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Energie und Widerstand von ffnungs- und Schlieungsfunken in induktiven Stromkreisen; Funkenlschung durch Kondensatoren.

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94
5. Ettergie u n d W i d e r s t a n d
v o n Ogtiumgs- und S c ~ ~ z l i c p u n g s f u . n ~ e n
i n i n d u k t i v e n Stromkreisen ;
PunkenZoschflung d u r c h K o n d e n s a t o r e n ;
von O t t o E r i c h G u w t h e r .
(Gekiirete Leipziger Dissertation.)
I n h a l t : Einleitung p. 94. - Gesichtspunkte fur die Wahl der
Methode p. 96. - I. Teil: Methode der Energiebestimmung p. 98;
a) Der Apparat p. 98; b) Mebmethode und Eichiing des Apparates
p. 102. - 11. Teil: Bestimmung der Euergie und des Widerstandes von
Offnungs- und SchlieBungsfunken in Stromkreisen mit Selbstinduktion
und Kapazitiit p. 106; a) Der SclilieMungsfunke p. 106; b) Der Offnungsfunke (ohne Kapazitat) p. 112; c ) Der offnungsfunke (mit Kapazitat)
p. 119. - 111. Teil: Technische Anwendungen p. 124; a) Funkenenergie
und Kontaktzerstijrung p. 124; b) FunkenlBschung durch Kondensatoren
p, 128. - SctiluB: Zusainmenfassung der Resultate p. 130.
Einleitung.
Offnungs- und SchlieBungsfunken in induktiven Stromkreisen
fuhren durch Oxydation und Zerstaubung zur Zerstorung der
Kontaktteile oder doch zur Erhiihung des Obergangswiderstandes
an der Kontaktstelle. Die Beantwortung der fur die Technik
wichtigen Frage nach der Unterdruckung dieser schadlichen
Funkenwirkung gibt auch physikalisch interessante Resultate.
Eine Arbeit von P h i l i p p i l ) behandelt die &r'age
fur
Starkstromkreise (110-550 Volt; 10-100 Amp.). Ausgehend
von Betrachtungen, die den Offnungsfunken als Lichtbogen
von variabler Liinge ansehen, gelangt der Verfasser zur Bestimmung der an den Schalterelektroden im Lichtbogen ent1) Dr. Ing. E. P 11i 1i p p i , o b e r Ausschaltvorginge und msgnetische
Funlrenlijschung. Berlin 1910 (L. Simion Nachf.).
offnunys- und Schliepungsfunken in induktiven Slromkreisen.
95
wickelten Wiirmemenge. Die Gesichtspunkte fur die Konstruktion von Schaltern mit mijglichst geringer Warmeentwicklung
werden angegeben, besonders wird der EinfluB magnetischer
Blasfelder auf den Ausschaltlichtbogen behandelt.
Mit der steigenden Verbreitung elektrischer Uhren gewinnt das Problem auch fur Schwachstromkreise Bedeutung.
Zwar kann man die Oxydationsgefahr durch Anwendung schweroxydierbarer Materialien fur die Kontaktteile (Platiniridium)
herabsetzen, aber bei iiuBersten Anforderungen an Prazisionskontalrte kann nur die Bekampfung der Funkenbildung selbst
zum Ziele fuhren.
Die bekannten Mitt.el zur Funkenlijschung I) sind Kondensatoren z), induktionsfreie Widerstande , Polarisationszellen 3,
parallel zu der Kontaktstelle oder zu den Induktionsspulen des
Stromkreises ge~chaltet.~)Quantitative Angaben iiber die Anwendungsmoglichkeit der einzelnen Mittel finden sich in der
Literatur kaum. Die qualitative Seite der Frage wird in
einer kurzen Mitteilung von R i e f l e r und Paulus5) behandelt.
Mit Hilfe des Oszillographen konstatieren die Verfasser einen
steileren Abfall der Stromkurve beim Ausschalten , also eine
Abnahme des Offnungsfunkens bei der Verwendung der angefiihrten Funkenloschmittel. Quantitative Angaben uber die
Xnderung des Punkenvorganges oder der Funkenwirkung auf
die Kontakte bei Variierung der Stromkreisverhaltnisse oder
der Funkenloschmittel machen sie nicht.
Die folgende Arbeit sol1 vor allem eine quantitathe Bearheitung des Gebietes geben; sie verdankt ihre Entstehung
einer Anregung von Herrn Prof. Dr. B r u n s , dem eine Beantwortung der Frage besonders fur astronomische elektrische
Uhren wunschenswert erschien. 1) Vgl. T o b l e r - Z a c h a r i a s , Elektrische Uhren. p. lllff. 1909.
2) ErwLhnt wohl zuerst 1877, D.R.P. 850, von A. K o c h und
F. S c h a a c k .
3) K. Si e g l , Elektrotechn. Zeitschr. Heft 35. p. 889. 1912.
4) Ein neuercr Vorschlag ernpfiehlt einen KSrnerfritter parallel zur
Funkenstrecke. D. R. P. 184 708.
5 ) S. R i e f l e r u. C. P a u l u s , Elektrotechn. Zeitschr.
Heft 34
p. 861. 1910.
96
0. E. Gunther.
Gesiehtspunkte fir die Wahl der Pethode.
Zunahme einer zur Funkenstrecke parallel geschalteten
Kapazitat bewirkt Abnahme des Offnungs- und Zunahme des
SchlieBungsfunkens; bei einer bestimmten Kapazitat findet man
fur die Gesamtwirkung beider Funken ein Minimum.
Ergab eine Aufklarung des funktionellen Zusammenhanges
von Funkenenergie und Kontaktzerstorung ein Zusammenfallen
des Minimums dieser beiden GroBen , so war die vorliegende
Frage als gelost zu betrachten, wenn es gelang, fur beliebigen
Stromkreis a priori die Mittel anzugeben, die die Funkenenergie
auf ihr Ninimum herabdrucken.
Somit war eine Methode zu finden, mit der die Energie
auch sehr kleiner Funken bestimmt werden konnte.
Die wesentlichste Schwierigkeit lag dabei in der grogen
Inkonstanz des Funkenvorganges, die sich schon beim Arbeiten
mit wohl definierter , fester Funkenstrecke zeigt, hier aber
noch starker auftreten muBte, weil die Elektrodenentfernung
wahrend des einzelnen Vorganges sich verandert und weil die
Anfangsbedingungen zufolge der Oxydation der Kontaktteile
wechseln.
Eine weitere Schwierigkeit erwuchs aus der Kleinheit des
zu messenden Effektes; zur Kennzeichnung sei der Arbeit vorausgenommen, daB die gemessenen Betrage der Funkenenergie
in der GroBenordnung von 0,0001 g-cal liegen.
SchlieBlich stellt die Anzahl der Veranderlichen, von denen
der Funkenvorgang abhangig ist, nicht die geringste Schwierigkeit der Arbeit dar. Hier machten sich einige Einschrankungen
notwendig: E s wurde immer die gleiche Funkenstrecke benutzt,
Platiniridium in Luft ; auch die Geschwindigkeit des Offnungsund SchlieBungsvorganges wurde im allgemeinen konstant gehalten. Dagegen wurden die Stromkreisverhaltnisse mit EinschluB des als Funkenloschmittel verwendeten Kondensators
in weiten Grenzen, die durch die praktisch vorkommenden Dimensionen von Schwachstromkreisen festgelegt waren,
variiert.
Versuche, die gesamte Funkenenergie aus der Flache
der Wattkurve, die aus dem mit Hilfe des Oszillographen ge-
Ofnungs- und Schliepungsfiinhen in indukticen Stromhreisen.
97
messenen Strom- und Spannungsverlauf als Funktion der Zeit
erhalten wurde I), zu bestimmen, mu6ten zunachst an der
Kleinheit des gesamten Effektes, also an der Wnempfindlichkeit
der Methode scheitern. Bei Anwesenheit eines Kondensators
miissen sie, wegen einer besonderen Entladungsform des Offnungsfunkens, prinzipiell resultatlos verlaufen, wie weiter unten zu
zeigen sein wird. Dagegen gelang es, dem zur Messung der
Funkenenergie schon mehrfach benutzten a) Luftthermometer
eine dem vorliegenden Zwecke entsprechende Form zu geben.
Durch Verbindung mit der Toeplerschen Drucklibelles) wird
die Empfindlichkeit des Luftthermometers wesentlich gesteigert.
Allerdings war es auch mit dieser Anordnung nicht moglich,
die kleinsten Funken individuell zu untersuchen. Durch Anwendung einer hohen Unterbrechungszahl kam man jedoch zu
einer Integralmethode, mit der alle Schwierigkeiten uberwunden
wurden. Die kleinen, einzeln nicht mehr mefibaren Effekte
summieren sich zu meBbaren Betragen; die grogen UnregelmaiSigkeiten der einzelnen Qorgange gleichen sich selbsttatig
aus, so da6 man aus dem Gesamtresultat einen scharfen
mittleren Wert fur die Wirkung des einzelnen Funkens herleiten kann.
1) E. P h i l i p p i , (vgl. p. 94) kommt bei seinen hohen Energiebetriigen und langandauernden Funken mit dieser Methode zum Ziel.
2) Alteste Anwendung: S n o w H a r r i s , Phil. Trans. 167. p. 18.
1827; P. R i e s s , Pogg. Ann. 40. p. 335. 1837; 43. p. 49. 1838. Die iilteren
Arbeiten uber Funkenenergie untersuchen ausschliefhh Funkenentladung mit fester Funkenstrecke (meist Entladung Leidener Flaschen);
die Energiebetriige liegen durchweg um mehrere Zehnerpotenzen hoher,
als im hier vorliegenden Gebiete. Es seien angefuhrt : A. P a a1 z o m ,
Pogg. Ann. 127. p. 126. 1866; W. R o I l m s n n , Pogg. Ann. 134. p. 605.
1868; J. D e w a r , Proc. Roy. Soc. Edinb. 7. p. 699. 1872; G. W i e d e m a n n , Pogg. Ann. 168. p. 35. 1876; A. N a c c a r i u. M. B e l l a t i , Beibl.
