenten be-
steht ein dynaniisches Gleichgewicht. An der Katliode werden
die Elektronen hauptsachlich auf die ungeladenen Gasteilchen
iibergehen, a n der dnode werden die geladenen Gasteilchen,
die doch infolge des elektrischen Feldes zur Anode hinbewegt
werden und hier mit einiger Wucht aufprallen, meistenteils
ihre Ladung abgeben.
Die Wechselwirkung zwischen Elektrode, Elektron untl
Gasteilchen wird au13er yon der Stromstarke voni Material der
Xlektrode abhangen. Man wird annehmen konnen, da13 diese
Materia1konstant)e unabhangig von der Stromrichtung ist.
Bind die beiden Elelrtroden in der Materialkonstant,en sehr verschieden, so ist es lslar, da13 bei derselben Stromstarke bei der
einen Polung eine Zunahme der Raumladung, bei umgekehrter
Polung aber eine Abnahme der Raumladung statt,finden mu13.
Der Einflulj des Raumes ewischen Kathode und Anode kann
hierbei auBer acht bleiben, weil er bei derselben Stromstarke
in beiden Stromrichtungen dieselbe Rolle spielt und also nicht
die Unterschiede in der Raumladung hervorrufen kann.
Die Bildung der Raumladung erscheint so genugend geklart und ihre Notwendigkeit fur die fallende Charakteristik
erwiesen. Wie kommt nun unter dem Einflulj der Raumladung die fallende Charakteristik zustande ? Man konnte
meinen, daB sich die gesamte Raumladung mit der Stromstarke verandert und so die farlende Charakteristik hervorruft.
Veranderungen der Raumladung aber erfolgen sehr trage. Urn
z. B. die geschilderten Erscheinungen der Charakteristiken in
den Figg. 6-8 klar hervortreten zu lassen, tu t man gut, a n
den Umkehrpunkten (bei 67 . $ mA) den Strom einige Minuten
wirken zu lassen, wahrend die Charakteristik selbst a m besten
rasch durchlaufen wird. So mu13 der Schlulj gezogen werden,
daB die gesamte Raumladung im Gebiet de,r fallenden Charakt,eristik im wesentlichen konstant bleibt nnd unter dem Einflu6 des Stromes nur eine andere Verteilung der Ladung im
Kontaktraum stattfindet. Und dies gibt uns den Schliissel
zu der folgenden Theorie:
I m Kontaktraum (Fig. 9) existieren zwei Schichten geladener Gasteilchen von verschiedener Dichte. An der Kathode
befinde sich eine Schicht von der Dicke 8,. I n dieser Schicht
herrsche die Dichte ol. I m ubrigen Raum herrsche die Dichte 02.
Beide Schichten werden unter dem EinfluB der Warmebewegung
Schuiingkristall und die Ursachen seiner Wirkungsweise
13
ihre Gasteilchen standig austauschen : es wird ein dynamisches
Gleichgewicht herrschen, d. h. o, wird o, proportional sein.
0, = k, 0,.
Mit k , h, p sind in dieser Arbeit die Konstanten bezeichnet.
Die gesamte Raumladung X ist dann
+
s = o1 6 , 0, 6,
(2)
und diese sol1 unveriinderlich sein.
Die Vorstellungen werden mit denen der Adhasionstheorie
in Einklang gebracht, wenn wir die geladenen Gasteilchen in
einer einfachen aber sehr dichten Lage
die Kathode bedecken lassen, S, also
gegenuber 6, als sehr klein, o1 aber gegenuber 0, als betrachtlich annehmen.
Die Verhaltnisse im Kontakt werden,
Schema des
wie z. B. aus der Charakteristik in Fig. 2
hervorgeht , nicht von der Spannung,
Knntaktraumes
sondern vom Strom beherrscht. Denn zu
Fig. 9
jedem Strom gehort eindeutig nur eine
bestimmte Spannung. Dagegen geh6ren xu einer bestimmten
Spannung (z. B. 66 * 4Volt in Fig. 2) zwei verschiedene Stromt!
(0,2.4 mA und 5 * + mA).,) Daher mussen wir auch in der
Theorie, urn eindeutige Verhaltnisse zu schaffen, alles auf den
Strom beziehen, oder, da der Strom von der a n der Kathode
herrschenden Feldstarke Fk verursacht wird, alles auf die Feldstarke F , zuruckfuhren.
