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Die Rotation des elektrischen Lichtbogens bei Atmosphrendruck.

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80
4. Ddt3 Rotatdon des elebtrdschem Uch$bogem
bed AtmosphUrendmcb;
vow H e t g e S t o l t .
I. Einleitung.
Eine im Magnetfelde rotierende elekt,rische Entladung
in verdiinnten Gasen ist von d e l a Rive’), d e l a R i v e und
S a r a s i n 2), Wil 8o n und Mar t y n 3) , Ma 11i k a), D u f o u r 7 ,
Guye und Rotheno) untersucht worden. Da ihre Versuchsbedingungen von den im folgenden mitgeteilten wesentlich
verschieden sind, wird hier nur auf die Arbeit von Guye und
R o t h e n hingewiesen, in der auch eine kurm Zusammenfassung der ubrigen Untersuchungen zu finden ist.
Wahrend also die Verhiiltnisse in verdunnten Gasen von
mehreren Forschern untersucht worden sind, ist bei Atmospharendruck nur eine einzige systematische Untersuchung
ausgefiihrt, und m a r von Nicol’), der eine solche auf Vorschlag von Wilson mit einem Apparat unternommen hat,
der im Prinzip mit dem von Wilson und M a r t y n bei niedrigen Drucken verwendeten ubereinstimmt. Da meine Versuchsanordnungen sich nahe an die von Nicol anschlieBen,
brauchen hier nur seine Hauptergebnisse genannt m werden.
Nicol hat seine Versuche ausschlieSlich mit Kupferelektroden durchgefuhrt, weil die Entladung zwischen diesen
1) A. de l a R iv e, Arch. sc. phys. et nat. 12. S. 222. 1848; Compt.
rend. eS. S. 414. 1849; Pogg. Ann. 104. S. 129. 1858; Arch. sc. phys. et
nat. (2) 27. S. 289. 1866; Phil. Mag. (4) 88. S. 612. 1867.
2) A. d e l a R i v e u. E. S er e s in , Arch. phys. et nat. (2) 41. S. 6.
1871; Ann. de chim. et de phys. (4) 29. S. 207. 1873.
3) H . A . Wilson u. G. H. Martyn, Proc. Roy. SOC. London,
A. 79. 8. 417. 1907.
4) D. N. Mallik, Phil. Mag. (0) 16. S. 631. 1908.
6) A. Dufour, Ann. de chim. et de phys. (8) 22. S. 282. 1911.
6) C.-E. Guye u. A. R o th en , Arch. sc. phys. et nat. (6) 8. 5. 441.
1921.
7) J. Ni c o l , Proc. Roy. Soo. London, A. 82. S. 29. 1909.
Rotation des e b b . Lichtbogens bei Atmospharendruclo.
81
sich vie1 stabiler zeigte als die zwischen anderen gepriiften
Elektrodenmaterialien. Aus seinen Beobachtungen schloB er,
daS die Rotationsgeschwindigkeit 1. unabbtingig von der
Bogenliinge, 2. proportional der Starke des Magnetfeldes ist
und 8. mit der Stromstarke im Bogen linear zu n h mt Unter
der Voraussetmng, daS die negativen Ionen Elektronen sind,
schlieI3t er, dtbB die positiven weder Kupfer- noch Luftmolekiile
tlein konnen, da ihre Masse von derselben Grobnordnung
wie die des Wasserstoffatoms ist. Statt dessen sollen es dieselben TrZiger der positiven ElektrizitM sein, die J. J. ThomR onl) bei den Kanalstrahlen gefunden hatte.
Da ein nhheres Studium der von Niool untersuchten
Verhaltnisse sicher von Intererne sein muBte, besonders wenn
ns auf Bogen mischen anderen als Kupferelektroderi ausgedehnt werden konnte, begann ich im November 1919 auf
Vorschlag von Hrn. Professor Dr. G ra n qv i s t eine solche
Untersuchung.
Es ist mir gelungen rotierende Bogen, die untersucht
werden konnten, mischen folgenden Elektroden zu erzeugen :
CU+-CU-, Cu+-Ag-, CUC-AU-; Ag+-Ag-, Ag+-CU-, Ag+-Au-;
Au+-Au-, Au+-CU-, Au+-Ag-; C+-Cu-, C+-Ag-, C+-Au-;
Al+-Cu- und A1+-Ag-. Bei allen diesen Bogen ist in komtantem
Magnetfeld die Veranderung der Rotationsgeschwindigkeit
mit dem Bogenstrom bestimmt worden. Oft wurde diese
Bestimmung fiir mehrere Felder gemacht, und bei einigen
Kombinationen wurde such der Elektrodenabstand variiert.
Die Veriinderung der Rotationsgeschwindigkeit mit der Stiirke
des Magnetfeldes ist bei Cu+-Cu-, Ag+-Ag-, Au+-Au-, C+-Agund A+-Cu- untersucht worden. AuSerdem wurde die Charakterietik dee rotierenden Bogens bei den meisten obengenannten
Elektrodenkombinationen bestimmt. Die wichtigsten experimentellen Resultate werde ich im folgenden wiedergeben.
II. Vereuoheanordnung..
A. Anordnung f a r d e n rotierenden Bogen.
Im hiesigen Physikalischen Institut wurde in Obereindtimmung mit Nicol s Beschreibungen ein Apparat angefertigt,
der teilweise in Fig. 1 schematisch wiedergegeben ist.
1) J. J.Thomson, Phil. Mag. (6) 18.
Amalen der Phpit.
IV. Folge.
74.
8.821. 1809.
6
82
H.Stolt.
