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Der selbsttnende Kristall als thermischer Effekt.

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384
A. Trevelyan machte bereits im Jahre 1829 die Beobachtung, da6 ein hei6es Eisenstiick, gegen einen Bleiblock
gelegt, einen Ton erzengt. Gilbert stellte fest, da6 dabei
der Ton von einem Zittern der Metallmasse begleitet war.
Faraday, Seebeck und andere Forscher schlossen sich alle
der ErkliZrung Trevelyans an, der der Meinung war, da6
die Ursache der Vibrationen die Ausdehnung des kalten Metalles an den abwechselnden Beriihrungsstellen mit dem heisen
Metalle sei (Tre v e 1y a n scher Wackler).
Tyndall, der gleichfalls obiger Ansicht war, stellte diesbeziigliche Versnche nicht nur mit Yetallen verschiedener
Wlirmeleitfahigkeit, sondern euch mit gleichen Metallen, und
zwar Eisen auf Eisen, Kupfer auf Kupfer, Messing auf Messing
und Silber auf Silber an. Der Effekt blieb aber auch dann
nicht aus, wenn Nessing a d Bergkristall, auf Rauchtopas,
FlnBspat, vorziiglich aber auf Steinsalz verwendet wurde.
Auf diese Art der Tonerzeugung fiihrt K. Lichtenecker
den ,,selbsttinenden" Kristdl zuriick.
Ganz kurz mbchte ich hier nochmals erwiihnen, da6 ich
anliiSlich einer Untersuchung iiber den schwingenden Kristall
in der von Loss ew angegebenen Schaltung des selbsttiinenden
Lichtbogens die Beobachtung mtichte, da6 an der Kontaktstelle (Metallelektrode-gristall) ein stabiler reiner Ton zu
h6ren war.
Diese Erscheinung ist von der @%Be der angelegten
Spannung und vom mechanischen Druck der Spitze a d den
Kristall abhilngig; ferner ist fir den Effekt die die Kontaktstelle umgebende Gashiille wesentlich. Bei einem bestimmten
Vakuum setzen die elektromagnetischen Schwingungen au8.
Ber selbsttiinende Kristall als thermischer Effekt
385
VergroBert man aber den Druck bis zum Anfangswert, dann
setzen die Schwingungen wieder ein. Nachdem beim Evakuieren
eine akustische Wirkung nicht wahrzunehmen ist, muS der
Vorgang mit Hilfe des Oszillographen beobachtet werden.
Letztere Beobachtung ist zwar fur die erzeugten elektromagnetischen Schwingungen von groBem Interesse, und es kommt die
akuatische Wirkung nur insofern in Betracht, als letztere gleichzeitig an Intensitat mit der elektromagnetischen Schwingungsenergie abnimmt, was AnlaB zur Annahme gibt, daI3 elektromagnetische und akustische Schwingungserzeugung ihren Sitz
in der an der Kontaktstelle befindlichen Gasschichte haben.
Die Erscheinung des ,,selbsttonenden" Kristalles wurde mit
Rucksicht auf die vielen xhnlichkeiten mit dem selbsttiinenden
Lichtbogen, miiglicherweise durch einen mikroskopisch kleinen
Lichtbogen oder einer anderen Gasentladung gedeutet. Die
Gasentladungsstrecke wurde parallel liegend zu einer direkten
Beriihrungsstelle angenommen. Diese Annahme erscheint begriindet durch die groBe Stromdichte an der Spitze, die ungef& 100 Amp./mmB betragt, ferner durch die hohe Feldstarke in der unmittelbaren Umgebung der direkten Beriihmngsstelle. An der Kontaktstelle selbst liegen ungefahr 6 Volt
(fir Rotzinkerz), so daB bei einer Entfernung zwischen 0,Ol und
0,001 mm ein Spannungsgefalle zwischen 6,103 und 6,104Volt
beeteht. Zur weiteren Begrundung muB erwiihnt werden, daJ3
wtthrend des Tiinens im Dunkeln eine Lichterscheinung, die
manchmal ratlich ist, beobachtet werden kann. Es wurden verschiedene Versuche gemacht, um eine Gasentladung zu beeinflussen, die folgende Resultate ergaben,
Wurde die Einstellvorrichtung in ein starkes Magnetfeld
gebracht, so wurde die Tonfrequenz erniedrigt. Es sei amdrilcklich hervorgehoben, daB zu diesen Vemuchen nicht wie
gewiihnlich eine Stahlspitze verwendet wurde, sondern Materialien, welche vom Magnetfelde nicht beeinflu& werden. Die
Versnche wurden derart ausgefuhrt, daB zunschst die Frequenz
im M.agnetfeld, dann ohne Magnetfeld und zur Kontrolle nochmals mit Magnetfeld bestimmt wurde. Immer wieder zeigten
die Oszillogramme eine Abnahme der Frequenz, sobald dae
Magnetfeld eingeschaltet worden war. Wie die folgende Tabelle aeigt, wurden Wolfram und Silber gewilhlt:
P. Seidl
386
I n dieser Tabelle bedeutet M. F. magnetisches Feld und
die Zahlen geben die Frequenz in Hertz an.