Die elektrische Feldstarke Fk befordert die Elektronen aus
der Kathode zur Anode hinuber. Sie wirkt in gleicher Weise
auf die an der Kathode haftende Schicht von negativ geladenen Gasteilchen ein und sucht sie von der Kathode abzuheben und in den Kontaktraum zu entfernen. Die Feldstarke F , wird demnach das durch 1 gekennzeichnete Gleichgewicht verschieben, i n der Weise, da13 fur F , = 0 ol = k, o2
resultiert, fur F , = cr, aber o, = 0 wird. Diesen Forderungen
wird
$!!${p
Q
B
(3)
1) Es ist interessant, daB die Verhaltnisse bei Rohren mit fallender
Charakteristik gerade umgekehrt liegen.
E. Habann
14
gerecht. I n Verbindung mit 2 ergibt sich
also eine Formel von der Form
(4)
Der elektrische Xtrom J wird in der Hauptsache durch die
Elektronen dargestellt, die, ohne sich anzulagern, direkt von
der Kathode zur Anode ubergehen. Der ElektronenfluB hang$
von der Feldstarke F , an der Kathode ab. So folgt J =fl (FTc).
Von der Funktion f1 wissen wir, daB darin mit Rucksicht
auf die mannigfaltigen Geschwindigkeiten, mit denen die
Elektronen aus der Kathode austreten, das Maxwellsche Verteilungsgesetz enthalten sein muB: J = e f , ( F k )
Uber die Funktion f 2 konnen wir weiter nichts aussagen.
Wir entwickeln daher die Funktion nach M a c l a u r i n und begnugen uns in erster Annaherung init den erst,en heitlen
Gliedern der Reihe:
f, CQ
+ TE;,. f 2 ’ ( O ) +
= fi (0)
* *
. zk ,
+ k , - F,.
So folgt fur J eine Form
J = k7
(5)
-
eke*Fk
Die elektrische Spannung I.’ a m Kontakt 1aBt sich bei gegebenem F , und gegebenen Raumladungen o1 und oz aus der
Laplaceschen Gleiehung d q~ = lr, - o unter der Voraussetzung
berechnen, daB die Dichte innerhalb jeder Schicht uberall denselben Wert h a t :
(6)
v = (6, + 62) Fk + k, 01 61 (6, + 282) + k, 0 2 8z2
oder unter Benutzung von 2
(7)
v = (6, +
62)
Fk
+ k,
01 81 (61
+ 4)+
43
s 62.
Mit 4, 5, 7 sind alle drei GroBen o1, J , I.’ zu der an der
Kathode herrschenden Feldstiirke F , in Beziehung gesetzt und
so folgt Bus diesen Gleichungen sehlieolich :
Schwingkristall und die Ursachen seiner Wirkungsweise
15
also eine Gleichung von der Form:
Ohne Raumladung (S’ = 0) ware
+
V , = ho h, In J
Die Spannung i7in (8) setzt sich hiernach aus zwei
Werten F’ = T7,
IT2 zusammen, wobei
(9)
+
v,= s [h, + -__1 f hh3, l n J 1
ist und IT2
allein den FJinfluB der Raumladung wiedergibt.
Durch I‘, wird mit Tvachsendem Strom J nur ein Steigen der
Spannung hervorgerufen, T,’ aber bedingt den fallenden Teil
der Charakteristik. I n Fig. 6 ist die Gleichung (9) enthalten.
Die Kurve stimmt uberein mit der unteren Charakteristik 1
in Fig. 7, so weit, als hier keine Raumladung au€tritt.l)
Zwischen J = 20 und J = 70 ist in Fig. 6 I‘, fast konstant.
I n dem Bereich J = 0 his J = 20 andert sich zwar I’, mit J ,
aber diese Anderungen fallen gegenuber den entsprechenden
Anderungen in der Kurve 2 der Fig. 7 kaum ins Gewicht:
IT1 kann im Rahmen der Gleichung (8) als konstant angesehen
werclen. So folgt aus (8) und (9) fur die fallende Charakteristik
v = v, + s [h, + A%--]
1 + h,InJ
also eine Gleichung von der Form
Setzt man hierin p , = 15,1, p , == 139,36, p , = 0,16, so erhalt man eine Kurve, die sich im fallenden Teil so vollstandig
der Kurve 2 in Fig. 7 anschmiegt, daB ihre zeichnerische
Wjedergabe sich eriibrigt. Die Gleichung (10) kann vereinfacht werden:
p2 =
(Ir
+
PO) ( P I
+ In
J ) = (I’
+ po)[pl
-
In p ,
+ In (13, 41.