2. p. 720. 1878; A. N a c c a r i , Beibl. 6. p.599. 1882; E. V i l l a r i , Beibl.
3. p. 713. 1879; 4. p. 404. 407. 1880; 6. p. 460. 1881; 6. p. 699. 198?;
7. p. 782. 1883; G. M u g n a , Beibl. 6. p. 953. 1882; A. H e y d w e i l l e r ,
Wied.Ann. 43. p. 310. 1891; W. Kaufmanxi, Wied.Ann. 60. p. 653.
1897; A. B a t e l l i u. L. M a g r i , Physik. Zeitschr. 8. p. 539. 1902; 4.
p. 181. 1902; Phil. Mag. (6) 5. p. 1 u. 620. 1903; R. L i n d e m n n n , Ann.
d. Physik. 12. p. 1012. 1903; P. L e p p e l m a n n , 1naug.-Dissert. Miinster
1905; W. S t u f f , 1naug.-Dissert. Munster 1907.
3) A. T o e p l e r , Wied. Ann. 66. p. 611. 1895.
Annalen der Phssik. IV.Folge. 41.
7
98
0.3.Guntiter.
Erster Teil.
Metbode der Energiebestimmung.
a) Der Apparat.
Die Zeichnung des Apparates in Grund- und Aufri6 zeigt
Fig. 1. Deli Hauptteil bilden die beiden MeSgefaSe, von denen
das eine (A) den zu untersuchenden Kontakt enthiilt, wilhrend
das andere (11') in tiblicher Weise als kiinstliche Atmosphilre
dient, um die Messungen von den Schwankungen des aderen
Luftdruckes unabhbgig zu machen. Beide GefaSe sind kugelGrmig aus Glas mit einem Rauminhalt von je iOcm*. Nach
hinten tragen sie einen horizontalen Tubus (Z), mit dem sie
in Kerben eines massiven Holzklotzes durch iibergelegte Messingbander befestigt sind. Oben sind die beiden Gefa6e zum Druckausgleich durch ein Rohr (B) mit Hahn verbunden; au6erdem
kann jedes G?efa6 mit der au6eren Atmosphare in Verbindung
gebracht werden. Nach vorn tritt aus den Gefaen das Verbindungsrohr (C)mit der Toeplerschen Drucklibelle heraus.
Unten ist je ein Schliff (D) eingesetzt, durch den man in das
Innere der Gef60e gelangen kasn.
I n das eine GefA6 war der Kontakt so einzubauen, daS
er eine sehr hohe Unterbrechungszahl ermoglichte, ohne da6
dabei im GefAS Druckschwankungen auftraten. Zu diesem
Zwecke wurde in dem Sefestigungstubus (a) des Gefa6es ein
Eisenrohr eingekittet, das nach beiden Seiten mit einem Eisendeckel abgeschlossen war. Durch Durchbohrungen di'eser Deckel
wurde horizontal eine Stahlachse (P) von 9 cm Ltlnge und
S mm Dicke geftihrt und gegen die Deckel noch einmal durch
kleine Stahlscheibchen abgedichtet. In das Eisenrohr eingegossenes Quecksilber bewirkt einen absolut dichten Abschlu6
des MeBgefa6es gegen die Bu0ere Atmospure so, da0 auch
bei sehr schnellen, ruckweisen, rotierenden Bewegungen der
Achse Kommunikation xwischen innen und auSen nicht eintritt und im GefaBe Druckschwanknngen nicht zu bemerken
sind. Ubertritt des Quecksilbers wird bei sorgaltiger AchsenAihrung durch die Oberfliichenkrilfte verhindert.
Das Ende dieser Stahlachse trilgt im Innern des GteMes
einen kleinen Hebel (G) aus Stahl, .rechtwinklig zur Achee,
Offnungs- und Schlie/hngsfilnken in induktiven Stromkreisen.
99
vertikal nach oben fest aufgeschraubt. Am Ende dieses
Hebelchens ist der eine Kontaktteil, eine kleine, halbzylindrische
_ ---c
I
I
I
I
I
Fig. 1.
1
MaPstab 1 : 4.
Kuppe aus Platiniridium aufgesetzt. Der andere, gaaz gleiche
Kontaktteil sitzt obea am Ende einer harten Messingfeder (If),.
I*
100
0. E. Gunther.
die in den Schliff (2)) unten fest eingekittet ist; die Stromzufuhrung geschieht durch einen in den Schliff eingeschmolzenen
Platindraht, wahrend sie zum anderen Kontaktteil direkt durch
die Stahlachse erfolgt. Durch Drehung der Achse um kleine
Winkelbetrage kann der Strom geoffnet und geschlossen werden.
Die Schwingungszahl der Messingfeder (H) ist groB gegen die
Unterbrechungszahl des Kontaktes, so daB die Unterbrechung
sauber und prlzis vor sich geht. Das Offnen und SchlieBen
des Kontaktes wird durch einen kleinen Elektromotor vermittelt, auf dessen Achse mittels Exzenters eine Pleuelstange
befestigt ist, die mit ihrem anderen Ende einen Hebel an der
Achse des Kontaktes bewegt. Die maximale Amplitude des
beweglichen Kontaktteiles betragt etwa 4 mm. ( h e r die auf
Fig. 1 im zweiten MeBgehBe sichtbare, ahnliche Anordnung
vgl. p. 104.)
Um die Warmeverluste an die Metallteile des Kontaktes
moglichst klein zu machen, wurde bei der Wahl ihrer Dimensionen
bis auf auBerste durch Rucksichten auf die mechanische Haltbarkeit zugelassene Kleinheit herabgegangen. Platiniridium
als Kontaktmetall hat dabei neben grober Widerstandsfahigkeit
gegen mechanische Deformation und gegen Verbrennen noch
den Vorteil sehr niedriger spezifischer Warme. Auf sehr sorgfaltige mechanische Ausfiihrung der Anordnung wurde Wert
gelegt, um immer gleichen Ablauf des Unterbrechungsvorganges
herbeiznfuhren.
Zur Konstanthaltung der auBeren Temperatur konnen die
beiden MebgefaBe in den inneren Raum eines doppelwandigen,
mit Wasser gefullten Zinkblechkastens eingefiihrt werden. Es
ergab sich, daB mit fEiePendem Wasser der stadtischen Leitung
geniigend konstante Temperatur nicht erzielt werden kann; die
Tragheit der Warmekapazitat des einfach gefullten Wasserkastens ist aber so grob, daB dadurch die Temperatur wahrend
einer Messungsperiode von 3 Min. hinreichend konstant bleibt.
Forn setzt sich an die beiden aus dem Wasserkasten austretenden Rohren (C) die eigentliche MeBvorrichtung, die T o eplersche Drucklibelle an. Sie besteht aus einem unter schwachem
Winkel geknickten 3 mm weiten Glasrohr, das in einer Vertikalebene so angebraoht ist, dab seine beiden Schenkel symmetrisch
eur Vertikalen aufsteigen. Der Knickungswinkel betriigt gegen die
o f f n u n p - und Scliliepunpfunken in iriduktiven Stromkreisen.
10 1
Horizontale gemessen 5 O 50'. Als Sperrfiussigkeit der Libelle
dient in ublicher Weise ein etwa 14 cm langer Faden aus Xylol,
Die Ablesung der Verschiebung des Meniskus erfolgt auf einer
hinter dem MeBrohr angebrachten, zur Vermeidung parallaktischer Fehler auf Spiegel geiitzten Millimeterskala. Bei sehr
kleinen Ausschlagen kommt ein Mikroskop mit schwacher VergroBerung und Okularmikrometer zur Verwendung. Die Libelle
muBte vom ubrigen Apparate gesondert, erschutterungsfrei aufgestellt werden ; die Verbindung mit den beiden Ansatzrohren
erfolgte durch Druckschlauch. Man verliert dabei den Vorteil
gemeinsamer AuBentemperatur fur die ganze Anordnung, kann
aber die Libelle leicht auswechseln und Sperrfliissigkeit bequem
nachfiillen.
Die Angaben des Luftthermometers sind in geringem MaBe
abhangig von der Anfangstemperatur, dagegen unabhangig vom
Anfangsdruck.
Um die erforderliche gute Konstanz und gleichzeitig groBe
willkiirliche Veranderlichkeit der Tourenzahl des Unterbrechers
herbeizufuhren, wurde das Feld des Unterbrechermotors eines kleinen Hauptstrommotors von S i e m e n s & H a l s k e von
1/18 P. S. bei 110 Volt Betriebsspannung - fur sich kraftig
(mit 0,5 Amp.) erregt, wahrend an den Anker unter Vermeidung
von Vorschaltwiderstand eine durch Abzweigen variable Spannung
(bis 40 Volt) gelegt wurde.l) Bei sorgfaltiger Behandlung des
Kollektors gelingt es in dieser Weise, die Tourenzahl bis auf
1 Proz. konstaiit zu erhalten, wahrend sie in einem Interval1
von 1-40 Touren pro Sek. verandert werden kann.
Vom Motor wurde mit Schraube ohne Ende ein Tourenzahler betrieben, der die in bestimmter Zeit zuruckgelegte Gesamttourenzahl anxeigte. Durch den Hebel, mit dem dieser
Tourenzahler aus- und eingeschaltet werden konnte, wurde
gleichzeitig ein in den zu untersuchenden Stromkreis geschalteter Quecksilberkontakt betatigt, durch den der Strom
bei Beginn der Messung eingeschaltet wurde. Der Touren1) Ee geniigt nicht die Tourenzahl des Hauptatrommotors durch Vorschaltwiderstand herabzusetzen; achon bei 14 Touren pro Sek. bringen
dann kleine UnrcgelmiiEigkeiten, z. B. an den Bursteu Schwankungen in
der Tourenzahl bis 40 Proz. hervor.
102
0.E. Giinther.
zahler gab dann sofort die wahrend einer Messungsperiode erfolgte Anzahl von Unterbrechungen, also die Funkenanzahl an.