Auch wurde die Einstellvorrichtung unter Paraffin61 gebracht, um zu zeigen, da6 die die Kontaktstelle umgebende
GashUlle fiir den Effekt notwendig ist. Das Tonen hielt an und
setzte erst bei Erhitzung des Paraffinales aus. Es wurde an@nommen, daS die an derKristallober0lche festsitzonde Gasschichte,
die sich ja auch in unmittelbarer Umgebung der Kontaktstelle befindet, zunachst Tom Paraffin01 nicht verdrangt wird. Erst beim
Erhitzen entweicht die Gasschichte von der Kristall0ache und
das Paraffin61 tritt an ihre Stelle. In diesem Augenblick hort das
T h e n auf und kann auch durch Spannungsanderung nicht mehr
hervorgerufen werden. Es wurden mehrere Beobachtungen
gemacht, die alle das gleiche Resultat ergaben.
Wenn man den ,,selbettonenden" Kristall in Glimmlampenschaltung verwendet, 80 konnte man mit demselben ein periodisches T h e n erzeugen, wie man es bekannterweise erwicht,
wenn man eine Glimmlampe parallel zu einem Kondensator
schaltet nnd zu dieser Gruppe in Serie einen hochohmigen
Widerstand legt. Ebenso wie bei der Glimmlampe setzt auch
beim ,,selbstthenden KristalP in ebenerwahnter Schaltung das
Schwingen und somit auch das TGnen beim Abwartsgehen mit
der Spannung bei tieferen Spannnngswerten ein, als es beim
Aufwartsgehen mit der Spananng aussetzt.
Es war sehr naheliegend, nachdem sich auch hoch envies,
daB eine akustische Frequenz&aderung in gleicher Weiee und
gieichzeitig mit der elektromagnetischen Frequenzilnderung erfolgte, den Ursprung der elektromagnetischen und akustischen
Schwingungen in die Gaaachichte zu verlegen.
K. L i c h t e n e c k a r l ) oersucht den ,,selbstt6nendenC6Kristall
ant Grund des in' guten Wiirmeleitern, wie in den Metallen,
herrschenden hohen Temperatnrgef&lles zu erkliiren ond erinnert
zunachst an dsn Trevelyanschen Wackler. Ferner weist er
_.
1)
K, Lichtenecker, Zeitsuhr. f. techn. Phyeik. 6. 161. 4. 1927.
Der selbsttonende Kristall als thermiseher Effekt
381
auf die von Benedicksl) zur Erzeugung hoher Temperaturgefalle verwendete Temperaturdrossel. Eine solche kann dadurch erhalten werden, daB man einen Keil auf ein kompaktes
Metallstuck aufsetzt.
Seiner Erkliirungsweise nach bilden beim selbsttbnenden
Kristall die durch den Kristallkontakt ausgeliistenSchwingungen
des elektrischen Schwingungskreiseshochstens die Rolle eines anregendenagens. Es sol1das steile Temperaturgefiille an der Spitze
Anldgeben, dad3 eine akustische Wirkung hervorgerufenwird. Hillt
man sich das Experiment dea Trevelyanschen Wacklers vor
Augen, so ist das Selbsttbnen des Kristalles nach Aufassung
K.Lichteneckers so zu erkliiren, daB imRhythmus dererzeugten
elektromagnetischen Schwingungen eine Erhitzung und gleichzeitige Ausdehnung einerseits der Spitze, anderemeits der beriihrten
Kristallstelle stattfindetund auf dieseweisedie Umsetzungelektromagnetischer Schwingungen in akustische ausgelbst wird.