1) Aus der ubereinstimmung der beiden Kurven ergibt sich die
interessante Tatsache, daS sich die beiden Elektroden - Eisen und die
beschriebene Schmelze -- in ihrer Emissionsfahigkeit von Elektronen
kaum unterscheiden.
E. Habann
16
Hierin ist p , eine willkurliche Konstante. Wir wahlen sie so,
daB die Reihe fur In ( p, J ) rasch konvergiert und nach dem
ersten Gliede abgebrochen werden kann. Dann resultiert
also eine Gleichung von der Form
+
+
(1%)
(J7
p4) ( J
p5) = p6’
Die Hyperbel giht fur p , = - 12, p, = 2, p, = 374 den
fallenden Teil der Charakteristik in Fig. 7 noch recht gut
wieder. I n der Tabelle sind alle errechneten Daten den experimentellen gegenubergestellt.
Tabelle
v .+ Volt
J.&mA
wrechnet nach (12)
150
56
41,5
34
14,6
19,s
30,l
40.0
50,7
60,4
67,2
15
20
30
40
50
29,2
24
21,l
19
17,6
60
67
16,s
0,6
6,5
10,7
15 4
19,7
29.2
39,l
51,4
64,s
76
Aus der guten Ubereinstimmung der theoretisohen Ergebnisse mit der praktischen Erfahrung schlieBen wir auf die
Richtigkeit der dieser Theorie zugrunde liegenden Anschauungen. Dann konnen wir etwas Naheres uber die Schichten im
Kontaktraum aussagen. Nach Formel (6) ist
+ +
+
1’ = 8 * F ,
k, 0, 6, (6 62)
k, 0, 822,
(13)
wenn wir 6,
6, = 6 setzen. Den Kontaktabstand 6 wollen
wir als konstant ansehen. Ohne Raumladung (a, = 0, a, = 0)
ware nach (13)
T‘, = 6 .FTC.
(14)
+
Nun gehort zu jedem Strom J ein bestimmtes F,. Demnach gehort auch nach (14) zu jedem J ein bestimmtes Ti,
und nach (13) ein bestimmtes J7 und die Differenz
(15)
v = T ’ - T I ’ - - 1k -
8 0,
6, (6
+ 6), +
h
3 02
6z2
9chwinykristall uncl die Ursachen seiner Wirkungsweise
17
gibt direkt den EinfluB der Raumladung bei jedem Stromwert
wieder.
Zwei Grenzfiille sind denkbar. Entweder befindet sich die
ganze Raumladung an der Kathode, dann ist 0, = 0 und wegen
(2) und (15)
u'= k, S (6
6,) .
(1 6)
+
Die Differenz der Spannungen ist hier a m groBten. Oder
der Raum an der Kathode ist von Ladung frei, dann ist
o, = 0 und
d l = k, s 6, .
(17)
Die Differenz der Spannungen ist hier a m kleinsten. Aus
(16) und (17) ergibt sich das Verhaltnis der beiden Spannungsdifferenzen zu
V'
S
- =1+-.
69.
V"
_\us den Figg. 6 und 7 konnen wir eu jedem J die zugeliorigen V- (Kurve 2 in Fig. 7) und Y'",-Werte (Kurve 1 in
Fig. 7 oder besser die Kurve in Fig. 6) entnehmen. Die
Differenz 'L, = V - Vl ist bei etwa J = 1 a m groBten, namlicli zit= 149,3; bei J = 67 schon recht klein, namlich d'= 5,s.
80 folgt aus der Erfahrung
und daher aus (18)
(19)
2
=L.
25
Die Rechnung liefert hiernach folgendes Bild: I n Ruhe
uncl bei geringem Strom ist der Kontaktraum praktisch
homogen von geladenen Gasteilchen erfullt. Mit wachsendem
Strom werden die geladenen Gasteilchen an die Anode gedrangt, wo sie sich schliel3lich alle in einer dunnen Schicht,
die hochstens 1/25 des gesamten Kontaktabstandes betragt,
konzentrieren.