Um beliebig nur den Offnungs- oder nur den SchlieSungsfunken untersuchen zu konnen, wurde auf der Motorachse ein
weiterer Unterbrecher angebracht, der kurz vor oder nach
Offnung oder SchlieBung des Kontaktes im Luftthermometer
geoffnet oder geschlossen wird. E r besteht aus einer mit
Kupfer bekleideten Walze aus Vulkanfiber; auf der einen
Halfte ist das Kupfer zum Teil ausgespart, so da8 die eine
der beiden Schleiffedern, die die Stromzufuhrung vermitteln,
abwechselnd auf Kupfer und isolierender Vulkanfiber schleift.
Der Unterbrecher ist auf der Achse verdrehbar und wird derart feRtgestellt, da6 er im gewilnschten Augenblick, also vor
oder nach dem Untersuchungskontakt Offnung oder SchlieSung
besorgt.
b) Melmethode und Eichung des Apparates.
Der Apparat gestxttet es, eine beliebige Anzahl von
Offnungs- oder Schliebungsfunken (1-40 pro Sek.) im geschlossenen Raume eines Luftthermometers hervorzubringen
und die durch den Wiirmeinbalt der Funken bewirkte Druckerhohung des abgeschlossenen Luftvolumens an der Drucklibelle zu messen.
MeBbare Druckschwankungen treten bei Bewegung des
Kontaktes such bei hoher Tourenzahl nicht auf, wenn der
Strom ausgeschaltet ist. Auch die durch Reibung der Kontaktr
teile entwickelte Warmemenge bleibt uumeBbar. Bei dauernd
geschloasenem Kontakte hat die in den Kontaktteilen vom
Strom entwickelte Joulesche Warme in der Zeitdauer einer
Messungsperiode ebenfalls keinen me8baren EinfluB ; (die untersuchten Strome erreichten nur in seltenen Fallen 1 Amp.).
Der Libellenausschlag unter dem Einflusse der Funkenwarme als Funktion der Zeit ergibt eine Kurve, die mit kontinuierlich abnehmender Neigung einem bestimmten Grenzwerte
zustrebt, der durch den Gleichgewichtszustand zwiwhen der
pro Sekunde entwickelten und der abgefuhrten Warmemenge
hedingt ist. Der Libellenausschlag gibt den Druck, die mittlere Temperatur und den Warmeinhalt im MeBgefaBe zu jeder
Zeit an. Da es verhaltnismiiSig lange (5-10 Min.) dauert, ehe
ijffilunys- iind Sclilie~unpfurikenin induhtiven Stromkreisen.
103
der stationiire Zustand eintritt, mu6te darauf venichtet werden,
ihn bei den Messungen zum Grunde zu legen. Als Bestimmungsstiick fdr die Funkenenergie wurde deshalb der Libellennusschlny
nacli itnmer derselben .Zed und w a r nach 3 Min. verwendet. Der
Ausschlag deo MeSfadens hat dann schon einen Betrag erreicht,
der nahe am stationaren Zustande liegt, wahrend auBere thermische GBnge in dieser Zeit noch geniigend klein eind.
Bei konstanter Tourenzahl (etwa 14 pro Sek.) werden
Tourenziihler uncl untersuchter Strom eiogeschaltet und nach
3 Min. wieder abgeschaltet. Der Libellenrtusschlag als Funktion
der Zeit wird durch Ablesungen von 15 zu 15 Sek. aufgenommen ;
der Tourenzahler gibt die gesamte Funkenanzahl an. Der letzte
Libellenausschlag ist ein Mati der im Funken freiwerdenden
Energie, wobei die Frage noch zu beantworten ist, welcher
funktionelle Zusammenhang zwischen Ausschlag und Funkenenergie besteht.’)
Die Eichung des Apparates erfolgte durch Heizstrome,
die durch einen in clas zweite MeBgefaB eingebauten Heizdraht geschickt wurden. Kompensiert die vom Heizdrahte abgegebene Energie wahrend einer Messungsperiode vollkommen
den durch die Funkenenergie hervorgeru fenen Libellenausschlag,
so konnen, absolut gleiche Warmeableitungsverhaltnisse auf
beiden Seiten vorausgesetzt, gesamte Funkenenergie und Heizenergie als gleich angenommen werden. Die Schwierigkeit lag
in der Erzielung einer guten Kompensation, also in der richtigen Auswahl des Heizdrahtes und seiner Triiger. Diese Auswahl geschah auf empirischem Wege durch vielfache Versuche. Die wichtigsten Bedingungen sind : Verwendung eines
sehr kurzen, diinnen Heizdrahtes und Anpassung seiner Trager
in Dimension und Material an die Kontaktteile des untersuchten
Kontaktes. Ein Eisen- und ein Messingstabchen, die unten
durch ein kleines, rechteckiges Stuck Hartgummi getrennt tiind,
tragen oben je eine kleine Platiniridiumkuppe; zwischen beiden
Kuppen ist der Heizdraht aus Platin von 3,5mm Lange und
0,03 mm Dicke mit Weichlot angelotet, ziemlich straff aus1) In dieser Form wurde die Methode im Februsr 1911 der Konigl.
Skclls. Gesellschaft der Wissenschaften vorgelegt; Berichte der Gesellschaft math.-phys. Klasse 63. p. 258ff.
0.I#. Giinther.
104
gespannt, Rotglut zeigt der Dralit bei 0,64 Amp. Um die
im FunkengefaBe durch die Bewegung des Kontaktes bewirkte
Durchrlihrung der Luft auch hier einzufiihren, wurde die
Heizvorrichtung auf eine Stahlachse, die durch den Befestigungstuhus des zweiten GefaBes ( A ’ vgl. Fig. 1 ) mit
Quecksilberdichtung gefuhrt wurde , aufgeschraubt. Durch
eine Exzenterstange wurde die zweite Achse vom Unterbrechermotor in gleicher Weiae bewegt, wie die des Kontaktes.
Mit Hilfe dieser Heizvorrichtung konnte durch einen vorher richtig einregulierten Heizstrom die Funkenwirkung bis
zum Eintritte des stationaren Zustandes (also wahrend 6 Min.
und liinger) fast vollstandig kompensiert werden. Eine Anderung des Heizstromes urn etma 1,5 Proz. gibt schon eine betracbtlicbe Abweichung von der Kompensation.
Die Ergebnisse der Eichung finden sich in Tab. 1. Messung
von Strom und Spannung erfolgte mit Prazisionsinstrumenten
von S i e m e n s & H a l s k e ; die in der Tabelle gegebenen Werte
sind durch Abzug der auf die kurzen Zuleitungen entfallenden
Spannuogs- und durcli das Voltmeter gehenden Stromanteile
berichtigt. Die letzte Spalte bringt den Ausschlag der Libelle
des Luftthermometers in Nillimetern nach 3 Min.
T a b e l l e 1.
i Amp.
e Volt
0,391
0,371
0,344
0,323
0,308
0,290
0,248
0,197
0,148
0,448
0,399
0,335
0,295
0,271
0,237
0,182
0,129
0,088
.
c i
Watt
a mm
0,175
0,147,
0,115
0,09516
0,0835
0,0688,
0,0452
0,0253,
0,0130
30,5
26,l
21,8
18,4
15,3
13,2
916
58
2,7
Der Libellenausschlag a ergibt sich als proportional der
in der Zeiteinheit dem Heizdraht zugefiibrten Energie (vgl. die
Fig. 2.
Fiir I: pro Sek. dem Heizdrahte zugefiihrte Energie in Joule.
,, 11: pro Sek. entladene Kondensatorenergie in Joule. [Q,.Tourenzahl = 3 c . I?:. 1O-e.12,8].
(Widerstand vor dern Kondensator 0,105 Ohm )
c
VI
0
0.E. Giinther.
106
Unter bekannten Annahmen iiber die Abkuhlung elektrisch
geheizter Driihte') la6t sich aus der mit Hilfe des Widerstandes bestimmten Temperatur des Drahtes die bei jedem
Heizstrome von seiner Oberflache pro Zeiteinheit an die umgebende Luft abgegebene Warmemenge berechnen. Es zeigt
sich, da0 dieser Betrag bei den vorliegenden Verhdtnissen
maximal 20 Proz. der gesamten, dem Heizdrahte zugefuhrten
Energie ausmacht, wahrend der Hauptteil durch die Enden
des Drahtes und die Metalltrager fortgeleitet wird, also der
Messung im Luftthermometer verloren geht..
Durch diese Eichung mit dem Heizdraht erubrigt sich die
Kenntnis des bei bestimmtem Libellenausschlag erreichten
Druckes und des jeweiligen Warmeinhaltes des Luftthermometers sowie seiner Warmeableitungsverhaltnisse.
Zweiter Teil
Bestlmmung der Energie und des Widerstandes
von GRnungs- nnd SehlleUungsfnnken in Stromkreisen mit
Belbstindnktion nnd Kapazitgt.
a ) D e r SchlieOungefunke.
Beim SchlieBen eines Stromkreises tritt wegen des sehr
kleinen Querschnittes der Beriihrungsstelle im ersten Augenblick immer eine, wenn auch geringe Verbrennung des Kontaktmaterials anf; bei hoheren Spannungen kommt dazu eine Entladung, die schon kurz vor der Beruhrung der Kontaktteile
einsetzt, dann, wenn die Batteriespannung die Hohe des Funkenpotentials der gerade herrschenden Elektrodenentfernung erreicht. Die bei niedrigen Stromstarkcn sehr kleinen Energiemengen dieser SchlieSungsfunken werden von den Metallteilen
der Kontakte sofort absorbiert, so da6 eine Messung des
Energiebetrags mit der eben beschriebenen Methode bei Spannungen bis 75 Volt und Stromstarken bis 0,5 Amp. nicht
moglich war. Bei hoheren Spannungen und Stromstiirken
zeigen die nun allerdings merklichen Energiemengen Abweichungen bis zum zehnfachen Betrage voneinander. Mit
-
..
0. T u m l i r z u. A. K r u g , h d e r u n g des Wideretandes galvanisch
gluhender Driihte rnit der Stromstiirke, Wiener Sitzuogsber. 95. 11. p. 1014
1)
bis 1047. 1887.
offnungs- und Schliepungsfunhen in iiiduktiven Stromhreisen.
107
wachsender Stromstiirke und Spannung nehmen diese Funken
zu, eingeschaltete Selbstinduktion macht sie kleiner, weil diese
im Momente des Stromschlusses den Strom langsamer ansteigen
la6t. Da die Funken erst au6erhalb des zur Untersuchung
stehenden Gebietes meBbar werden, wurde von ihrer naheren
Untersuchung abgesehen.