Sollen die elektromagnetischen Schwingungen nur das anregende Agens bilden, so miiBte fur die akustische Wirkung
ein kurz andauerndes Einschalten des Schwingungkreises gegeniigen, um das T h e n einzuleiten und nach Abschalten deB
Schwingungskreises wiire zu erwarten, daB nicht unbedingt
gleichmitig mit dem Abschdten des Schwingungskreises die
akustische Wirkung ganzlich verschwindet. K. Lichtenecker
betont in seiner Arbeit, da6 die elektromagnetischen Schwingungen ohne Frage fiir das mechanische AnstoBen der akustischen Schwingungen oder fiir deren gesieherte Aufrechterhdtung
in Betracht kommen k6nnen.
Danach wiiren die elektromagnetischen Sohwingungen f3r
das Zustandekom'men des Effektes wohl unterstiitzend, aber u k h t
tabedingt notwendig.
Zur Bekriftigung seiner veersucheweisen Annahme fiihrt
Lichtenecker einige von mir ausgefiihrte Versuche und deren
Resultate an, und bezieht sioh zuntichst darauf, ,,daS der Ton
unbeschadet gleicher Frequenz des elektrischen Schwingnngskreises an den versohiedenen Stellen des Gsta;Heq also bei
verschiedener mechanischer Bindung mit der Kristallunterlage,
eine verschiedene TmMhe haben kann".
1)
C. Benedicks, Ann.d.Phys. 66. S.1.
1918.
388
3'. Seidl
Es erscheint mir in diesem F d l e sehr gut moglich, daB
die mechanische Bindung, das 'neiBt der Druck, rnit dem die
Metallelektrode aufsitzt, an verschiedenen Stellen gleich groB
sein kann und trotzdem verschiedene Tonfrequenz erzeugt wird
Da Rotzinkerz kein homogenes Gebilde ist, kann an verschiedenen Stellen die Leitfahigkeit verschieden sein und dadurch
die direkte Beruhrungsstelle Anla6 zur h d e r u n g der Tonfrequenz werden.
Bezuglich der mechanischen Bindung mochte ich erwiihnen,
daB die Spitze oft so fest aufsitzt, daB es nicht mehr moglich
ist, den Druck rnit der Einstellschraube zu vergriiBern und
man nachher auf der Kristalloberflache eine Verletzung derselben durch die Spitze sehen kann. AuBerdem sei hier noch
auadrucklich erwahnt, da6 verschiedene Einstellvorrichtungen,
darnnter solche ohne jede Federung der Spitze verwendet
wurden, so daB dieselbe keinerlei Bewegungsfreiheit hatte.
Ferner fuhrt L i c h t e n e c k e r die von mir gemachte Beobachtung an, ,,da6 die Tonhbhe sich stetig rnit der angelegten Spannung und damit mit der ins Spiel kommenden
Energie und J o u l e schen Erwarmung der Kontaktstelle iindert",
und hebt ganz besonders hervor, da6 es mir auch gelungen
ist, das Tonen wahrzunehmen , wenn der Kristallstahlkontakt
einfach an eine Gleichstromspannung gelegt wurde. Dazu
wurden Akkumulatoren verwendet. Das Tonen war nicht
Iangere Zeit zu erhalten und iinderte auch rnit der Spannungs
jindernng fast nicht die Tonhahe. Anders war ea bei Verwendung der Netzspannung. Es war ein stabiler Ton zu
hiiren, der bei Spannungsiinderung wohl seine Intensitiit, aber
nicht seine Frequenz veranderte. Es hatte den Ansohein, als
ob der den Ton erzeugende Wechelstrom seinen Ursprung im
Netz babe. Beziiglich der verwendeten Akkumulatoren sei
noch erwahnt, daB ihre Spannung von der Schalttafel abgenommen wurde und somit ebenfalls die MSglichkeit eines
induzierten Wechselstromes besteht. Nach Lichtenecker
miif3te ein Versuch mit Akkumulatoren derart verlaufen, daI3
mit zunehmender oder abnehmender Spannung eine Frequenzilnderung vor sich geht. Denn nach seiner Auffassung ist der
Effekt nur vom Temperaturgefalle und von der mechanischen
Bindung abhhngig. Letztere konnte infolge der Telephonkon-
Der selbsttiinende Rristall als thermischer Effekt
,
389
struktion als Einstellvorrichtung in feinster Weise variiert
werden. Das Temperaturgefklle iindert sich rnit der Spannung.