Einer homogenen Verteilung der geladenen Gasteilchen ist
nun, vie man sich durch Rechnung iiberzeugt, in ihrer Wirkung
auf die Spannung V eine vollkommen unhomogene Verteilung
dann gleichwertig, wenn die unhomogene Verteilung symmetrisch zur Mitte des Kontaktraumes erfolgt. Hiernach sieht
das Bild so aus: In Ruhe und bei geringem Strom sind die
Annalen der Physik. 5. Folge. 9.
2
1s
E. H a b a m
geladenen Gasteilchen gleichmaSig auf die beiden Elektroden
verteilt und die meisten haften a n diesen. Mit wachsendem
Strom wird die dichte und geladene Gasschicht, welche die
Kathode bedeckt, abgehoben und moglichst dicht a n die Anode
gedruckt . Dieses Bild allein entspricht den hnschauungen,
wie sie der Theorie zugrunde gelegt sind und wie sie sich dort
bewahrt haben.
Zur Vervollstandigung des Bildes ist noch zu erwahnen,
daB sich die Ergebnisse grundsatzlich nicht andern, wenn statt
der unstetigen Verteilung eine stetige Verteilung der Dichte
im Kontaktraum angenommen wird.
Vl-elcher Art sind nun die Krafte, welche die geladenen
Gasteilchen a n die Elektroden binden ?
Die Krafte konnten vom Material der Elekt'rode ausgehen.
Dann konnte es bei sehr verschiedenem Material der beiden
Elektroden vorkommen, daB die geladenen Gasteilchen in der
Hauptzahl a n der einen Elektrode sitzen, wahrend die andere
Elektrode von geladenen Gasteilchen fast vollig entbliil3t ist.
Und das wiirde ungeswungen erklaren, wenn bei einem Kontakt in der einen Polung eine fallende Charakteristik beobachtet werden wurde, in der anderen Polung aber eine fallende
Charakteristik h u m wahrnehmbar ware. Denn es ist klar,
daB eine bessere fallende Charakteristik zustande kommen
muB, wenn diejenige Elektrode, die vorauglich mit geladenen
Gasteilchen bedeckt ist, zur Kathode gemacht wird. Die
Unterschiede rniil3t'en am groaten sein a n der Spitze der
Charakteristiken und sich allmahlich nach beiden Seiten hin
verlieren.
Nun sind im allgemeinen die Unterschiede zwischen den
beiden Polungen gering.l) Auch bei dem besonderen Kontakt
dieser drbeit macht,en sich bei vorsichtiger Einstellung der
Spitze der Charakt,eristik Unterschiede in der Polung kaum
bemerkbar. 2, 'Das ist gewil3 selt Sam bei so verschiedenem
1) Vgl. hieriiber z. B. die Figg. 7 und 8 in der Arbeit von Lossew
(Radio News) oder die Fig. 4 in der Arbeit von Sixtus.
2) Dieser Polungseffekt hat mit dem auf S. 10 beschriebenen nichts
zu tun. Die Raumladung andert sich sehr trage und um so mehr, je
stkrker der Strom ist. Bei der Abtastung der Spitze der Charakteristik
aber ist der Strom noch sehr gering. Die beiden Effekte storen sich nicht,
wenn man rasch genng umpolt. Sie konnen so bequem auseinander gehalten werden.
Schwingkristall
ulld
die Ursachen seiner Virkungsweise
19
Material der Elektroden wie Eisen und der eingangs erwahnten
Schmelze. Auch wenn an Stelle des Eisens so unterschiedliche
Stoffe \vie Gold, :Kupfer, Platin, Graphit gesetzt wurden,
zeigten sich nur Schwankungen der Spit'ze der Charakteristik
innerhalb der Fehlergrenze. So mul3 der SchluB gezogen
werden, dal3 im allgemeinen die geladenen Gasteilchen nicht
auf Grund einer spezifischen Eigenschaft des Materials a n die
Elektroden gefesselt werden, sondern auf Grund einer allen
Elektroden gemeinsamen Eigentumlichkeit dort gebunden merden. Zieht man als solche gemeinsame Eigentiimlichkeit die
elektrische Leitfahigkeit der Elelitroden in Bet.racht, so kommt
man zu dem Ergebnis, dal3 es Bildkrafte sind, welche die geladenen Gasteilchen sich in der leitenden Elektrode spiegeln
lassen und sie dadurch an die Elektrode binden.