Von einem im Stromkreise zur Unterdriickung des Ohungsfunkens angebrachten Kondensator wird der Schliehngsfunke
wesentlich beeinfiuBt.1)
Liegt der Kondensator parallel zur Selbstinduktion, so
tritt im Augenblicke des Stromschlusses ein Ladungsstrom auf,
der den Kondensator auf das Potential der Stromquelle zu
bringen bestrebt ist; j e mehr der Hauptstrom seinen stationaren
Zustand annimmt, desto mehr sinkt die Potentialdifferenz der
Kondensatorbelege auf den, durch den 0 h m schen Widerstand
der Selbstinduktionsspulen bedingten Bruchteil des gesamten
Spannungsabfalles des Stromkreises herab. Das oszillographische
Bild des Stromschlusses zeigt normalen Anstieg nach einer
Exponen tialfunktioo, mit der im ersten Moment ubergelagerten
Zacke des Ladungsstromes des Kondensators. Der SchlieBungsfunke wird durch diesen Ladestrom, der den Widerstand des
gesamten Stromkreises zu iiberwinden hat, nicht merklich verstirkt; Bestimmungen mit dem Luftthermometer zeigen keinen
messbaren Energiebetrag solcher Funken.
Liegt der Kondensator parallel zur Funkenstrecke, so ist
er bei offenem Kontakt auf das Potential der Stromquelle geladen. Im Augenblicke des Stromschlusses entlidt sich die in
ihm anfgespeicherte Energie durch die Kontaktstelle ; bei
kleinem Widerstande der Zuleitung des Kondeneators zur Funkenstrecke kommt es zum Auftreten eines starken Stromes
und damit zur kraftigen Funkenbildung. Diese Funken zeigen
hinreichenden Energieinhalt und gute Konstanz, so da6 sie
mit dem Luftthermometer gemessen werden konnen. Tab. 2
zeigt die Messungsresultate. Die Batterieapannung h’,,wurde
von 8-110 Volt, die Kapazitat von 0,l-31 Mikrofarad variiert.
Jeder Wert ist als Mittel aus drei Messungen gewonnen.
-
~
1) Die beim &hen auftretenden elektrischen Schwingungen mogen
beim erneuten Stromschlub abgeklungen sein.
0. L. Giintfwr.
108
T a b c l l c 2.
.
E, Volt
- .
Mikrofarad
- -.
110
63
110
37,4
46,5
63
8
25
33,2
42
50,6
55
58,9
~
0,1
2
2
12
12
12
24
24
24
24
24
24
24
31
31
31
31
8
25
37,4
46
_--
+c
__
. E i . 10.6
Joule
- .-
0,00061
0,00397
0,0121
0,00838
0,0130
0,0238
0,00075
0,00750
0,O 192
O,O? I 1
0,0309
0,0360
0,04 16
0,00099
0,0097
0,02 17
0,0329
Viirrnerneogc
pro Sek.
.
.
-_
0,0078
0,0508
0,155
0,107
0,166
0,305
0,009G
0,0960
0,169
0,270
0,393
0,460
0,53?
0,0127
0,124
0,277
0,420
Es ergibt sich Proportionalitat zwischen der im Kondensator aufgespeicherten Gesamtenergie :
Q
=
3. c . Eg * lo-" (c
KapaziGt in Mikrofarad)
und dein Libellenausechlag (I. Die gerade Linie (Kurve 11,
Fig. 2) zeigt diese Abhangigkeit; als Abszisse ist zum Vergleich
mit der Eichkurve (I) die in einer Sekunde freiwerdende Kondensatorenergie gewahlt, also Q multipliziert mit 12,8, der
Tourenzahl des Unterbrechers (Spalte 4 in Tab. 2). Die geringere Neigung der Kurve I1 gegeniiber der Eichkurve erklart
sich aus groberen Warmeverlusten beim Funken a n die Elektroden, besonders aber daraus, da6 ein betrichtlicher Teil der
Kondensatorenergie in den Zuleitungen vom Kondensator z u r
Funkenstrecke verbraucht wird. Verkndert man den Widerstand dieser Zuleitungen, so bekommt man fdr h6heren Widers t m d eine geringere Neigung der Geraden (Fig. 3).
Diese Ergebnisse zwingen zu dem Schlusse, da6 sich die
Gesamtenergie immer im gleichen Verhiiltnis auf die Zuleitungen
und auf den Funken verteilt, und damit wird die Annahme
offnungs. und Schliepungsfunken in induktiven Stromkreisen.
109
eines fur den Schliehngsfunken in dem untersuchten Interval1
konstanten Funkenwiderstandes notwendig. Der Funkenwiderstand Rt wird definiert durch die Beziehung:')
T
QF =
R d i ad t
0
=p
T
rt d t
0
wenn QF die Funkenenergie, i den Strom, r, den Funkenwiderstand als Funktion der Zeit und T die Entladungsdauer
darstellt. Dabei wird Rf als ein Ohmscher Widerstand ein-
0,1
0.2
0.3
0.4
0.5
Q,, .Tourenzahl = pro Sek. entlrrdene Gesamtenergie in Joule.
Tonrenzabl = 14,5 Sek-I.
Q,,= c . Ei
Fig. 3.
+
+
gefuhrt, durch den der Funke hinsichtlich seine8 Energieverbrauchs ersetzt gedacht werden kann.
Bezeichnen wir mit (li,+ @) den Widerstand der Zuleitungen vom Kondensator zur Funkenstrecke, wobei @ den
der direkten Meesung nicht zuganglichen Widerstand der Verbindung von Klemmen und Belegen des Kondensators darstelltJ2) mit Qs die gesamte entladene Energie, mit QF = a! Qf
-
e
1) A. J o l l o s , Jahrb. d. drahtl. Telegraphie u. Telephonie 1.
p. 233. 1907.
2) Zur Vermendung kamen technische Glimmerkondensatoren der
Firma Ernat Rubmer (Berlin); sie sind in Holzkiisten eingebaut, mit
Paraffin vergossen; Zuschaltung der Unterabteilnngen geschieht durch
Stgpeel; Priifapannung 800 Volt; die Kapazitiit konnte im Interval1 von
0,001 bie 31 M.F. vsriiert werden.
110
0.E. Giinfher.
die Funkenenergie, wobei in dem Faktor a! die Tatsache zum
Ausdrucke kommt, ds0 der Funke einen anderen Energiebetrag
an die Elektroden abgibt, als der Heizdraht, so ergibt sich der
Ansatz ;
Q, ist als Abszisse fur den gleichen Libellenausschlag aus der
Eichkurve zu entnehmen. So bekommen wir fiir einen bestirnmten Wert von Q9 aus Fig. 3 fur die vier Zuleitungswiderstande Rz vier Werte von Qp Daraus berechnen sich die
beiden Konstanten:
p = 0,017
cc = 2,13
und dann der scheinbare Funkenwiderstand Zir
Es sei
Qg = 0,419 Joule.
T a b e l l e 3.
Es ergibt sich also ein fur das nntersuchte Gebiet konstanter scheinbarer Widerstand des durch Kondensatorentladung
gebildeten Schliehngsfunkens:
R, = 0,300 Ohm (Fehler noch nicht 5 Proz.).
Durch den Faktor cc werden auch die vom Lufttherrnometer
nicht gemessenen Energieverluste des Funkens (Licht-, Schall-,
Ionisationsarbeit) beriicksichtigt. S t u f f l) gibt an, daS diese
Verluste hei geringen Vorschaltwiderstiinden bis zu 30 Proz.
der Gesamtenergie be tragen konnen. Die vorliegenden Messungen sind mit den friiheren Angaben iiber die Energie von
Kondensatorfunken *) schwer vergleichbar ; zunaclist, weil so
1) W. S t u f f , WIlrme und Energie von Kondensatorfanken. h u g . Dim Iloetock 1907.
2) Vgl. 2. B. A. Heydweiller, Ann, d. Phye. 19. p. 649. 1906.
offnungs. utid Schliejlungsfunken in induktivcn Stromkreiscn.
111
kleine Funken energetisch noch nicht untersucht worden sind l),
und dann, weil bei fester Funkenstrecke, mit der bisher immer
gearbeitet worden ist, der Kondensator nie vollkommen entladen wird.
Es gelingt also, die im ScblieBungsfunken bei einer zur
Funkenstrecke parallel liegenden Kapazitiit auftretende Energie
im absoluten MaBe aus den Stromkreiskonstanten zu berechnen :
QF = Q, * a =
3 e . ITo*. 1 0 - 0
Joule.
+
Knpazitiit in Mikrofarad; Jo Batteriespannung; (aI @)
Widerstand der Zuleitungen vom Kondensator zur Funkenstrecke; R, Funkenwiderstand = 0,300 Ohm.
F u r die benutzte Anordnung ist dadurch auch fiir die
Funkenmessung eine Eichung gefunden worden, die die Funkenenergie aus dem Libellenausschlag absolut unter Beriicksichtigung der Wiirmeverluste an die Elektroden angibt. Die
Formel lautet:
14,5
Joule,
Q F = a. 0,00082
n
c
-
~
wobei Q F die Eiiergie des einzelnen Funkens, u der Libellenausschlag nach 3 Min. in Millimeter nnd n die Tourenzahl des
Unterbrechers ist.
E s wurde nun noch bei bestimmter Spannung und Kapazitiit, aber bei verschiedenen Tourenzahlen die Energie des
SchlieBungsfunkens bestimmt. Dabei ergab sich:
Eo = 61,5 Volt, c = 15 Mikrof.,
n
(Tourenzahl pro Yek.)
12,6
8,55
4,04
a
20,7
13,9
6,7
105
n
QF
1,15
i,69
3,59
194. lo-'
192.10-4
196 * lo-'
~
Die Angaben des Apparates sind also in weiten Grenzen
von der Tourenzahl des Unterbrechers unabhiingig, ebenso wie
Energie und Widerstand des SchlieBungsfunkens von der Geschwindigkeit des Stromschlusses, die sich j a mit Anderung
der Tourenzabl dcs Unterbrechermotors ebenfalls iindert.
