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Durch Hochfrequenzimpulse angeregte mechanische Schwingungen von Quecksilberkapillaren. (Mit 6 Abbildungen)

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Dutch Hochfrequenzimpdse angeregfe mechanische
Schwingunge n von Quecks ilberkap illaren
Von Hansgeorg Laporte
(Mit 6 Abbildungtn)
Inhaltsiibersicht
Es wird gezeigt, wie durch einen elektromagnetischen Schwingungsimpuls ein
Quecksilberfaden in einer Kapillare zu mechanischen Schwingungen arigeregt
werden kann. Die Schwingungen wurden mit Zeitlupenaufnahmen und Funkenphotographien fixiert. Sie werden hauptsachlich durch elektrodynamische Stroniwirkung mit Verzogerung angeregt. Die thermische Stromwirkung ist gering und
abhiingig von der Dauer des elektrischen Impulses.
Bei Arbeiten zur Eutwicklung eines Leistungsmessers zur Messung des Energieinhaltes einer einzelnen gedampften Hochfrequenzschwingung wurde vom Verfasser
u. a. im Jahre 1943 in1 Elektrophysikalischen Laboratorium der RheinmetallBorsig-A.G. versucht, die Warmespeicherung in Quecksilberkapillaren
hierfur heranzuziehen. Hierbei wurde
bei Messung der Ausdehnung des
Quecksilberfadens unter dem Mikroskop beobachtet, daB durch eirizelne
gedampfte, hochfrequente Schwingungcn von 1000 his 50000 Hertz dcr
Abb. 1
Faden einen plotzlichen, sehr Iturzzeitigen, pendelnden Ausschlag zeigte. Eine Analyse dieses Schwingungsvorganges
konnte erst 1948 niit g r o h e n Impulsen durchgefuhrt werden, da die 1943 benutzten hochfrequenten Energien in der GroSenordnung von nur 1 * 10-3 Wattsekunden lagen und damals die Zeit hierfur fehlte.
Die Q u e c k s i l b e r k a p i l l a r e (Abb. 1) besteht aus einein thermoineterahnlichen GlasgefaB, in den5in 16 cm Abstand zwei Platindrahte zur Stromzufuhruiig
zum Quecksilberfaden eingeschmolzen sind. Die Quecksilberstrecke zwische~iden
Strotuzufiihrungen bildct also einen Quecksilberwiderstand R V O I ~etwa 7, 7 Ohm.
Schaltet man diesen in einen, aus einer Kapazitat C und einer Selbstinduktion L
bestehenden S c h w i n g u n g s k r e i s (Abb. 2) und entladt den vorher aus ciner
Batterie aufgeladencn Koiidensator mittels eiiier Taste T,so entsteht in den1
Kreis eine einzelne, gedampfte, elektromagnetisclie Schwingung, deren Energie in
dem Quecksilberwidcrstand R in Warme umgesetzt wird. ,
Es ist nun die Fragc zu entscheiden, ob nur der W a r m e i m p u l s , der nur deni
Quccksilberfaden zugefuhrt wird, zu einer plotzlichen Ausdehnung der Queck-
silbereliule fiihrt, bevor die Warmemenge durch Leitung dem iibrigen Quecksilber
in der Kugel mitgeteilt werden kann, oder ob die Ausdehnung durch Einschniirung des Quecksilberfadens infolge elektrodynamischer K r a f t e des vom
Stromimpuls erzeugten Magnetfeldesherriihrt, wie es fur Gleichstrom von H. Da vy1)
und E. F. Northrupa) festgestellt wurde.