Unter diesen Umstanden ersche,int das Material der Elektrode fur die fallende Charakteristik unwesentlich. Jeder Kontakt aus beliebigen E:lektroden sollte den Effekt zeigen. Wenn
dem nicht so ist, so kann es nur daran liegen, daB nur wenige
bestimmte Kontakte zwischen sich die erforderliche Luftmenge
zu saugen und d i e d b e aufzuladen vermogen, die meisten
anderen aber diese Fahigkeiten nicht besitzen. Hiermit wird
unsere Aufmerksamkeit auf die Eigentumlichkeit mancher
Elektroden gelenkt , das neutrale, elektGch ungeladene Gas zu
adsorbieren.
Die Adsorptionserscheinungen wurden in der Weise untersucht, dal3 bei einer an sich wirksamen Kontaktstelle sowohl
die geladenen wie die nngeladenen Gasteilchen entfernt wurden
und nunmehr bei verschiedenen Kontaktdruaken die Zeit, beobacht,et -cvurde, bis die fallende Charakt.erist,ik wieder auftrat.
Die geladenen Gasteilchen aus den1 Kontaktraum zu entfernen, ist sehr whwierig. Mit Hilfe eines verst,arkten Kont'aktdruckes ist da wenig auszuricht'en. Jedes geladene Gasteilchen, das den Kontaktraum verlafit, erzeugt ein elektrisches Feld, das alle folgenden geladenen Gasteilchen energisch
in den Kontaktraum zurucktreibt. So erklart, es sich auch,
dal3, wenn erst einmal die Gasteilchen geladen sind und es
bleiben, ganz enorme Kontaktdrucke ausgeuht werden konnen,
ohne dal3 die fallende Charakteristik verschwindet'. So konnte
bei einem Versuch mil; unserem Kont,akt bei negativer Polung
der Eisenelektrode die Belast,ung der Eisenspitze, die einen
p*
20
E. Habani&
Durchmesser von etwa 0 ,2 mm hatte, ohne Schaden fur die
Charakteristik bis auf 50 g gesteigert werden. Um die geladenen Gasteilchen zu entfernen, blieb nichts anderes ubrig,
als sie erst - wie auf S. 10 beschrieben - bei p o d iv e r Polung
der Eisenelekt'rode zu neutralisieren. Dann genugte ein kurzer
aber heftiger StromstoL3, um die neut,ralen Gasteilchen aus
dem Kontaktraum in die freie Luft zu befordern. Die aperiodischen Entladungen eines Kondensators eignet,en sich hiefur
besonders. Sie hatten denvorteil, zuweilen durch einen Funken
auch auf die geladenen Gasteilchen einzuwirken. Der Funke
bedeutete hier offenbar riichts anderes als die gewaltsame und
schnelle Neutralisierung derjenigen geladenen Gasteilchen, die
sich bis dahin auf dem legalen Wege noch nicht, neutralisiert
hatten. Deslialb ivirlrten aperiodische Entladungen manchmal
auch dann, wenn die Eisenelektrode negat,iv gepolt war.
Ein auf solche Weise unwirksam gemachter Kont,akt zeigte
bei einein Kontaktdruck von 7 g keine fallende Charakteristik
mehr, auch nicht nach langerer Strombehandlung, auch nicht
bei Umpolung. Nach 10 stunden Ruhe und Stromlosigkeit
war immer noch keine fallende Charakteristik a m Kontakt zu
bemerken. Erst, nach 22 Stunden Ruhe uncl St'romlosigkeit
hat,t'e sich der Kont'akt so weit erholt (war so viel Luft in den
Kont'akt zuriickdiffundiert) , da13 eine fallende Charakteristik
bei negativer Polung der Eisenelektrode deutlich wurde. In
den niichsten Stunden erlangte dann der Kontakt die ursprungliche Wirksamkeit wieder. Bei einer Belastung von 1 g spielt,en
sich die Ereignisse viel schneller, in etwa 4-8 Stunden, ab.
Rasch erholt'e sich der Kontakt, wenn er bei 7 g Belast.uiig
unwirksam gemacht und dann bis auf 0,5 g entlastet wurde.