In der nilchaten Arbeit wird dieses Experiment mit eingeschaltetem Oszillographen wiederholt werden. Zeigt der Oszillograph keinen Wechselstrom an und besteht eine akustische
Wirkung, dann ist die thermische Auffassung Lichteneckers
bestiitigt.
Mit Hilfe der Annahme zweier parallel geschalteter Widerstinde, von denen der eine durch die direkte Beruhrungsstelle,
der zweite durch eine Gasentladungsstrecke gebildet wird, verauchte ich die ganzen Versuchsergebnisse zu deuten und damit
auch die Abbiingigkeit der Frequenz vom mechanischen Druck.
Die Frequenz steigt erfahrungsgemii6, wenn die Stromstarke
zunimmt. Bezeichnet man den Koetaktwiderstand mit K und
den Widerstand der Gasstrecke mit A, dam. wird die Qesamtleitfahigkeit ausgedrilckt durch:
1
1
1
x=K+z.
Wird durch VergroSerung des mechanischen Druckes der
1
grijhr, und es wird
Kontaktwiderstand vermindert, ao wird
bei gleicher Gesamtstromstarke ein kleinerer Strom durch L
fliel3en. Stromabnabme hat aber Frequenaerniedrigung zur
Folge. Bei immerwiihrender Verbesserung des Kontaktes durch
Druckerhahuog miit3te das T h e n aufhoren.
Ein Experiment, welches einerseits unter giinstigsten Bedingungen fur die Lichteneckersche Auffassung beziiglich
der alleinigen Abbllngigkeit der akustischen Erscheinung von
einem hohen TemperaturgefBlle gemacht wurde, andererseits
die giinstigsten Bedingungen hatte fur die Annahme, da6 nach
meiner Auffassung bei vorzuglicbstem Kontakt das Tonen aufhoren mfiBte, bestand in folgendem.
. Eine Measingstange von 16 mm Durchmesser und 24 cm
Linge wurde in der Mitte zu einer Drossel abgedreht (Fig. 1).
Die engste Stelle hatte einen Querschnitt von etwa 0,2 mm2, die
Stromdichte an dieser Stelle betrug etwa 250 Amp. pro Quadratmillimeter. Durch diese Anordnung waren auch ausgezeichnete
Abkuhlungsverbtiltnisse geschaffen, Die Drossel wurde rnit 600
bis 3000 Perioden durch eine Hochfrequenzmaschine gespeist.
390
F. Seidl
ERkonnte in diesem Falle keine akustische Wirkung festgestellt
werden. Das heillt, dafl eine Ausdehnung der Drosselstelle
im Rhythmus der Hochfrequenz, oder iiberhaupt eine periodische
Ausdehnung nicht stattgefunden hat und ich glaube aus diesem
Falle schlie6en zu diirfen, da6 man auf eine Gasstrecke nicht
Fig. 1
verzichten kann. Die Enden der Messingstange sind frei beweglich, so da6 eine mechanische Bewegung nicht behindert
werden konnte.