1) W.S t u f f 0. c.) untersucht Funken, die ihrer Energieentwickelung
nach 10-100mal so groS sind.
112
0.R Gunthet.
b) Der 6fFnungefunke (ohne KapazitHt).
Wahrend beim SchlieSungsfunken immer scharf begrenzte
Energiemengen zur VerfSgung stehen , liegen die Verhliltnisse
beim Offnnngsfunken insofern kompliziert, als die Batterie,
deren Stromkreis unterbrochen wird, eine Energiequelle von
beliebiger Ergiebigkeit darstellt, Im Offnungsfunken entladt
sich nicht nur die Energie des elektromagnetischen Feldes
sondern wahrend der Funkendauer liefert auch die Batterie
Energie in den Stromkreis und damit in den Funken, so da6
bei langsamer Stromoffnung beliebige Energiemengen im Funken
auftreten konnen. Die Funkenenergie wird damit eine Funktion
der Geschwindigkeit der Kontaktoffnung, sie ist abhangig vom
Elektrodenmaterial und umgebenden Gase nach ihrer Tendenz,
das Zustandekommen eines Lichtbogens zu fordern. Die Formulierung eines Ausdruckes far die Energie des Offnungsfunkens
wird also Kenntnis des zeitlichen 7erlaufes des Offnungsvorganges
zur Voraussetzung haben.
Zu einer Beschreibung diesesverlaufes gelangt L e o Arons'),
indem er fiir den Widerstand wahrend der Unterbrechung die
willkiirliche Funktion:
w =
tuo
1
1-t
annimmt. Der Widerstand nimmt also wahrend der Unterbrechungszeit T von wo bis a, zu. Man sieht, da0 dabei der
6ffnungsfunke als ein Lichtbogen 7 nufzufassen ist, der bei
kontinuierlich wachsender Bogenlange schlie0lich verlischt.
Eine ganz andere Buffassung vom Wesen des Offnungsfunkens vertreten J o h n s o n s ) und L a m p a . 3 J o h n s o n bekampft die Aronssche Anschauung, insbesondere die Behauptung, daB die Batterie wahrend der Funkendauer noch
wirksam sei. Beide Verfasser gehen von der Betrachtung eines
Stromkreises aus, in dem parallel zur Funkenstrecke ein Kondensator liegt. Sie berechnen die an den Belegen dieses
Kondensators beim Unterbrechen auftretende (oszillatorische)
Spannungsdifferenz und zwar so, wie wenn sich die gesamte
___ - _ _
1) L. Arons, Wied. Ann. Ot p. 177. 1897.
2) L. d r o n e gebrnucht diesen Ausdruck eelbet niclit.
8) K. R. Johnson, Ann. d. Php. 8. p. 179 u. 495. 1900.
4) A. L n m p u , Wiener Bcr. 109. IIn. p. 891. 1900; 110, p. 891. 1901.
offnungs- und Schlie/hnysfunken in induktiven Stromkreisen.
11 3
Selbstinduktionsenergie des Stromkreises zunachst in den Kondensator entladen wiirde. Ein Offnungsfunke tritt nach ihnen
dann auf, wenn das Maximum der so berechneten Spannungsdifferenz das Funkenpotential der gerade herrschenden Elektrodenentfernung erreicht; fehlt ein eigentlicher Kondensator,
so ist dafur die sehr kleine Kapazitat der Elektroden selbst
einznsetzen. Es ist zuzugeben, da0 auch diese Auffassung
unter Umstiinden den Tatsachen entsprechen kann, namlich
d a m , wenn durch sehr rapide Stromoffnung und durch die
Konstitution des Kontaktes die Ziindung eines Lichtbogens
unterdruckt wird.
Das trifft aber keinesfalls immer zu, denn sonst diirfte
die Funkenenergie niemals den Betrag der Selbstinduktionsenergie des betreffenden Stromkreises erreichen, vie1 weniger ihn
iiberschreiten. Bei normaler Stromoffnung ist im letzten Augenblicke der Trennung der Kontaktteile die Beriihrungsflache so
klein, da8 eine geniigend starke Erhitzung und damit Lichtbogenziindung zustande kommt. Die ganze Strombahn bleibt
wahrend der Funkendauer ein geschlossener Leiter. Bei zunehmender Elektrodenentfernung nimmt der Widerstand der
Funkenstrecke zu. Die Selbstinduktionsenergie entladt sich
kontinuierlich durch die leitende Strombahn , bis SchlieBlich
bei groSer Elektrodenentfernung die nachgelieferte Energie
die Leitfahigkeit der Funkenstrecke nicht mehr aufrecht erhalten kann und der Funke abreiBt. Wahrend der ganzen
Fnnkendauer liefert aber auch die Batterie des Stromkreises
Energie in den Funken. Deshalb kann die Energie von Offnungsfunken den Betrag der vorhandenen Selbstinduktionsenergie weit
iibersteigen.
P h i l i p p i lehnt in seiner Arbeitl) den Johnsonschen
Standpunkt ab, indem er den Offnungsfunken ausdriicklich
als Lichtbogen von kontinuierlich wachsender Lange auffa0t.
Mit Hilfe der Ayrtonschen Gleichung2) zwischen Spannung,
Stromstarke und Bogenlange am Lichtbogen gelangt er durch
Bestimmung der Bogenlange als Funktion der Zeit zur Be1) Vgl. p. 94 dieser Arbeit
?) H. A y r t o n , The Electric arc, London p. 205
V
=
(L
+ b 1 + --A
Annden der Physik. IV. Folge. 43.
8
0. B. Giintlier.
114
rechnung von Ausschaltkurven (i = f ( t ) ) f ur
. induktionslose
Kreise, die mit den von ihm oszillographisch beobachteten
Kurven iibereinstimmen.
Da diese Methode bei induktiven Kreisen versagtl) und
die Anwendung der A y rtonschen Gleichung bei den niedrigen
Stromstirken und Spannungen , den geringen Funkenlangen
und dem auderen Elektrodenmaterial (Platiniridium) der vorliegenden Arheit problematisch ist, mu6te hier ein anderer Weg
eingeschlagen werden.
Es wurde bei stark variierter Selbstinduktion, Stromstarke
und Spannung eine goBe Zahl von Ausschaltkurven (i = f ( t ) )
oszillographisch aufgenommen. Alle ergaben das
gleiche Bild; der Strom
fxllt vom Augenblicke der
Unterbrechung an linear
vonseinem Anfangswerte J1
1 rnm
0,000125 sec.
bis zu einem bestimmten
Fig. 4.
Werte J, ab, bei dem er
und rnit ilim der Funke plot.zlich abreiBt (&. Fig. 4).
Der Verlauf der Stromstarke beim Ausschalten wird also
dargestellt durch die Beziehung:
i = J, - a,t.
N
Die Konstante a, hiingt mit der Funkendauer und der Abrei6stromstarke J2 durch die Bezieliung zusammeu :
((
0
J;.
= J-I -I
Aus den Oszillogrammen war J , , J,, zu entnehmen und a,,
somit zu berechnen. Die Werte sind in Tab. 4 wiedergegeben.
Jeder Wert ist aus 10-20 Messungen als Mittel berechnet;
die Einzelwerte zeigen LuBerste Abweichungen bis zu 15 Proz.,
die aus den UnregelmiiBigkeiten des einzelnen Vorganges zu
erklgren sind.
Da Kontakt und Unterbrechungsgeschwindigkeit unverandert blieben, mu6 a, notwendig nur von den Konstanten
des unterbrochenen Stromkreises abhangen. Ein Versuch, die
1 ) E. P h i l i p p i gibt fur induktive Rreise noch eiae graphische
blethode an.
Offnunys- und Schliepunysfunken in induktiven Stromkreisen.
115
dafiir maBgebenden Beziehungen herzuleiten, diirfte erst bei
sehr umfassendem Beobachtungsmaterial Aussicht auf Erfolg
haben. Fur den Zweck der vorliegenden Arbeit geniigt die
Auffindung des nicht allzu komplizierten empirischen Ausdruckes:
wobei d , B, C Konstante, Ji0 die Batteriespannung, J, die
Stromstirke, Z den Selbstinduktionskoeffizienten des unterbrochenen Stromkreises darstellt. Es berechnet sich fur die
samtlichen beobachteten Werte bei Veranderung der StromkreisItonstanten in den in Tab. 4 angegebenen Grenzen:
A = 7 1 , 7 , B = 2 2 5 , C=1500.
Die Abreihtromstarke ergab sich annahernd konstant im
Mittel zu Ja = 0,130; die BuBersten Abweichungen betragen
10 Proz.
Die berechneten Werte von a, sind in Tab. 5. mit den
beobachteten zusammengestellt:
T a b e l l e 4.
._
Eo Volt
I
-
J1 = 0,500
la, ber. beob.
80
93
121
84
85
103
103
115
147
98
117
153
201
I80
I
'
0,350
ber.
beob.
69
76
92
69
87
94
114
155
80
107
133
135
82
90
I
0,269 Amp.
I
ber.
beob.
I
63
72
78
72
I
I
I
I
67
76
77
82
96
125
74
100
114
124
WBhrend der Unterbrechung gelten nun folgende Beziehungen :
Stromstiirke,
i = J1 - a,,t
di
e = Lo - L = Lo i Luo Gesamtspannung.
dt
8.
0. E. Gunther.
116
1'
-Eo 4- L*ao
r-
~ ~ - ~ , , t
el = a,(L
+ 3.t)
Funkenwiderstand,
Spannung an der Funkenstrecke,
wenn R der konstante Ohmsche Widerstand des Stromkreises ist.
Der Ausdruck fiir el findet seine Bestiitigung durch das
abgebildete Oszillogramm (Fig. 5). Die Spannungskurve zeigt
im Augenblicke der Stromoffnung den geforderten Sprung urn
L a, *), dann linearen Anstieg, bis beim AbreiBen des Funkens
die noch tibrige Selbstinduktionsenergie L J2=zum Auftreten
einer hohen ,,uberspannung" fiihrt, die sich
im Oszillogamm als
steilezacke aufzeichnet.