Ein etwa 35 cm langer, zylindrischer Stab (A-A) von
weichem Eisen ist in einer auf drei Schrauben rnhenden Unterl a p festgehalten. Rings um die Enden des Eiaenstabes befinden sich m e i gleiche Solenoide (C, und C,), jedes mit
210 Windungen. Zwischen den Solenoiden ist der Eisenstab
von einer Porzellanrohre ( R ) umgeben. Die Solenoide Rind
miteinander so verbunden, daB bei StromschluB gleiche Pole
gegeneinander gekehrt sind, wodurch ein radiales Feld in der
Mitte erhalten wird. In diesem Feld wird der Bogen, der mit
dem stiidtischen Gleichstromnetz von 220 Volt gespeist wird,
zwischen mei zylindriachen Elektroden (Dlund D,) erzeugt,
die von zwei geeignet ausgebohrten Messingplatten (El
und E,)
konzentrisch im Verhtiltnia zum Eisenstab festgehalten werden.
In der Magnetisierungsleitung befinden sich eine Wippe und
(in Regdiemiderstand, um den Ekenstab entmagnetisieren
zu konnen.
Von den Elektroden waren die aus Kupfer und Aluminiuni
gens aus Metal1 angefertigt. Die Silberelektroden wurden
mehr als zur Hllfte au8 reinem Silber hergestellt und mit
Mesaingzylindern verllngert. Zur Heratellung von Goldelekt.roden wurden 1,5 mm hohe Ringe aus reinem Gold an Kupfercdektroden angeschweiDt. Zum Schutz der sproden Kohle-
Rotation des ebktr. Lichtbogtm bei Atncosphiirendrwk.
85
elektroden beim Festschrauben in den Haltern waren auch
diem rnit Messingzylindern verlangert.
Vor der Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit wurden
die Endflachen der Elektroden zuerst mit einem groben und
d a m rnit einem sehr feinen Schmirgelpapier poliert, um
Gpuren der vorigen Entladung zu entfernen. Die Elektroden
wurden in den Haltern rnit parallelen Endflachen befsstigt,
was dadnrch erreicht wurde, daB sich beim Festschrauben
eine planparallele Glasplatte von ausgemessener Dicke zwischen
den Elektroden befand. AuBerdem wurde nachgesehen, dab
die Achsen der Elektrodenzylinder so nahe wie moglich zusammenfielen. Hiernach wurden die Elektroden konzentrisch
im Verhaltnis zur Porzellanrohre und in solcher Hohe angebracht, daB der Bogen in der Mitte zwischen den Solenoiden
erzeugt wurde, wo die FeldgroBe bestimmt worden war.
B. Anordnung
zur Bestimmung der Botationegeechwindigkeit.
Im Gegemtz zu Nicol erhielt ich mit Kupferelektroden,
(lie zuerst angewandt wurden, einen sehr stabilen Bogen, der
oft 5 Minuten oder langer dauerte. Darum wurde zuerst eine
stroboskopische Methodel) zur Bestimmung der Rotationsgeechwindigkeit gepriift ; diese zeigte sich aber wenig zweckrngSig, weshalb ich zu der von Nicol benutzten Bestimmungsrnethode iiberging.
Dicht vor den Elektroden wurde ein Spalt angebracht,
(lessen Bild bei jedesmaligem Passieren des Lichtbogens an
tiem Spalt nach Reflexion in einem rotierenden Spiegel auf
(lie photographische Platte einer in der Nahe des Spiegels
imfgestellten Kamera geworfen wurde. Dem Spiegel wurde
trine geaignste Neigung gegen die Rotationsachse gegeben,
SO daB man die Bildreihe in Form einer Ellipse erhielt. Wenn
die Platte etwas liinger exponiert wurde, als der Spiegel fiir
tine Umdrehung brauchte, konnte die Umlaufzahl des Bogens
in der Umdrehungszeit des Spiegels mit so groBer Genauigkeit
hestimmt werden, daB der Fehler oft kleiner als 0,2 Proz. war.
Um &en genauen Wert der Spiegelgeschwindigkeit ermitteln
m konnen, wurde mit dem Spiegel e h e Nadel fest verbunden,
(lie bei jedem Umlauf gegen &en Papierstreifen schlug,
1) Vgl. H.
A. Wilson
11.
G. H. Mertyn, a. a. 0.S. 42.
6*
84
H.Stolt.
wodurch es moglich war, die Zeit fiir z. B. 200 Umdrehungen
mit einer Stoppuhr bis auf 0,2 Sek. genau zu bestimmeh.
Bei der Aufnahme wurden extrarapide Platten im Formate
9x12 und zwar jede fiir 3-4 Bildellipsen benutzt.
1IL Hlxperimentelle Besaltate.
A. Vorverenche nnd a l l g e m e i n e Beobachtnngen.
Die magnetische Feldstiirke in einer Entfernung von 1,l cm
von der Achse des Eisenstabes wurde ballistisch bestimmt.
Bei Kupferelektroden, die zuerst benutzt wurden, zeigte
es sich bald am vorteilhaftesten, die Kathode oben zu haben.
Der Bogen war dann leichter z h erzeugen und ging nicht so
oft in die langsam rotierende Form iiber, die im folgenden
niiher besprochen wird. Auch bei allen spater untersuchten
Bogen wurde die Kathode oben plaziert.
Dicht an der Kathode befindet sich bei Kupferelektroden
eine leuchtende Schicht von gelbgriiner Farbe, die mit dem
Spektroskop untersucht die dem Kupferbogen cigentiimlichen
Linien zeigt. Bis etwa 2 Amp. im Bogen hat dieser, abgesehen
von der erwahnten Schichte, eine rotviolette Farbe bis an die
Anode und das Spektrum des Elektrodenmaterials wird hauptsachlich von einzelnen Punkten an der Anode ermugt, die
nicht an der Rotation beteiligt sind, sondern mit kleinen Unebenheiten an der Anodenflache in Zusammenhang stehen
diirften. Bei hoheren Stromstlirken wird aber ein schwaches
Spektrum des Anodenmaterials von der ganzen Bogenlange
erzeugt .
Der Bogen ist immer von einer schwach leuchtenden
Aureole umgeben und besonders an der Kathode setzt sich
ein dunkles Pulver ab, das beim Kupfer das Oxyd sein diirfte.