Um die meschanichen Schwingungen zu analysieren, wurden diese daher mit
einer Schmalfilm-Zeitlupenkamera mit Bildfolgen von etwa 300 bis 600 Bilder/sec
aufgenommen, wobei Lichtmarken eines 1000-HzStimmgabelgenerators als Zeitmarken dienten. Die Ausmessung der Einzelbilder erfolgte mittels MeDmikroskop. Die Ausmessung war oft schwierig, da manchmal
einzelne Bilder in einer Reihe ungleichmal3ig entwickelt
waren und auch das Korn der Aufnahme storte. Die
L
Ausmessungsgenauigkeit betrug daher
5% (1 Teilstrich der Okularteilung). Aus den MeBwerten von
4 Aufnahmen wurden die K u r v e n d e r A b b . 3 gezeichnet, die nur aus MeSpunkten bestehen und die
Abb. 2
in Anbetracht der Schwierigkeit der Aufnahmen und
Ausmessung eine befriedigende Obereinstimrpung zeigen.
Zur einwandfreien ausmel3baren Aufnahme muljte durch Steigerung der elektrischen Energie eine moglichst grode Ausdehnung des Quecksilberfadens erzielt
werden. Mit Kondensatoren von 8 bis 40pF,eisenhakigen Induktionsspulen von
0,Ol bis 1H und Ladespannungen von 200 bis 300 V kann man Fadenausschlage
von einigen Zentimetern erhalten, die ohne Mikroskop sichtbar sind. Bei diesen
reiDt oft bei sehr groaen Amplituden die Saule innen ab, nachdem der Stromimpuls
langst abgeklungen ist, und es entstehen anscheinend durch Ladungstrennung im
Innern der Kapillare Funken, deren Licht sogar fiir photographische Aufnahmen
ausreicht. Manchmal treten die .Funken auch in der Kapillare zwischen Quecksilberkugel und der unteren Stromzufuhrung auf, wie Zeitlupenaufnahmen zeigen.
Die AbreiDvorgange weisen auf elektrodynamische Awlosung der Schwingungen
hin. Es konnte jedoch bei den Filmaufnahmen, bei denen kein AbreiDen der Queck-
*=
QC
*.
*B
**
70'
. *
* O
Abb1)
H. Devy, Philos. Trana. Roy. SOC.London 1828, 11, S. 163.
*) E.F.Northrup, Physic.Rev. 24, 474 (1907). Siehe auch: Handbuch der
perimentalphpik Bd. 11, 1. Teil 6.123, 1932.
Ex-
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A n n a b der Pbysik. 6. Folge. B a d 4. 1948
silbersiiule bei groDen Amplituden auftrat, bei der mikroskopischen Ausmessung
der Einzelbilder kein Einschniiren des Quecksilbers und Loslosung von der Wand
der Kapillare beobachtet werden.
Aus den Zeitlupenaufnahmen konnte nicht festgestellt werden, mit welcher
Verzogerung die mechanische gedampfte Schwingung der Saule nach dem zugefuhrten elektromagnetischen Impuls einsetzt. Es wurde daher die Schwingung
mittels Funkenphotographie durch eine rotierende Trommelkamera aufgenommen
(Abb. 4). Hierbei wurde die Quecksilberkapillare intermittierend durch eine
Magnesiumfunkenstrecke beleuchtet, die von einer Mittelfrequenzspannung von
etwa 500 Hz gespeist wurde. Die geneue Funkenfrequenz m d e mittels Frequenzmessers kontrolliert. Die Funkenzahl und damit die Anzahl der Aufnahmen je
Sekunde lagen zwischen 900 und 1OOO. Die Quecksilberkapillare wurde direkt
auf den Leuchtschirm eines Kathodenstrahlrohres montiert, deeaen Ablenkplatten
parallel zur Selbstinduktion L des Schwingungskreisee
geschaltet waren. Es war so eine gleichzeitige
2
P h o t o g r a p h i e d e r elektrischen u n d m e c h a nischen
Schwingung moglich. Da der Queckailber--:
'
2
D
faden n u wenig Licht reflektierte, muDte die Optik
hierauf scharf eingestellt werden. Bus diesem Grunde
6
3
I
5
ist die Aufnahme des Kathodenstrahlea auf der Abb. 5
etwas unscharf.