Strom Null
Der FunkenwiderSpannung Null
stand r f , den man hier
42 Volt
als Funktion der Zeit
O,c5 Amp
O,16 Henry
kennt, wird durch die
0 Mikr Far
gleiche Definition eingefilhrt, wie es fiir den
SchlieSungsfunken
Fig. 5.
(p. 109) geschehen ist.
lichen Aronsschen Ausdruck, der fiirEralleistFalle
dem denselben
willkiir-
+
F
zwanglaufigen Ablauf des Widerstandes vorschreibt, insofern
iiberlegen, als er den EinfluB der Funkenstrecke und der
Stromkreiskonstanten enthillt.
Die J o h n s on schen Auffassungen treffen fur das gesamte
hier untersuchte Gebiet offenbar nicht zu.
Mit Hilfe der eben gegebenen Beziehungen berechnet sich
die Funkenenergie. Die im Zeitintervall d t freiwerdende
Energie ist:
dQF = e . i d t - R i Z d t ,
d q F = (Eo La,,)(J, a , , t ) d t R ( J , a,t)'dt.
+
-
-
-
1) Fur den nbgebildeten Fnll berechnet eich dieser Sprung mit der
Beobschtung iibereinstimmend :
Eo= 42 Volt, J, = 0,45 Amp., L = 0,16 Henry,
a, = 130, L a , = 21 Volt.
Offnungs- und Schliepungsfunken in induktiven Stromkreisen.
11 7
Die Gesamtenergie ergibt sich duroh Integration von t = 0
bis t = t
Das erste Glied stellt die von der Batterie wahrend der
Funkendauer in den Stromkreis gelieferte Energie, das zweite
Glied die in der gleichen Zeit freiwerdende Selbstinduktionsenergie dar, wahrend das dritte Glied die von beiden Betragen im Widerstande des Stromkreises als Joulesche Warme
verbrauchte Energie reprgsentiert. Fiir die numerische Rechnung fuhrt man bequem den Wert von t ein:
(Eo iL .a,) J,2R -32]
4'Joule.
QF
=
a0
[-2x]
- a, [
Dieser Ausdruck gestattet es , fur beliebig vorgegebene
Stromkreisverhaltnisse die Energie des Offnungsfunkens zu
berechnen. F u r eine Reihe von Werten von E,,, L, J1 wurde
berechnet; die Werte werden durch die ausgezogenen
Kurven der Pig. 6 dargestellt. F u r die gleichen Werte wurde
ganz unabhangig davon mit dem Luftthermometer die Funkenenergie experimentell bestimmt. Dabei wurde variiert :
die Spannung von 4-110 Volt,
die Stromstarke von 0,2-1 Amp.,
die Selbstinduktion von 0,06-0,32 Henry.
Diese beobachteten Werte werden durch die isolierten
Punkte der Fig. 6 wiedergegeben. Sie liegen mit geringen
Abweichungen (Max. 15 Proz.) auf den berechneten Kurven.l)
Als Erklarung dafur, daB sie meist ein wenig unter den berechneten Werten bleiben, ist anzufiihren, daB die Formel fur
Qp die Gesamtenergie angibt, wahrend das Luftthermometer
nur die Warmewirkung mibt; auch diirften sich die Warmeverluste des Offnungsfunkens an die Elektroden, um diesen
Betrag von denen des Schliehngsfunkens, fur den die Eichformel zunachst nur gilt, unterscheiden konnen.
Aus dem Vergleiche der theoretisch berechneten und der
luftthermometrisch beobachteten Energie ergeben sich foIgende
Resultate:
QB7
1) Fig. 7 stellt nur einen kleinen Teil des gesamten beobachteten
Materials dar.
0.E. Giinther.
118
Die fur den Offnungsvorgang fur Strom und Spannung
sowie fur die Funkenenergie gegebenen Ausdriicke werden beQf
0,04
0.02
0.32 t k n r y
0,32 Henry
41,b Volt
12 Volt
0,o;
0,Ol
,
,
I
0,2
,
0.4
,
,
,
0,6
0,04
0.03
0,16 Henry
0 16 Henry
24 Y Volt
11.8 volt
0.02
0,Ol
0,W
0,03
0,Ob tienry
25 V o l t
0.06 Henry
41.6 Volt
6.02
0.01
J
,
1,
0.2
0.4
0.6 Amp
Die susgezogenen Kurven stellcn die theoretisch berechneten, die isolierten Punkte die luftthermometrisch beobachteten Werte dar.
Fig. 6.
Gffnungs- und Schliepungsfunken in inddtiven Stromkteisen.
119
stiitigt. Die (empirische) Beziehung fur u,, gilt auch noch i n
einem Gebiet, in dem der Oszillograph wegen seiner Unempfindlichkeit zur Bestimmung versagt. (Die Werte von a.
fur L = 0,06 sind nur berechnet und ergeben gleichwohl die
richtige Funkenenergie.) Die Methode der Messung mit dem
Luftthermometer ist weitaus empfindlicher als die Verwendung
des Oszillographen zum gleichen Zwecke.
Die durch Eichung mit Heizdraht und Messung der
Energie des SchlieBungsfunkens gefundene Formel fiir die
absolute Bestimmung der Funkenenergie aus dem Libellenausschlag erhalt ihre Bestatigung und wird fur den Offnungsfunken anwendbar.
c) Der dffnungefunke (mit Kapasitiit).
Durch einen parallel zum Kontakt oder zur Selbstinduktion
in den Stromkreis geschalteten Kondensator laBt sich der
Energieinhalt des Offnungsfunkens verkleinern, so daB er
bei geniigend grol3em Kondensator uberhaupt verschwindet.
Tabelle 5 bringt die mit dem Luftthermometer gemessenen
Energiebetriige von Ohungsfunken fur eine Anzahl von
Fallen mit verschiedenen J1,Bo und 5, wobei der parallel
zum Kontakt liegende Kondensator allmahlich vergroBert
wurde.
Simmt man fur die gleichen Falle oszillographisch Strom
und Spannungsverlauf auf, so findet man schon bei sehr kleinen
Kapazitaten (0,001 M.F.) ein, von dem ohne Kondensator erhaltenen wesentlich verschiedenes Kurvenbild. Der Strom fallt
dann sofort beim Unterbrechen rapid auf Null. Die Spannungskurve zeigt einen ebenso rapiden, sehr hohen Anstieg. Beide
Vorgange verlaufen schneller, als der Eigenschwingungsdauer
der Oszillographenschleife entspricht. Dieses Kurvenbild wiirde
darauf hinweisen, daB die gesamte Selbstinduktionsenergie den
Kondensator auf ladt, wahrend im Funken sehr geringe Energiemengen auftreten. Dagegen gibt die luftthermometrische Messung
bei kleinen Kapazitaten noch fast dieselbe, in manchen Fallen
sogar eine hohere Funkenenergie an, a19 oline Kapazitat (Tab. 5).
Dieser scheinbare Widerspruch erklart sich folgendermaf3en:
Der Kondensator verringert im ersten Augenblicke der Stromoffnung die Energiedichte an den Elektroden so weit, dab eine
0
2
Mikrof.
0
0.001
i
6,s
8,2
6,5
+
+
31,i
103
72
19
6,6
+
8,2
8,2
8,2
9,8
-
Tabelle 5.
+
+
I
597
+
880
+
+
208
107 224
74
31
90
9,0 29
970
8,2
8,2
-
-.
122
114
64
32
17
7,4
322
208
124
58
38
6,O
+
690
225
123
82
6,5
7,4
9,0 47,5
- - - -8,2
-
3Y1
227
121
56
24
8,2
+
- -
80 190 360
41
67 140
24
42
82 142
9,8 19
45
90
6,2
7,8 16,4 16,4
6,6
6,6
6,6
8,2
6,6
7,4
- - _ - - -
33 120 228 350
53
33
83
52
6.5
96
30
31
50
76
18
15
32
50
15
8.2 10,7 13
8,2
6,6
-
7,4
-
7,4
-
7,4
-
7,4
-
8,2
-
8,2
-
+
98 180 280
25
29
44
74 180
24
42
61
82
10,7 21
45
60
8,2
9,8 23
45
7,4
8,2
9,LI 33
9,s
8,2
+
64 140 300
33
64 130
38
28
72 130
11
18
53 110
7,4
6,6 16,4 17
6,6
6,6
8,2
8,2
774
230 475 815 I121 260
114 206
201
104 181 485
.58 103
64 109 198
27
53
- 29
19
57
8,2 16,4 74
6,5
6,6
- _ 9 33 - _
- 19
7,4
5,8
6,O
7,4
-
- .-_ _ _ _ ~
25,s Volt
42,O Vo-1;
63,O Volt
0,250 0,350 0,500 0,650 3,250 0,350 0,500 0,650 10,250 0,350 0,500 0,650 0,250 0,350 0,500 0,650
-
80 170
62 115
37
60
16,4 34
5
6,6
5
5,s
49 110 250 395
31
58 143
85 126
25
41
11
23
68
99
16,5
6,6 16
7,4
6,6
9
6,6
6,5
6,6
8,2
6,6
6,6
8,2
7,4
7,4
6,6
7,4
8,2
-
24
61 140 190
43
29
84 179
24,5 4 1
62 107
39,5 67
9,s 22
9,0 12,3 48,5
8,2
24,6
9
7,4
-
I 1 0 5 194 408 730
107
LOO 185 320
101
55,9 92,9 175 267
88
28,7 50 101 168
33
- 9 57 - 7,4
7,4 14,s 49
8,4
- - - 9,8 7,4
7,4
6,5
_
46
31
24
11,5
6,6
6,6
-
-
-
33 105 190
43,5 62 143
43,5 62
75
45
62
22
31
43
15
9,0 29
12.3
12,3
8,2
8,2
8,2
7,4
7,4
-
16,4
24,5
24,5
12,3
10
8,2
7,4
7,4
+
Ampbres
0,32 Henry
0,16 Henry
0,057 Henry
Energic von i)ffnungsfunkeu; Kapazitiit paralle eur Funkenstrecke.
Angegeben ist: Q&,.1(
Die mit
bezeichneten W e r t e konnten wegen schr heftiger, stoliweifler Entladung-nicht abgelesen werden.