Die positive Ansatdkche scheint bei niedrigen Stromstlirken ziemlich ausgebreitet zu sein, zieht sich aber bei hoheren
zusammen und bofindet sich dann in der Regel an der AuSenkante der Elektrode, wie auch die negative Ansatdlache bei
allen verwendeten Stromstarken. Wenn die AuBenkanten
durch anhaltende Rotation sehr angegriffen sind, ist der Bogen
geneigt, zur Innenkante uberzugehen. Die Rotation an der
Innenkante erkennt man in der Regel an dem Tone, der die
Entladung begleitet. Ich habe bei der Verwertung meiner
Beobachtungen immer damit gerechnet, da13 der Bogen sich
Rotation des elektr. Liclttbogens bsi Atmospharendruck.
86
an der Aubnkante befindet. Sobald ich bemerkte, daB dies
nicht der Fall war, wurde die Entladung ebgebrochen und
die Elektroden neu poliert. Die Rotation an der Innenkante
gibt sich durch zu hohe Geschwindigkeit bei den Zusammenstellungen zu erkennen.
Die rotierenden Silber- und Goldbogen sind den Kupferbogen ahnlich und setzen auch die erwiihnten dunklen Belegungen hauptsachlich an der Kathode ab.
Ein rotierender Bogen zwischen zwei Aluminiumelektroden konnte nicht erzeugt werden, dagegen gelang es ehen
Bogen zu erhalten, wenn die Anode aus Aluminium und die
Ksthode z. B. aus Silber war. Von der Aluminiumelektrode
spritzen oft kleine Stucke in den Bogen, und dies nimmt mit
der Stromstarke zufolge der groBeren Erwiirmung zu. Die
Elektrode wird dadurch schon nach wenigen Umdrehungen
uneben. DaS der Al+-Al--Bogen nicht erzeugt werden kann,
ist sicher hierdurch verursacht, denn der schnell rotierende
Bogen bleibt immer stehend oder loscht aus, wenn die Kethodenfliiche Unebenheiten besitzt. An der Anode haben diese nicht
so grab Bedeutung.
Auch zwischen Kohleelektroden gelingt es nicht , einen
hestimmbaren, schnell rotierenden Bogen zu erhalten, wahrscheinlich aus demselben Anlasse, dab niimlich die Kathodenflache nicht geniigend eben ist. Ein stabiler Bogen wird erhalten, wenn man die Kohlekathode gegen eine aus Silber,
Gold oder Kupfer vertauscht. Die ErwZlrmung der Kohleelektrode scheint starker zu sein als die der Metallelektroden,
und die Verdampfung ist groSer. Bei hoheren Stromstiirken
wird die Kohle gliihend, was jedoch keinen groSeren EinfluB
rtuf die Umlaufgeschwindigkeit ausiibt.
AuSer der besprochenen Bogenform erhielt ich schon
hei den ersten Versuchen mit Kupferelektroden bei kleinem
Bogenstrom und in schwachem Magnetfelde einen Bogen,
cler immer in seiner genzen Liinge ein intensives Kupferspektrum zeigte und der sich unter der Einwirkung des Magnetfeldes nur langsam bewegte. Befanden sich Unebenheiten
an den Elektrodenflachen blieb er stehen und griff zufolge
tler kriiftigen Erwarmung die Elektroden betriichtlich an.
Er war nie vertikal, sondern es hatte bei der langsamen Bewegung der negative Fu4punkt einen Vorsprung vor dem
86
H.Stolt.
positiven. Bei 6,70 mm Elektrodenabstand g h g er rechtwinkelig von der Kathode am, wlihrend das positive Ende
einen spitaen Winkel mit der Anode bildete.
Eine Untersuchung der Elektrodenspannung zeigte, deS
diese bei der langsam rotierenden Entladung betrlichtlich
kleiner war als bei der schnell rotierenden. In einem Falle
bei 1,21 mm Elektrodenebstand, in dem der Bogen zwischen
den beiden Formen wechselte, wurde die Elektrodenspannung
beim langsam rotierenden Bogen zu 45,6 Volt bei 1,48 Amp.,
und beim schnell rotierenden zu 62,O Volt bei 1,45 Amp.
gefunden.
Die langsam rotierende Bogenform, die also neben der
schnell rotierenden bei Kupfer beobachtet worden ist, wurde
auch erhalten, wenn beide Elektroden aus Kohle waren,
zwischen welchen die schnell rotierende Form besonders bei
niedrigen Stromstiirken unmoglich zu erhalten w sein scheint.
Bei 1,21 mm Bogenllinge wurden einige Versuche gemacht,
die langsame Form zu studieren. Nachdem Versuche mit sehr
kriiftigem Magnetfeld g r o h e Geschwindigkeit zu erhalten
miSlungen waren, da der Bogen erlosch, wurden einige VerRuche in schwiicherem Feld gemacht, um zu sehen, wie die
Geschwindigkeit, die unmittelbar mit einer Stoppuhr bestimmt wurde, mit dem Bogenstrom variierte. Es wurde
dabei festgestellt, daJ3 die Rotation nicht konstant war. Der
nrste Umlauf ging demlich langaam vor sich, dann nahm die
Geschwindigkeit zu und wurde gewohnlich wiihrend des
anderen oder des dritten Umlaufs am grofiten, um nachher
wieder w sinken. Die Geschwindigkeit steigt mit dem Bogenstrom. Photographische Versuche, sie zu bestimmen, migten
auch, daS sie sehr ungleichmiil3ig war; die Entladung schien
swischen boiden Formen zu wechseln.
Nicol gibt an, daJ3 man, wenn die Elektroden ein zweites
Ma1 ohne Neupolieren verwendet wurden, teils eine bedeutend
kleinere Rotationsgeschwindigkeit besonders bei Bogenliingen
kleiner als 2 mm, teils eine 5-4 Volt hohere Elektrodenspannung erhalt. Mit Kupfer- und Silberelektroden wurden
einige Versuche gemacht, um diese Verhiiltnisse au untersuchen. Aus diesen geht hervor, daJ3 weder eine groBere
Veriinderung der Elektrodenspannung, noch eine solche Abnahme der Rotationsgeschwindigkeit bOi den von mir ver-
Rotation des elektr. fidtbogens bei Atmsph&mdrwk.