Zur Feststellung einer Gasentladung wahrend des Tonens
wurde ein Hochfrequenzstrom durch einen Stahlspitze-Messingkontakt geschickt (Fig. 2). Die Stahlspitze war zwischen zwei
massiven Kupferbacken festgeklemmt und mit Hilfe einer grof3en
Schraube (Durchmesser des Schraubonkernes etwa 7 mm) eine
Fig. 2
Messingplatte angedruckt worden. Als Messingplatte fand das
flachgeschliffene Ende der Schraubenspindel selbst Verwendung,
um die ganze Apparatur 80 fest als moglich und ohne jede
Bewegungsfreiheit fur die Spitze zu konstruieren. Die Messingplatte wurde mit aller Gewalt gegen die festsitzende Spitze
gedriickt, hierauf der Hocbfrequenzstrom durchgeschickt und
dabei im Dunkeln beobachtet. Deutlich sah man eine Leuchterscheinung wahrend dtas Tonens. Suchte man eine instabile
Der selbsttonende KristaU als thermischer Xffekt
391
Einstellung eu ,treffen, so setzte mit der Leuchterscheinung das
Tinen aus. Einmal wurde die Einstellung ungeandert gdassen,
um sie in gleicher Anordnung wie beim Experiment naehher
im Mikroskop zu bwbachten. Dabei sah man, dal3 ein Tea
der Spitze satt auf der Yetallplatte aufsaB, der ubrige Teil
aber einen kleinen Luftspalt abgrenzte, in dem sich die Gasentladung ausbildete (Fig. 3). Die Spitm sa8 so featIauf, daJ3
die Metallplatte an der Beriihrungsstelle eingedruckt war.
Es blieb noch die Frage offen, wo der Ursprung der
akustischen Wirkung liegt. Denn nach Lichtenecker kbnnte
die Beruhrungsstelle der Eristalloberflache und die Spitze auf
Fig. 3
Art eines Trevelyanschen Wacklers bewegt werden, nach
meiner bisherigen Ansicht ware der Sitz der akustischen Auslosung in der Gasstrecke gelegen. Die Entscheidung lieferte
bereits der Versuch mit der Anordnung, die in Fig..l dargestellt wurde. I n diesem Falle wurde direkt an der Spitze
eine Gasantladung durch die innige Metallbindung vermieden,
80 daB fur eine Tonerzeugung einzig und allein das Temperaturgefalle in Betracht kommen konnte. Das Tonen blieb
aber aus.
Vor d10m h a t Lichtenecker die von mir dnrchgefiihrten
dlversuche gunstig fur seine Erklarungsweise und dentet sie
folgendermeBen:
,,Benet& das 0 1 die eigentliche Kontaktsklle, also den
Sitz des Temperaturabsturzes nicht, so besteht die Erscheinung
weiter. Ja sie konnte durch das herangebrachte Ql noch ge.
392
F. Seidl
f6rdert werden, ale daeselbe die nicht unmittelbar an der Spitze
oder Schneide gelegenen Teile des Stahlkontaktes zuverlassig
auf die Temperatur der Umgebung abkuhlt, also dae Bestehenbleiben des Steilgefiilles gewahrleistet. Tritt dagegen die Benetzung der eigentlichen Kontaktstelle und
damit Kiihlung der Drosselstelle ein, 80
hort auch das Then ad."
Durch diesen Versuch wollte ich die Abhangigkeit von der an der Kontaktstelle befindlichenGasschichte zeigen. Lichteneckerist
es aber um das TemperatnrgerFJle zu tun und
deshalb will ich einen Versuch aus meiner
nachsten Arbeit vorwegnehmen. Derselbe
gehort in die Versuchsreihe der ,,Abhiingigkeit des Effektes von der Temperatur".
Bringt man eine ganz kleine Einstellvorrichtung in einen als Schliff ausgefihrten
Rezipienten (Fig. 4) mit einem Rohransatz
und l&Bt denselben in ein Dewawefa rnit
fliissiger Luft tauchen, so wird nach einiger
Zeit die im Rezipienten befindliche Luft
von den GefatSwiinden her gekuhlt, so daI3
die Itahlung schliel3lich bis zur Drosselstelle fortschreitet. Das Tonen bleibt aufrecht erhalten, die Intensitat steigt uberrtus
stark. Dazu sei nebenbei erwiihnt, da8
nicht nur die akustische Wirkung an Intensitfit zunimmt, sondern mit Hilfe eines
Bellschen Telephone auch die betrachtliche
Fig. 4
Steigerung der Energie der elektromagnetischen Schwingungen durch den an Intensitit zunehmenden
Ton im Telephon fesQestellt werden konnte.
Fur die Festlegung des Ursprunges der akustischen Wirkung sind noch einige Vereuche vorgesehen. Ein Kriterium
vcheint mir folgende Uptersuchung zu leisten.