Berechriung von Q, erfolgte nach der Formel: Q
, = 0,00082. a Joule. - Werte uber 300 wurden durch Extrapolation
des Libellenausschlages a nach 3 Min. aus einem nach 1-2 Min. eingetretenen Libellenausschlag crhalten.
Offiiungs- find Schlie/hiigsfunken in induktiven Stromkreisen.
12 1
Lichtbogenzundung unterbleibt. Der Strom wird also rapid
unterbrochen und die nun plotzlich insgesamt freiwerdende
Selbstinduktionsenergie fuhrt zum Auftreten so hoher Spannungen am Kondensator, da0 das Funkenpotential der gerade
herrschenden noch kleinen Elektrodenentfernung erreicht wird
und so nachtraglich ein Funke zustande kommt. Wahrend
also der Offnungsfunke ohne Kapaziat durch starke Erhitzung
der bei kleinem Querschnitte sich noch beflhrenden Elektroden
eingeleitet wird und somit als eine Lichtbogenentludung mit
zeitlich zunehmender Bogenlange aufgefa0t werden mu0, wird
durch eine bestimmte, relativ kleine Kapazitiit diese Entladungsform unterdruckt, und an ihre Stelle tritt eine mine
Eunkenentladung, die durch das Auftreten sehr hoher Spannung
bei ganz geringer Stromstiirke besonders aber dadurch charakterisiert wird, dab die Entladung erst einsetzt, wenn die Elektroden einen zwar kleinen, aber immerhin endlichen Abstand
erreicht haben. Da diese Entladungsform moglicherweise mit
sehr geringer Schwingungsdauer oszillatorisch verlauft, spricht
der Oszillograph auf sie nicht mehr a n , wahrend gleichwohl
im Bunken relativ hohe Energiebetrage auftreten k8nnen. Diese
Auffassung wird weiter dadurch gestutzt, daB die Funkenenergie
mit Kapazitat (Tab. 5 ) fast gar nicht von der Spannung
B,,, sondern nur noch von der Selbstinduktionsenergie
L . J I 2 abhangt, so da0 sie fur die Falle der Tabelle mi
0,001 M. F. ziemlich genau numeriech diesen Betrag erreicht.
AuBerdem treten an Stelle der ruhigen Entladungen ohne
L * J I 2 so
Kapazitat bei kleinen Kapazitaten und hohem
heftige, sto0weise Entladungen auf, da6 sie mit dem Luftthermometer nicht mehr gemessen werden konnen (in Tab. 5
mit + bezeichnet). Auch durch blo0es Betrachten der Erscheinung kann man feststellen, da0 an Stelle der glanzend
wei0en lichtbogenahnlichen Offnungsfunken ohne Kapazitat
plotzlich bei einer bestimmten Kapazitht rotlich leuchtende
Entladungen, ahnlich den Funken eines Induktoriums, sich
ausbilden. Ein kleiner Lichtbogen tritt allerdings neben dem
Funken immer auf, denn auch durch sehr gro0e Kapazitat
liz0t sich der Offnungsfunke nie vollkommen unterdrijcken. Die
,,kritische Kapazitat", bei der der Ubergang von Lichtbogenzu Funkenentladung bemwkbar wird, liegt etwa bei
M.F.
+.
+.
0. E. Gunther.
122
1st die Kspazitat groBer, so trifft die Johnsonsche Anschauung vom Offnungsfunken zu; es ist aber nicht zulassig,
mie J o h n s o n es tut, dieselbe Auffassung einfach auf den
Funken unterhalb der ,,kritischen Kapazitat" auszudehnen.
F a r einen Kondensator, der die Ziindung eines Lichtbogens unterdruckt, wird der Spannungsverlauf beim Offnen
durch den Ausdruck gegeben:
E:=
(1)
-.C .EoR . 6
e-at
sin p t
Das Spannungsmaximum:
tritt nach der Zeit:
B
t =B1 arctang a
(3)
ein. Natilrlich braucht nicht , wie ,J o h n s o n annimmt , dieses
Maximum Em erreicht zu werden, damit Funkenentladung ein-
Funkenpotentials der
gerade herrschenden
Elektrodenentfernung
erreicht. Bei groBer
~ p a n n u n gNUII
Kapazitiit steigt die
42 Volt
Spannung so langsnni
0,45 Amp.
0,16 Henry
an, daB dieser Fall
2 Mikr Far.
iiberhaupt nicht einFig. 7.
tritt, dann unterbleibt
ein Funke. Fig. 7 zeigt
das Oszillogramm eines solchen Vorganges, mit den dabei
auftretenclen (durch Formel 1 beschriebenen) stark gedampften
Schwingungen.') Kennt man die Elektrodenentfernung als
LL
~
1)
J1 = 0,45 Amp.;
C = 2 M. F.;
E, = 42 Volt;
Em =
L = 0,16 Henry;
125 Volt (nach 3 ber.).
offnungs- und Schlie/lungsfunRen in induktiven Stromkreisen.
123
Funktion der Zeit, sowie das zu jeder Entfernung gehorige
Funkenpotential, so kann man mit Hilfe des Ausdruckes (1) die
Entladungsspannung und den Zeitpunkt des Eintritts der Entladung angeben. Wieviel nun aber von der gesamten Energie
durch die Funkenstrecke entladen wird, das diirfte nicht einfach zu berechnen sein.
Dagegen gelingt es, die Kapazitat anzugeben, bei der die
Funkenentladung gerade unterbleibt. Die Beziehung zwischen
Funkenpotential P und Elektrodenentfernung s ist linear:
(s in mm; V in Volt),
P = 1200 + 3600s I ) .
(4)
s als Punktion der Zeit ist fur den fraglichen Kontakt zu bestimmen ; ist c die Trennungsgeschwindigkeit der Elektroden,
so ist s = c t , wobei c fur die kleinen Zeiten, die bis zum
Eintritt der Funkenentladung verflieSen, als konstant angenommen werden kann. Aus der Tourenzahl des Motors nnd
den Ubersetzungsverhaltnissen berechnet sich fur die vorliegende
Also:
Anordnung c = ll-.imm.sec-’.
(5)
V = a + b t = 1200 + 410000t.
Schneidet diese gerade Linie die durch (1) dargestellte Kurve,
so tritt ein Funke auf; aus einer Bedingung dafur, daB die
beiden Kurven sich nicht mehr schneiden, ergibt sich eine
Gleichung far die Kapazitat, die die Funkenentladuog gerade
unterdruckt. Statt (1) miissen wir die allerdings nur grobe
Naherung verwenden
Aus Gleichsetzung von (5) und (6) folgt eine quadratische
Gleichung fur die Abszisse t des Schnittpunktes beider Kurven.
Das Verschwindeu i h e r Diskriminante gibt die gesuchte Bedingung dafur, daB (5)Tangente von (6)wird:
(7)
Damit finden wir die Kapazitat, bei der der Funke gerade
nicht mehr auftritt:
-
J. J. T h o r n s o n , Conduction of electricity through Gases, Sec.
Ed. Cambridge. p. 440 11. 466. 1906.
1)
124
0.E. Gunthet.
(das positive Wurzelzeichen ergibt negatives t).
Grenzfalle berechnet sich der Wert von Cm:
E,
L
F u r zwei
110 Volt J , = 1 Amp. E, = 10 Volt J1 = 0,3 Amp.
= 0,5 Henry B = 110 Ohm 1; = 0,l Henry R = 33 Ohm
Cm = 0,2 M.F.
Cm= 0,9 M.F.
=
Bei der Unsicherheit des Ausdruckes (5) konnen diese Resultate
(vgl. Tab. 5) immerhin befriedigen. Da (5) nur gilt, wenn s
schon merkliche Bruchteile eines Millimeters betragt, was fur
die eben berechneten grol3en Kapazitiiten (CJ zutrifft , ist es
nicht zulassig, damit das Entladungspotential fiir sehr kleine
Kapazitaten zu berechnen.
Liegt der Kondensator parallel z u r Selbstinduktion , so
wird bei kleinen Kapazitaten die Kapazitat der Zuleitungen
von den Kondensatorplatten zu den Elektroden merklich ins
Gewicht fallen; direkte Messungen der Funkenenergie ergeben
demgemaI3 bei kleiner Kapazitat etwas niedrigere Werte a19
fur die andere Schaltung (Tab. 5). F u r groI3ere Kapazitaten
verschwindet diese Abweichung immer mehr und da die
Kapazitiit, die den Funken zum Verschwinden bringt, beiden
Schaltungen gemeinsam ist, kann von der Angabe der fur
diese zweite Schaltung ausgefiihrten Messungen abgesehen werden.
D ritte r Teil.
Technische Anwendongen.
a) Funkenenergie und Eontakteeretorung.
Betrachten wir den Ubergangswiderstand der Beruhrungsflache eines Kontaktes als Ma6 fur seine Gute, so finden wir
einen funktionellen Zusammenhang zwischen Funkenenergie
und Kontaktzerstihmg, wenn wir die Widerstandszunahme,
die am bestiindig arbeitenden Kontakt durch Oxydation bei
bestimmter Funkenenergie eintritt, a19 Punktion der Zeit bestimmen. Zur Verwendung gelangte ein Hammerkontakt aus
gehartetem Stahl, da sich hier Oxydationswirkung bei geniigender mechanischer Widerstandsiahigkeit relativ rasch zeigt.
Durch einen kleinen Motor kann der Kontakt 2-4 Ma1 pro
Sek. unterbrochen werden. Die Widerstandsbestimmung, die bei
geschlossenem Kontakte zu erfolgen hat, geschah durch Messung
ijff,uiigs- und SchliePungsfunken in induktiven Stromkteisen.
125
von Strom und Spannung mit dem Oszillographen, weil die
MeBinstrumente wegen der kurzen, ftir eine Messung zur Verfiigung stehenden Zeit nur geringe Tragheit besitzen diirfen.