87
wendeten Bogenlangen wahrgenommen werden konnte. Ich
habe deshalb regelmiiSig 5-4 Aufnahmen ohne Neupoliersn
gemacht und n u bei grobren Stromstiirken und wenn der
Bogen geneigt war, an der Innenkante der Elektroden zu
rotieren, sind dieso ofter poliert worden. Dagegen habe ich
beobachtet, daS eine Aufnahme unmittelbar nach Bildung
des Bogens sehr oft einen niedrigeren Wert gibt, ale wenn
man 8-10 Sek. wartet. Ursache ist wahrscheinlich die, daS
die Temperaturverhiiltnisse nicht sogleich konstant werden.
Eine Emcheinung, die nur nebenslichlich untersucht wurde,
ist die Neigung des Bogens gegen die Elektrodenfliichen.
a
Nicol leitet fiir die Neigung den Ausdruck 7 = H (lo, - A+,),
wo a11 der Tangens des Winkels zwischen dem Bogen und der
Normalen auf die Elektrodefliche, H die Feldstiirke, lo, die
Geschwindigkeit der positiven Ionen im Einheitsfeld und lo,
(lie der negativen ist. Aus dieser Gleichung zieht Nicol den
SchluB, daS der Bogen h e r rechtwinkelig gegen die Elektrodenflachen ist. Er gibt aber dabei fehlerhaft die Geschwindigkeit der positiven Ionen als bestimmend fiir den Ausdruck
k, - k, an. Nun bestimmt aber der bedeutend grobre Wert
von Ic, diem Quantitlit, und die Berechnungen geben dann
eine etwa 40 g r o h Neigung bei dem starksten verwandten
Magnetfeld. Auch diese wiirde sich aber ohne besondere Anordnungen der Beobachtung entiehen.
Bus meinen photographischen Platton geht aber hervor,
daS besonders bei kleineren Rotatio~geschwindigkeiten der
Bogen immer einen .gewissen Winkel mit der Normalen der
Elektrodenfliiche bildet, der bis zu etwa 450 erreichen kann.
Dieser Winkel nimmt sowohl mit wachsendem Magnetfeld
als auch mit wachsendem Bogenstrom ab und wird bei groJ3eren
Bogenliingen am besten wahrgenommen. Diem Neigung kann
durch die erwahnte Gleichung nicht erkliirt werden, sondern
scheint dadurch v e m a c h t z u sein, daS die positiven Ionen
in der Niihe der Anode groSere Massen haben als in den ubrigen
Teilen des Bogens.
B. Charskteristik d e s rotierenden Bogens.
Die Kenntnis des Spannungsabfalls liinge des Bogens
ist, wie spliter gemigt wird, notwendig, um die Ionengeschwindigkeit z u berechnen. Bai den meisten Elektrodenkombi-
88
H. Stolt.
nationen ist deshalb der Zusammenhang zwischen Stromstiirke und Elektrodenspannung bei verschiedenen Elektrodenabstiinden bestimmt worden. Bei diesen B e s t h u n g e n ist
die obengenannte Neigung des Bogens nicht beriicksichtigt,
die bei kleinerem Bogenstrom die Werte etwas beeinflassen
wiirde.
Nicol gibt an, da8 er anfangs eu finden glaubte, daS
die Elektrodenspannung durch die Rotationsgeschwindigkeit
beeinfluSt wurde, daS aber genauere Versuche zeigten, daS
Kupferelektroden.
Fig. 2.
dies nicht der Fall war. Da ich Ursache hatte, an diesem
Ergebnis rm eweifeln, maohte ioh bei 8,12 mm Elektrodenabstand bei Silber eine Beobachtungsreihe mit konstantem
Bogenstrom, aber verschiedenen Magnetfeldern und folglich
auch verschiedenen Rotatio~geschwindigkeiten. Eine Beobachtungsreihe wurde bei fallender und unmittelbar danach
eine bei steigender Geschwindigkeit aufgenommen, ohne die
Elektroden neu z u polieren, wodurch die Bedeutung des Anlaufens eliminiert und die Fehler vermieden wurden, die unvenneidlich bei Neupolieren auftreten, da die Elektrodenrthstiinde nie viillig gleich gemacht werden konnen, Die er-
R o t a h des ekktr. Lichtbogm
bei Atmospharendruck.
89
29-
,d
(foldelekhden.
Fig. 1.
der Rotrttionsgeschwindigkeit zunimmt. Eine VergroBerung
des Magnetisierungsstromes von 1-4 Amp. verursachte, daS
90
n. sloit.
die Spannung rnit 4 Volt stieg. Da die Elektrodenspamung
also von der Umlaufgeschwindigkeit beeinfldt wird, sind
die Bestimmungen der Charakteristiken hauptsachlich in
dem konstanten Magnetfelde von 73,6 Gaius eusgefiihrt.
Von den erhaltenen Werten werden die fur Kupfer in
Fig. 2, fiir Silber in Fig. S und fiir Gold in Fig. 4 in (e, l/i)Diagrammen (e = Eloktrodenspannung, i = die Stiirke des
Bogenstroms) wiedergegeben. Dieses Koordinatensystem ist
gewlihlt , iim gleichmitig rnit der Moglichkeit den Spannungsabfall leicht zu erhalten, auch priifen zu konnen, ob die von
Frau Ayrton') f i i r den Kohlebogen aufgestellte Gleichung:
( E = Elektrodenabstand, a, b, y und 6 Konstante) auch hier
geniigt. Diese Gleichung ist von Guye und ZQbrikoff2)
rnit gutem Erfolg anf Metallbogen angewandt und Nicol
hat bei seinen Versuchen gefunden, daS die bei dem rotierenden
Bogen beobachteten Werte sich in einem (ei,i)-Diagramm
einer geraden Linie nahe anschliehn. Die Gleichung fordert
auch, daS die Werte in einem (e, l/i)-Diagramm auf einer
geraden Linie liegen. Wie a m den Figuren hervorgeht, ist
aber dies nicht der Fall, sondern sind bedeutende Abweichungen
vorhanden. Da die Abweichungen in einem (ei, i)-Diagrsmm
bedeutmd kleiner sind, wurden sie von Nicol nicht beachtet.