I n einem zweckma6igen Rezipienten wird eine Einstellvorrichtung mit der Kombination Fe-Si und Eisen von der
Hochfrequenzmaschine aus gespeist, und zwar mit moglichst
kleiner Frequenz. Auf den hochpolierten Trager der Spitze
Ber selbsttiinende Kristall a h thermischer Effekt
393
fallt ein Lichtstrahl auf, der nach der Reflexion seinen Weg entsprechend lang und durch passende optische Anordnung zurucklegt,
so daB auf einer Skala die Schwingungen nach Art des Oszillographen beobachtet werden kiinnen. Geniigt das Temperaturgefalle allein , dann mussen die Schwingungen auch unverandert
fortbestehen , wenn ein hohes Vakuum hergestellt wird.
Die Kombination Fe-Si und Eisen wird deshalb fur diesen
Versuch genommen werden, weil B e n e d i c k s fand, daB das
auf diese Weise erzeugte Temperaturgefalle in Form einer
Temperaturdrossel sehr hoch ist.
Auch mit selbsttonenden Kristallen werden ahnliche Versuche durchgefiihrt werden.
Zum Schlusse erwahnt L i c h t e n e c k e r in seiner Arbeit,
,,daB die berichtete Fahigkeit, als Mikrophon zu wirken, eine
allen derartigen Kontakten unter geeigneten Umstanden der
Leitf&higkeit und mechanischer Bindung gemeinsame Eigenschaft ist, so daB hierin eine Besonderheit zunachst nicht
erblickt werden kann".
Dazu sei bemerkt, daS ich die Mikrophonwirkung nur
nebenbei erwahnte, und in meiner Arbeit sogar ausdrucklich
betonte, da8 man genotigt sei, sehr laut zu sprechen, urn eine
giinstige Wirkung zu bekommen. Ich erwahnte die Mikrophonwirkung nur, urn damit ein analoges Experiment zum lauschenden
Lichtbogen zu bringen, und die Moglichkeit der Deutung der
Erscheinung durch eine Gasentladung zu bestarken. Dazu war
aber aueh notwendig, daB ein Analogon zum sprechenden
Lichtbogen gefunden wurde, und dies geschah in Verwendung
des .Kristalles ale Telephon.
Es war von vornherein gar nicht mit Bestimmtheit zu
sagen , daS infolge der Mikrophonwirkung auch unbedingte
Telephonwirkung auftreten muB.
L i c h t e n e c k e r erinnert auch an das Tonen, welches entsteht, wenn man ein Kolbchen aus Quarz vor der Knallgasflamme
blast. Infolge der yd3erordentlich geringen Warmeleitfahigkeit
des Quarzes ist die Ubergangsstelle von hiichsten Temperaturen
zur gewohnlichen Zimmertemperatur sehr schmal, so daB in derselben ein ungewijhnlich hohes Temperaturgefalle entsteht,
durch welches ,,mechanische Schwingungen - und zwar im
festen Korper, nicht in Luft - ausgeliist werden".
Annalen der Phgsik. IV. Folge. 84.
26
394
F.Seidl
Mit den SpannungsgraBen, die ich fur den selbsttonenden
Kristall verwende, ist es aber ohne besonderen Schwingungskreis noch nicht gelungen, ein stabiles Tonen zu erzeugen. Ich
will es nicht unterlassen, auch diesbeziigliche Versuche zu
wiederholen, und zwar mit Akkumulatoren, deren Leitungen
durch Wechselstromfelder unbeeinfluBt bleiben. Bei den bereits
ausgefuhrten Versuchen mit Gleichspannung ohne Schwingungskreis wurden 120 Volt verwendet. Normalerweise liegen an
der Kon taktstelle Metallelektrode-Kristall ungefahr 11 Volt.
Bevor ich die geplanten Versuche ausgefiihrt habe, will
ich zur Lichteneckerschen Deutung nicht weiter Stellung
nehmen und nur so vie1 feststellen, daB ich bis jetzt auf die
Annahme einer fur das Zustandekommen des Effektes notwendigen Gasschichte nicht verzichte.
W i e n, I. Physikalisches Institut der Universitat.
(Eingegangen 16. August 1927)
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