Abb. 4. Aufbau fiir
Funkenphotographie
Aus dieser Reihenphotographie sieht man, daB die
1 Quecksiibersiiule
mechanische Schwingung erst 5 Millisekunden nach
3 Funkenstrecke
Kathodenstrahlrohr
dem Beginn der elektromagnetischen Schwingung ein4 Spiegel
setzt, zu einem Zeitpunkt, wo diese achon abgeklungen
5 Trommelkamera
ist. (Auf der Aufnahme Abb. 5 schwingt mit der
Quecksilbersaule ein einzelnes a bgerissenes Triipfchen.)
Der Vergleich beider Aufnahmeverfahren ergibt :
,.
bei C = 8 p F
1. Schwingung
2. Schwingung
3. Schwingung
a.11ms
(unbestimmt)
bei C = 40pF
14 ms
Die mechanische Schwingungsdauer atimmt annahernd tiberein. Bei groaeren
Amplituden, die durch die groBere Ladekapazitiit bedingt sind, ist die Schwingungsdauer erwartungsgemaB kurzer.
Die m a x i male Aus d e h n u n gsg e sch win d i g ke i t der Quecksilbersiiule betragt 88,4cm/s.
Aus den bekannten elektrischen Kreisdaten, den Abmessungen der Kapillare,
der Masse des Quecksilberfadens und den Auswertungen der Aufnahmen wurde
versucht, einwandfreie meDwertgenaue Zusammenhange zwischen den beobachteten
mechanischen Wirkungen und vermuteten elektrodynamischen und thermischen
GroBen zu finden. Diese &beit ist bisher e~-folglosgeblieben. Es la& sich nur
sagen, daD durch den elektrodynamischen Effekt die mechanische Schwingung
mit einer Verzogerung nach Ablauf der elektromagnetischen Schwingung analog
der Schwingung eines ballistischen Galvanometers eineet.zt.
H . Laprte: Durch Hochfrequenzimpulse angeregte mechanixhe 8chwingungen
95
96
Annalen der Physik. 6.Fdge. Band4. 1948
Zur Feststellung d er GroBenordnung d er thermischen im Vergleich
zur dynamischen Ausdehnung wurde dnrch eine Kapillare Gle ic h h m verachiedener Stiirke jeweils 1 Sehhde lang geachickt und der A d a g dee Quecksilberfadem mit dem MeBmikroskop bestimmt. Bei ShmschluS erfolgte eine
momentane Ausdhnng, die eine elektrodynamische und eine thermische Ursache hatte. Bei 8tromoffnung blieb eine Reatausdehnung erhalten, die rein thermisch bedingt war. A d dim Weiee konnten beide Wirkungen getrennt werden
(Abb.6). Da die thermische Ausdehnung im Gegensatz zur dynamiechen Aus-
h !
Abb. 6. &udehnung clee Queckeilberfadens
bei Gleichstrom L = Is
dehnung proportional der Zeit ist, kann man das Verhiiltnis beider bei eher &it
von etwa 3ms (entspreohend der Stromdauer der elektrkhen Schwingnng in
.Abb. 5) beatimmen. Bei 1 Sekunde Stromdauer betrug im Mittel die thermische
Aus dhung 102% der elektrodynamischen. Fiir eine Zeit von 3 ms ergibt sich
daher ein Verhiiltnis von 3% d er thermischen zur elektrodynamischen
Ausde hnung.
Sc h e i b e n b e r g / Erzgeb., Elektrophyaikalircher Apparatebau.
(Bei der Redaktion eingegmgen am 20.Mai 1948.)
Verentwortllch
far dle BeMitleltmg: Prof. Dr. F r i c d r 1 c 4 M 6 g 11 c h , Rerlln-Buch, Llndcnbergcr Weg 74
ftkr den Verlag: Hofrat Dr. A r t h n r Y e l n o r , Lolpzlg C 1. SalornonatnBe 18B
ftkr den AnZdge~~teil:K u r t K l l m m e r (Arbeltegemeinscheit medlrinlecher
V e r M G.m. b.H.). Berlin SW 68, New OrtlnetralJe 18, Fernru!: 485097
Llcemi-Nr. 410 / 0 .N.446
(1) Paul DUnnhaupt. KSthen L 1W
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