Diese Ergebnisse stimmen mit den von Malcolm*) uberein,
der bei kleinen Stromstiirken Abweichungen von A y r t o n s
Gleichung gefunden hat.
C. V e r grid e r nn g der Bo t a t i o n eg ee c h w i n d ig k eit
mit der S t l r k e dee Magnetfeldee.
Bei meinen ersten Untersuchung6n wurde gepriift, ob
die Umlaufsgeschwindigkeit des Bogens der Stiirke des Magnetfeldes proportional sei, wie Nicol bei Kupfer gefunden
hatte. Die Beobachtungen wurden rnit Cu+-Cu--, Ag+-Ag--,
Au+-Au--, Al+-Cu-- und C+-Ag--Bogen ansgefiihrt und gaben
als Resultat, daS die Kurven,. die in einem Koordinatsystem
1) H. A y r t o n , The electric arc. London 1902.
2) C.-E. Gnye. u. L. ZBbrikoff, Phya. Zeitachr. 8. 5. 703. 1987.
3) H. W. Malcolm, Phya. Zeiteohr. 8. S. 471. 1907.
Rotation des ekktr. Lichtbogens bei A M s p h a r d r u c k .
91
den Zuaammenhang zwischen der Rotationegeschwindigkeit
und der Stuke des Magnetfddes zeigten, ein wenig konkav
gegen die Achse waren, auf der die Starke des Magnetfeldes
zoo-"
t
m-
80 130 QU-
100 80 60-
at
I
1
I
I
1 4 i j
2
4
6
8
8 7 2
Silberelektroden. Elektrodenabstand = 1,21 mm.
Fig. 5.
adgetragen war. Bei Kupferelektroden waren jedoch dio
Abweichungen von einer geraden Linie am kleinsten.
Die erhaltenen Kurven sind hier nicht wiedergegeben,
H.Siolt.
Silberelektroden. Elektrodenabetand = 2,08 mm.
Fig. 8.
weil desselbe Resultat auch aus den Kurven in Fig. 5-12,
die den Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeit
und Stromstlirke in verschiedenen Magnetfeldern Bigen, a b
gelmen werden kenn.
Rotation des elehtr. Lichtbogem bei Atmosphirmdruclo.
93
D. Ver I n d e rang der Bo ta t I o nag eao h w i n d i g he i t
m i t dem Bogenstrom.
Nicol fend, daS die Geschwindigkeit des Bogem linear
mit dem Bogenstrom mchs, ein Resultat, dab bei allen unter2a9
-"
t
I80 -
160 -
/+
&
I+'
Bilbersncde. Elektrodenabetond = $12 mm.
&+-CU-;
o Ag+-An-.
Fig. 7.
+ Ag+-bg-;
snohten Elektroden, die niedrigen Stromstlirken ausgenommen,
zu gelten scheint.
94
H.Stolt.
Der Veriinderung der Rotationsgesch~ndigkeitmit dem
Bogemtrom ist besondere Aufmerksamkeit gewidmet , weil
durch Zusammenstellung dieaer Geschwindigkeiten fiir gleichen
Bogenstrom, Magnetfelld und Bogenlgnge aber verschiedenes
Silberelektroden. Elektrodenabatand = 6,70 mm.
Fig. 8.
Elektrodenmaterial die Einwirkung des letzteren auf die
Rotation erhalten werden ksnn.
Die Geschwindigkeit scheint von dem Material, am dem
die Anode besteht, bestimmt zu sein. Deshalb sind die Resultate nach den Anoden geordnet.
Die Bestimmungen sind in mehreren verschiedenen Feldern
gemacht, um ehen sicheren Vergleich mischen den Resultaten
bei verschiedenen Metallen und Bogenliingen zu erhalten.
Rotation des elaktr. Lichtbogens be4 Atmsphiirends.d.
96
Den in den Figuren angegebenen Stromstlirken in den
Magnetisierungssolenoiden (im)
: 0,50, 1 ,OO, 2,OO, S,OO und
4,OO Amp. entsprechen die FeldstBrken: 15,5, 89,9, 73,6 111,6
und 145,s Gauss.
Der Elektrodenabstand ist varriiet worden und das Resultat Nicols, daS die Rotation dabei nicht beeinfluSt wird,
stimmt bei Kupfer, wlihrend eine Abnahme der Geschwin-
Goldanode. Elektrodenabatand = 3,12 mm.
An+-Ag-;
Au+-Cu.
Fig. 9.
+ Au+-Au-;
digkeit mit mnehmender Bogenliinge bei Silber erhalten
wurde, das am genauesten untersucht ist und auch, obgleich
nicht so ausgepriigt, bei Gold und Kohle-Silber, die jedoch
niir bei z w e i Bogenlangen untersucht wurden.
Fiir Silber wird das Resultat in Fig. 5 fiir 1,21 mm, in
Fig. 6 fiir 2,03 mm, in Fig. 7 fiir 3,12 mm und in Fig. 8 fiir
6,70 mm Elektrodenabstand wiedergegeben. Dagegen werden
hier die Resultate bei Gold (Fig. 9), Kupfer (Fig. lo), Aluminium (Fig. 11) und Kohle p g . 12) nur fiir 3,12 mm angefiihrt, obgleich Kupfer, Gold und Kohle auch bei 2,OS mm
und Kupfer auSerdem bei 6,70 mm untersucht sind.
H . Sfolt.