Das alles ist typisch fur Diffusionsvorgange. UberlaBt man
einen unwirksam gemachten Kontakt sich selbst,, so kann man
ganz allgemein durch Stichproben - Messung der Spannung
bei bestimmt gewahlt8em kleinen Rtrom - an1 Steigen der
Spannung die Fortschritte der Diffusion mit der Zeit verfolgen.
Eine Diffusion der Luft, von aul3en in den Kontaktraum kann
bei solchen Kont,aktdrucken kauni stattfinden, ohne daB
wenigstens die eine Elekt'rode auf die neutralen Gasteilchen
betrachtliche ildsorp tionskrafte ausubt . Diese Kraft konnen
wir weniger der Eisenelektrode als vielmehr der Gegenelekt8rode beilegen, die hier - wie beschrieben - aus einer
Schwingkristall und die Ursachen seirzer Wirkunysuieise
31
Schmelze von hauptsachlich Zinkoxyd mit einem geringen Zusatz von Kupferoxyd besteht. Und jetzt wird es klar, welche
Rolle der geringe Zusatz von Kupferoxyd spielt. Das Kupferoxyd dient hier zuin Freimachen der Adsorptionskrafte des
Zinkoxyds, die sich sonst in dem liompakten Zinkoxyd gegenseitig binden und daher im reinen und kompakten Zinkoxpd
nach auBen wenig in Erscheinung t'ret'en. Tlienn dem so ist,
dann biet,et sich uns sofort ein anderer Weg, urn die Adsorptionskraft'e des Zinkoxyds freixumachen und damit wirksame
Kontakte zu schaffen: wir brauchen nur das Zinkoxyd aufzulockern, in moglichst dunner Schicht auf einer chemisch
neutralen Unterlage niederzuschlagen. Ein Graphit>stabwurde
in eine konzentrierte Losung von Zinknitrat getaucht und getrocknet , so da13 sicli eine dunne Haut von Zinknitrat bildete.
Der Stab wurde dann mit seiner Haut vorsicht'ig auf Rotglut
erhitzt. Das Nitrat zersetzte sich dabei und ein dunner Uberzug von reinem Zinlioq-d blieb auf dem Graphitst'ift zuruck.
Diese Zinkosydelektrode gab im Kontakt mit einem Eisendraht (negativer Pol) an allen untersucht'en Stellen eine gute
fallende Charakteristik!
Eine kompakte Zinkoxydelektrode dagegen, die aus gepreBtem reinen Zink.oxyd durch Sintern bei 1150° hergestellt
war, war prakt>ischunwirksam und unbrauchbar.
So ergibt sich das vollstandige Bild fur clas Zustandekommen der fallenden C,harakteristik bei Konta,kten.
Zusammenfassung
1. Bestimmte Metalloxyde vermogen unter den angegebenen Umstanden Luft im Kontakt zu adsorbieren.
2. Die Luftteilchen eignen sich unter entschiedener Mitwirkung der Elektroden aus dem Elektronenstrom Elektronen
an. Es entsteht im Kontaktraum eine Raumladung, die sich
hauptsachlich in dunnen Schichten an den Elektroden konzentriert .
3. Beim StromfluB v ird die an der Bathode haftende
Schicht von geladenen Gasteilchen infolge der a n der Kathode
herrschenden und auch den Elektronenstrom bestimmenden
Feldstarke abgehoben und zur Anode hinubergedruckt. Infolge dieser Umgruppierung der geladenen Gasteilchen kann
22
E. Habann. Xchwingkristall u.d. Ursachen sein. Wirkunysweise
ein grol3erer Elek'tronenstrom bei kleinerer Spannung fliel3en :
die Charakteristik wird fallend.
Die gewonnenen Resultate erscheinen in zweierlei Hinsicht
bemerkenswert. Sie geben dem Phgsiker eine Grundlage, die
Adsorptionskrafte und die adsorbierten Mengen messend zu
verfolgen. Sie geben dem Techniker die Moglichkeit, einen
negativen Widerstand zusammenzubauen, der den Anspruchen
der Praxis genugt und der befahigt ist, sich manches Anwenduiigsgebiet zu erobern. Wie der negative Widerstand
technisch am zweckmaBigsten gestaltet mird, daruber sol1 in
einer weiteren hrbeit berichtet werden.
(Eingegangen 8. Februar 1931)
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