96
IV. Znesmmemtehzng und Dhkuerion der Renaltrte.
Am der Rotatiomgeschwindigkeit des Bogens berechnete
Nicol das Produkt von den Geschwindigkeiten der positiven
I
I
2
I
4
I
6
I
8
1-z
H
I
A?
Kupfenmode. Elektrodenabetand = $12 mm.
A Cn+-Ag-;
o CU+-AU-.
+ CU+-CU-;
Fig. 10.
und negativen Ionen mit Hilfe einer Gleichung v = H - X - l o ,&
(v = transverselle Geschwindigkeit des Bogem, H = die Stiirke
des Megnetfeldes, X = der Spannungsabfell im Bogen, k,
und li2 = die Geschwindigkeiten der positiven und negativen
Ionen im Einheitsfeld). Diese Relation ist von Wilson und
Mar tynl) unter den Voraussetzungen aufgestellt, daS der
Bogen als ein Konvektionastrom von psitiven und negativen
Ionen betrachtet werden kann, der als Ganzes bednfluSt wird
nnd daS der Spannungsabfall liings des Bogens konatant kt,
was bei ungsschichtelen
Entladungen angeniihert
der Fall iet, wenn man von
den Verhiiltnissen in der
Nahe der Elektroden absieht. Fiir diem Gleichung
hat Nicol einen anderen
Beweis geliefert. Eine
ahnliche Gleichung ist
auch von Mallik bei der
Verwertung seiner Versuchsergebnisse angewen det worden.
Mit Kenntnis von k, k,
konnte Nicol die Geschwindigkeit (kJ der positiven Ionen unter der
Vorausset zung erhalten,
tlaS die negativen Ionen Elektronen waren. Um die Geschwincligkeit (k,) der Elektronen zu erhalten, benutzte er eine von
1 a ng e vina) aufgestellte Gleichung
(e und nt = die Ladung und die Masse der Elektronen, 1 = die
freie Mittelweglange, u = die von der Warmebewegung verimachte Elektronengeschwindigkeit). Unter der Annahme
&er Bogentemperatur von 20000 erhielt Nicol k, = 1,85.104
imd da er z. B. bei 6 Amp. im Bogen k,k, =
hatte, war
tler entsprechende Wert von k, gleich 5,6.104. Die Geschwintligkeit der positiven Ionen wlire folglich
von der der Elektronen, und wenn die Geschwindigkeiten den Massen umgekehrt proportional Bind, mussen die Massen der positiven
lonen nur W m a l groJ3er als die der Elektronen eein odcr
1) IF. A. Wileon n. G. H. Martyn, a. a. 0. S. 426.
2) P. Langevin, Thesee. R. 47. Paris 1802.
7
Anndrn drr PhymLL, IV. Pokr. 74.
H. Slolt;
98
ungefbhr von derselben GroBenordnung wie die dea Warnerstoffatoma. Wie friiher genannt folgerte Nicol hieraus, daB
1
I
2
*
I
I
6
I
8
I -2J
70
72
Kohlmuode. Elektrodenabetsnd = 3,18 mm.
Ct-Cn-;
o C+-Au-.
+ Ct-Ag-;
Fig. 12.
die positiven Ionen dieaelben Triiger der Elektrizitiit sind, die
3. J. Thomson bei den Kanalstrahlen gefunden hatte.
Eine nahere Priifung der Berechnungen Nicol s zeigt,
daS der von ihm benutzte Wert der Elektronengeschwin-
XotQtion des elektr. Lichtbogms bei Atmsphirendruck.
99
cligkeit (h)zh klein ist. Mit einer neueren Gleichung yon
I 1a n g e v i n1)
lwrechnet Mar x2) dies:- Geschwindigkeit in Flammen bei
etwa 20000 und erhalt k, = 4,s - 10-4 Marx Darstellung
tler Flainmenleitung wird von LenardS) kritisiert. Letzterer4)
hatte aus Bestimmungen von Wilckenss) die Elektronengcschwindigkeit in der Bunsenflamme zu 74000 om see-'/ Volt
cm-1 berechnet, fiir den Fall, daS die Elektronen stets frei
sind und immer reflektiert werden, was im Lichtbogen auch
der Fall sein moge. Spiiter ist era) zu dem Wert 47000 gekommen, der von dem Marxschen nicht sehr verschieden ist,
Wenn dieser letzte Wert von L e n a r d angewandt wird,
ijt k, = 4 , 7 - 1 0 4 und k, wird 2,1-104. Die Geschwindigkeit
tler positiven Ionen ist 1/,, von der der negativen, und gemtiB
tlenselben Berechnungsgriinden, die Nicol verwandte, werden
die Massen der positiven Ionen 50000 ma1 groBer als die der
Nlektronen. Wenn die Masse des Wasserstoffatoms 1830 ma1
proBer R ~ Sdie des Elektrons ist, wiirden die positiven Ionen
'J'r6ger mit dem Atomgewicht 27 sein. Die Berechnnng ist
aber unter der Voraussetzung ausgefuhrt, daI3 die Massen
den Quidraten der Geschwindigkeiten umgekehrt proportional
sind, was nicht richtig ist, da die mittlere Weglange der Elektronen groSer ist als die dcr positiven Ionen. Der Endwert
i d deshalb zu groB. Bei 6 Amp. im Bogen ist aber wahrscheinlich die Temperatur vie1 hoher als in der Bunsenflamme,
was sinem hoheren Wert fiir k, entspricht. Man kann also
sagen, dab der Wert fiir k,k, damit vereinbar ist, daS die
riegativen Ionen Elektronen sind und die positiven von derselben GroBenordnung wie die der Luftmolekiile.
Townsend') hat die Bewegung der Ionen berechnet, wenn
in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem die elektrische
1) P. Langevin,
AM. de chim. et de phys. (8) 5. S. 246. 1905.
2) E. Merx, Handb. d. W o l o g i e IV. S. 719. 1017.
3) P. Lenard, Ann. d. Phye. (4) 80. S. 377. 1919.
4) P. Lenerd, Heidelberg. akad. Sitzungs-Ber.A. 17. S. 18. 1914.
5) E. Wilckene, D h . Heidelberg 1910.
6) P. Lensrd, Ann. d. Phys. (4) 61. 5. 684. 1920.
7) J. S. Towneend, Handb. d. Rediologie I. 8. 87. 1920.
6*
H. Stolf.
100
Kraft in der Richtung der X-Achse wirkt und die magnetische
in der der 2-Achse. Die Differentialgleichungen cler Bewegung
werden :
d3x
mdt'
= X. e
- He G -dd, ut
Aw diesen erhhlt Townsend als Wert der Geschwindigkeit (u)
der Ionen in der Richtung der elektrischen Kraft
N:
x.-.
m
T
6
=
ESeT
-
1+(+
und fiir die Geschwindigkeit (v) in der Richtung der Y-Achse:
T das mittlere Interval1 mischen m e i Zusammenstobn ist.
Mit Rilfe diem letzten Formel konnte ich untersuchen,
ob die Geschwindigkeit nur von deli positiven Ionen bestimmt
wird, wie Guye und R o t h e n bei niedrigen Drucken gefunden
haben, oder nur von den negativen. Die Berechnungen geben
aber Werte von ganz anderer GroSenordnung alrc die beobachteten, im ersten Falle kleinere und im letzten groSere. Die
Quantitlit LI . e T / m kann bei diesen Berechnungen immer
gegen eins vernachlassigt werden.
Es kann angefiihrt werden, daS man die Gleichung
1' = H . X - k , . k p in der Form
wo
erhtilt , wenn
R,
I
e
n
--
6
T"
T' nnd R, = m
gesetzt wird.
Wie schon oben bei den Nicolschen Berechnungen angefiihrt, wird dic Rotlationsgeschwindigkeit mit ETilfe der
Gleichung v = H.X.k?.k, anniihernd richtig berechnet, wenn
man annimmt, daS die positiven von der GroSe der Luftmolekiile und die negativen Ionen Elektronen sind.
Eine solche Berechnung wird fiir die Feldstlirke H = 78,6
Gause durohgefiihrt, u d mit Hilfe der Bogenoharakterietiken
R d a t i r n b des elektr. Liclitbogm bei Atmosph~irendrucle. 101
wird X fiir die Elektronen in der Bunsenflamme zu etwa
100 Volt cm-l geschiitzt. Fiir k, wird der obengenannte,
von Lenard berechnete Wert angewandt. Lenardl) hat
auch die Wanderungsgeschwindigkeit monomolekularer Trliger
in Luft berechnet und den Wert 14,8 om sec-l/Volt om-1
erhalten. Wenn die Wanderungsgeschwindigkeit anniihernd
mie die Zeit nvischen m e i ZusammenstoSen wiichst, erhrilt
man bei 20000 k, .==14,8.3,9. Wenn dies0 Werte in die Gleichung
1’ = H.X.k,.k, eingesetzt werden, erhiilt man
= 200 cm sec-1,
eine Geschwmdigkeit, die etwa 31 Umliiufe per Sek. in meinen
Versuchen entspricht. Diese Rotationsgeschwindigkeit wird
lmi dem angewandten Magnetfeld fiir einen Bogenstrom von
etwa 1,5 Amp. bei Kupfer, Silber und Gold gefunden.
DaR der berechnete Wert in der Tat fiir einen Bogenstrom
von 1,5 Amp. erhalten wird, muS eine ziemlich gute tfberrinstimmung zwischen den bestehenden Verhiiltnissen und
den gemachten Annahmen voraussetzen. Es ist wahrecheinlich,
tlaS man schon bei dem genannten Bogenstrom mit einer
Temperatur von etwa 20000 rechnen muB.
Eine weitere Stutza fiir die Anwendbarkeit der genannten
Gleichung ist die Tatsache, daB sie die Erkliirung einiger Verknderungen der Rotationsgeschwindigkeit ermoglicht.
Wenn man mit derselbsn Anode Kathoden am verschiedenen Metallen kornbiniert , erhiilt man bei gleichem Bogenstrom, Magnetfeld und Bogenliinge dieselbe Rotationsgeechwindigkeit. Die kleinen Abweichungen, die vorhanden sind,
konnen teils durch Versuchsf ehler, teils durch die eigenartigen
Verhiiltnhse in der Nahe der Kathode verursacht werden.
Diese ubereinstimmenden Rotationsgeschwindigkeiten lassen
Bich erkliiren, wenn die negativen Ionen ausschlieSlich Elektronen sind. Man kann auch an die Moglichkeit denken, dab
sie aus eher Mischung von Elektronen und negativ geladenen
Luftlnolekiilen bestehen. Aber wenn nur ein kleiner Teil
solche schwerere Ionen sein wiirden, wlire doch die DurchHchnittssumme der Massen der negativen Ionen gewachsen,
YO daB die oben genannte Gleichung zu denselben unwahrscheinliclien positiven Ionen fiihren wiirde, die Nicol zu finden
glaubte. Da die Wahrscheinlichkeit fiir pobitive Ionen mit
1) P. Lenerd, Ann. d. Phys. (4) 61. 8. 666. 1920.
102
H. Stolt.
geringerer Masse als die der Luftmolekiile besonders klein ist,
ist auch die Wahrscheinlichkeit fiir negative Ionen in nennenswertar Anzahl mit groBerer Masse als die der Elektronen
ebenso klein. Es ergibt sich also, daI3 die negativen Ionen
praktisch vollstandig Elektronen sind, wodurch die Schlu13folgetung von S t a r k , R e t s c h i n s k y und Schaposchnikoffl)
bestiitigt und gescharft wird.
Aus Fig. 9, die die Verhiiltnisse bei Gold wiedergibt,
cwieht man, daB bei niedrigen Stromstarken die Geschwintligkeit dem Bogenstrom nahezu proportional ist, und da13
bei hoheren Stromstarken ein linearer Zusammenhang zwischen
ihnen vorhanden ist. Auch bei den ubrigen Elektrodenkonibinationen haben die Kurven, obgleich nicht so ausgepragt,
dasselbe Aussehen. Nicol ,der keinen schwacheren Bogenstrom
H ~ S2 Amp. verwendete, hat nur den letzten Teil der Kurve
gefunden.
Eine geniigende Erklarung dieses Verlaufes wird durch
die Oleichung v = H . X . k , k, ermoglicht, weil bei niedrigen
Stromstarken die positiven Ionen wahrscheinlich hauptsachlich aus Luftmolekiilen bestehen, bei groBeren aber, bei denen
die Temperatur hoher ist und eine rege Verdampfung des
Elektrodenmaterials stattfindet, auch positiv geladene Metallmolekule, deren Anzahl mit der Stromstarke zunimmt, an
der Leitung teilnehmen. Tatsachlich macht es die Erfabrung
wahrscheinlich, deB man es bei kleinen Stromstarken mit
sogenanntem Glimmbogen zu tun hat. Malcolm, der den
Ubergang zwischen Glimmentladung und Lichtbogen untersuchte, fand, daI3 die Entladung bei Kupferelektroden in Luft
von atmospharischem Druck erst bei 0,5 Amp. endgiiltig in
eine Entladung mit negativem Bogen ubergeht und erst bei
noch hoheren Stromstiirken der positive Krater ausgebildet
wird. Bei rotierendem Bogen wird natiirlich durch die Rotation die Erwarmung der Anode verhindert, die notwendig ist,
urn dem Bogen an der Anode reinen Rogencharaktcr zu geben.
Die Anodcnfllche zeigt sich auch hier bei den kleinsten angewandten Stromstarken ausgebreitet, was Malcolm fur
den Glimmbogen kennzeichnend gefunden hat, und erst bei
etwa 2-43 Amp. zieht sie sich zusammen.
_-
- 1) J. Stark, T. Retschinsky u. A. Schaposchnikoff, Ann.
d. Phys. (4) 18. 8. 213. 1905.
Untcr diesen Verhiiltiiisven hat man bei niedrigen Stromstarken, bis zu etwa 2 Amp., ungefhhr d i w l b e Rotationsgeschwindigkeit bei verschiedenen Elektroden mi emarten,
weil sich dieselben Ionen im Bogen btfinden. Ein Vergleich
der Kurven fiir Kupfer, Silber, Gold mid Kohlu seigt, dab
(lies auch anniiherungsweise der Fall ist. Der etwas hohere
Wert dcr Kohlo kann durch eine hohere Bogentemperatur
wklart werden, da die Elektrodenspannnng groBer und die
\Varmeleitfiihigkeit der Elektrode kleiner ist als bei den ubrigen.
1 )aB Aluminium kleinere Werte gibt, steht wahrscheinlich
init dem niedrigeren Siedepunkt in Zusanimmhang, der dazu
AnlaB gibt, daB die Kurve fruher abbiegt.
Man konnte erwarten, daB bei starkerem Bogenstrom
die Geschwindigkeiten sich nach steigendem Atomgewicht
ties Anodenmetalls ordnen wiirden. Dies ist aber nicht der
Fall. Eine Zusammenstellung der Kurven seigt, daB die Geschwindigkviten des Kohlebogens am groBten sind, und daB
tlann Silber, Gold, Kupfer und Aluminium in dieser Ordnung
folgen. Gold und Silber mussen also ziemlich geringe Gerwigtheit besitzen als positive Ionen im Bogen aufsutreten,
wiihrend Kupfer und Aluminium, vielleicht in Form von Oxyden,
Ivbhaftcr an der Leitung als Ionen teilnehmen. Was Kohle
I dxifft, sind SchluBfolgerungen schwerer zu siehen.
Die Erklarung des langsam rotierenden Bogens, der bei
liupfer tmd Kohle beobachtet wurde, wiirde in Ubereinstimmung mit den Resultaten von G u y e und R o t h e n darin mi
siichen naheliegen, da13 die Ablenkung der positiven Ionen
die Rotationsgeschwindigkeit bestimmt, da abcr diese nicht
bonstant ist, konnen auch andere Erklarungen gefunden werden.
I h B die Elektrodenspannung, wie oben erwahnt, bei diesem
Jlogen niedriger ist als bei den schnell rotierenden, ist dadurch
ierursacht, daB teils die Kuhlung der Elektroden bei dem
crsten Bogen geringer ist, teils letsterer bei niedrigen Stromstiirken, wo die Beobachtungen gemacht werden, im Gegensatz zu den anderen sicher Glimmbogen mit groBereni Anodengofiille als bei dem gewohnlichen Bogen ist.
Da ich hoffe, daE dime Untersuchung m einem besseren
T’erstandnis der komplizierten Verhaltnisse im Lichtbogen
tieitragen kann, ist es meine Abskht, die Arbeit fortzusetsen
mid zu erweitern.
104
A. H,Bueherer. Berichtigung usw.
Die vorliegenden Untersuchungen wurden im Physikalischen Institut der Univemitiit Upsala ausgefuhrt.
Meinem hochverehrten verstorbenen Lehrer, Hm. Professor Dr. Granqvist bin ich groBen Dank schuldig fiir die
Anregung zu dieser Arbeit und fiir dae grab Interesse, mit
dem er dieselbe immer fbrderte.
U psala, Physikalisches Institut der Universitiit.
(Eingagangen 27. November 1928.)
--
5. Btwtchtdguang xur Arb&
,,DCe RoZle des Standorte 4m der Reht4tzultUtatheur6edt v o n A. H. B u c k e r e r .
In Band 73, k i t e 399, Bile 15 yon unten und Seite 401,
b i l e 11 von unten steht verwhentlioh Potantial der Erde
anstatt Potential der Erdentfernung.
(Eingeg.ngen 18. Miin 1924.)
Druck von Metcger rt Wittlg In Lei&.
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