Die Spannungsschleife ist mit hohem Vorschaltwiderstand
parallel zum Kontakte geschaltet; da sie fur die sehr geringen
Spannungsdifferenzen bei geschlossenem Kontakt empfindlich
eingestellt werden muS, bei offenem Stromkreis aber die gesamte Batteriespannung am Kontakt liegt, wird sie durch
einen Hilfskontakt erst angelegt , wenn der Hauptkontakt
Fig. 8.
schon geschlossen ist und wieder abgenommen, ehe die
Offnung des Hauptkontaktes erfolgt. Der Hilfskontakt wird
durch ein passend eingestelltes Quecksilberniveau gebildet,
in das im richtigen Augenblicke vom Unterbrechermotor ein
Platinstift eingedrnckt wird. Durch dauernde photographische
Registrierung der Ausschlage der Oszillographenschleifen erhalt
man die Widerstandsanderung fortlaufend aufgezeichnet und
ein Bild von den UnregelmaBigkeiten des ganzen Vorganges.
Fig. 8 zeigt ein solches Photogramm. Der Vorgang ist
0.E. Guntlter.
126
von rechts nach links zu lesen; die Nullinien zeichnen sich
in der Mitte als kraftige schwarze Striche auf. Im Anfang ist die (polierte) Beruhrungsflache des Kontaktes noch
metallisch blank. Der Ubergangswiderstand und damit die
Spannung ist niedrig. Bei allmahlicher Bildung einer Oxydschicht wird der Widerstand gro0er, die Spannung nimmt
zu, der Strom nimmt ab (im abgebildeten Beispiel nur wenig,
da der Widerstand des Stromkreises relativ groll war). Hat
sich eine merkliche Oxydschicht einmal ausgebildet, so wird
die Tendenz zur Lichtbogenbildung und damit die Energie der
Offnungsfunken erhoht, und es tritt plotzlich starke Widerstandszunahme auf; dann zeigen sich kraftige wei0lich leuchtende Funken an Stelle der kleinen blaulichen Fknkchen bei
frisch poliertem Kontakte. Ein bestimmtes Maximum des
Widerstandes wird schliefilich nicht uberschritten, da der
Kontakt selbst die neugebildeten Osydteilchen beseitigt.
T a b e l l e 6.
-~
Henry
Volt
QF
Joule
-.- _- -
.
0,32
i
110
II
so
40
0,17
88
0,12
0,060
@,15
0,11
0,07
0,lO
1%
240
145
150
340
175
300
0,07i
0,052
24
I
0,16
I
,\l
. -.
- --
0,087
I38
0,064
so
0,078
0,083
400
162
210
40
0,052
310
12
( QF
.
*
h;)
-
.
15
22
14
22
16,5
24
17,5
25
31
25
13
17
16
Fur eine Beziehung zwischen Funkenenergie uncl Kontaktzerstorung ist die Zeitdauer, nnch der die plotzliche Widerstandszunahme eintritt, wichtig, da der Kontakt wahrend dieser
Zeit noch gut ist u:id nachher auch eine andere Funken-
fjffnungs- und SchIiePungsfunken in induktiven Stromkreisen.
127
energie auftritt. Die fragliche Zeitdauer wird bis zum Eintritte
des Wendepunktes der Spannungskurve gerechnet. Die Ergebnisse der Messungen finden sich in Tab. 6. Spalte 2 gibt
die Betriebsspannung, Spalte 3 die unterbrochene Stromstarke.
QF ist die nach der im Teile I1 Absch. b gegebenen Formel berechnete Funkeneuergie. Die Formel gilt nicht ohne weiteres fur
einen Stahlkontakt; doch zeigten oszillographische Aufnahmen,
daf3 die Energiebetriige wenigstens der GroBenordnung nach
richtig sind. Nr ist die Funkenzahl bis zum plotzlichen Eintritte
der Kontaktverschlechterung (also bis zum Wendepunkte der
Spannungskurve Fig. 8); sie la& sich aus den Photogrammen
bequem abzahlen.
Die letzte Spalte bringt das Produkt Q F . N r , die gesamte
bis zum Eintritte der Kontaktverschlechterung aufgewendete
Energie; sie kann
als geniigend
genugend kon- "" T
stant betrachtet wer- 5oo
den, wenn man die
5
durch kleine, LuBere '"0
Zufalligkeiten hervorgerufenen Unregelmaf3igkeiten des *O0
regelmaf3igkeiten
ganzen Vorganges
,oo
bedenkt. In Fig. 9
ist Nf als Funlition
von QF zusammen
mit der aus dem
MittelwertQF.Nf= 19
berechneten Hyperbel eingetragen. Damit ergibt sich: Zerstorung des Kontaktee tritt durch kraftige Oxydbildung und
damit verbundene Widerstandserhohung der Ubergangsfllche
ein, wem das Produkt aus Funkenanzahl und Funkenenergie
einen bestimmten konstnnten Wert erreicht hat.
Diese Aussage gilt nur fir 0ffnun.pfunken mit Lichtbogencharakter. F u r Offnungsfunken, bei denen eine Kapazitiit zur
Funkenstreclie parallel geschaltet ist, wo also reine Funkenentladung auftritt, kann die Beziehung nicht gepriift werden,
da in diesem Falle Berechnung der Funkenenergie nicht
moglich ist. Nimmt man an, da6 die Werte der Tabelle 5
,,,
128
0.E. Guniher.
f-dr die Funkenenergie auch fur den Stahlkontakt gultig sind,
so ergibt sich ein um den zwei- und mehrfachen Betrng groBeres
als der Beziehung a,.&,= 19 entsprechen wurde. Reine
Funkenentladung wirkt demnach auf den Kontakt weniger
stark zerstorend, als Lichtbogenentladung.
Aus dem gleichen Grunde tritt auch beim Schliepungsfunken eine Widerstandserhohung am Kontakte nicht auf.
Auch wenn der Kontakt tagelang mit einem durch hohe Betriebsspannung und groBe Kapazitiit parallel zur Funkenstrecke erzeugten SchlieBungsfunken gelaufen war, konnte eine Widerstandsanderung nicht gemessen werden. Da hier die Elektroden noch wtihrend der Entladung zur Beriihrung kommen,
werden sie leicht zusammengeschweiSt und bei der Offnung
wieder gewaltsam auseinandergeriseen. Die Berlihrungsflachen
zeigen sich dann nicht wie beim Offnungsfunken mit schwarzlich
brauner Oxydschicht bedeckt , sondern metallisch rein, allerdings nicht mehr poliert glanzend, sondern aufgerauht , matt
grau schimmernd und nur am Rande von einem Oxydringe
umgeben.
Wahrend also der SchlieBungsfunke, wenn man Widerstandserhohung der Kontaktflache als schadliche Funkenwirkung betrachtet , weniger gefahrlich ist, als der Offnungsfunke, wird er durch direkten Verbrauch des Kontaktmaterials
nachteilig. -
L?,
b) FunkenlGechung durch Kondensatoren.
Fig. 10 gibt die Anderung der Funkenenergie ale Funktion der parallel zum Kontakte geschalteten Kapazitat fur
einen bestimmten Fall. Die Kurve wurde mit dem Luftthermometer ohne Trennung von Offnungs- und SchlieSungsfunken aufgenommen. Der erste, rasch abfallende Teil wird
durch Abnahme des Offnungsfunkens, der zweite geradlinig
ansteigende Teil durch Zunahme des SchlieBungsfunkens erklkt.
Es zeigt sich das schon (p. 96) erwahnte Minimum, und da der
Offnungsfunke durch Oxydationswirknng, der SchlieBungsfunke
durch Verbrauch des Kontaktmaterials schadlich wirkt , ist es
wiinschenswert, fur beliebigen Stromkreis die Grolle des Kondensators zu kennen, der dieses Minimum herbeifuhrt. Auf
richtige Auswahl dieses Kondensators braucht wegen des flachen,
offnungs- und SchliePzingsfunRen in induktiven Stromkreisen.
129
weit ausgedehnten Minimums iibertriebene Sorgfalt nicht verwendet zu werden , besonders nicht bei niedriger Betriebsspannung. Wegen des langsamen Anstiegs nach dem Minimum
ist es giinstiger, den Kondensator, etwas zu gr06, als ihn zu
klein zu wahlen.
Man berechnet zunachst die QroBe des Kondensators, fir
den der 6ffnungsfuuke theoretisch gerade verschwindet.
Die Konstante I (in dieser Arbeit b = 410000), die von
der Geschwindigkeit der Kontaktoffnung nbhangt, ist dabei fur
jeden Kontakt in einfacher Weise zu bestimmen. Der Wert
von a bleibt immer
a = 1200.
Dieser Kondensator
wird einen nicht sehr
betrachtlichen SchlieBungsfunken nach sich
ziehen; immer wird
man damit sehr nahe
das Minimum der Gesamtenergie herbeifdhren , da auch der Offnungsfunke nie
ganz verschwindet (p. 121).
Die am Kondensator auftretende maximale Spannungsdifferenz la0t sich naherungsweise nach der Formel:
berechnen; erscheint sie noch bedenklich gro0, so kann man
sic durch einen gro0eren Kondensator erniedrigen. Damit
vergroBert man allerdings den Energieinhalt des SchlieBungsfunkens. Diesen Nachteil kann man vermeiden, wenn man
einen induktionsfieien Widerstand in die Zuleitungen des
Kondensators zum Kontakte einschaltet. Dadurch erniedrigt
man die Energie des SchlieBnngsfunkens (also die Neigung des
Aonalcn der Phyalk. IV. Folge. 42.
9
130
0. E. Giinther.
zweiten Teiles der Kurve Fig. 10: vergl. auch p. 108 und
Fig. 3 der Arbeit). Der Energieinhalt des Ohungsfunkens wird,
wie lufttlierrnometrische Messungen ergaben, durch einen solchen
Widerstand bis zu 100 Ohm nicht verandert; erst bei betrschtlich groBeren Widerstanden zeigt sich eine Zunahme des
Offnungsfunkens. Die Berechnung des notwendigen Widerstandes HLerfolgt nach der Beziehung:
QP
=
!j
c Eo2* 10-’
(p. 111 d. Arb.)
(I+$)
wobei f i r QF der Wert zu setzen ist, den man fur die
Energie des SchlieBungsfunkens noch zulassen will, wahrend
= 0,3 Ohm den Funkenwiderstand darstellt.
Alle Bedenken wegen des SchlieBungsfunkens fallen weg,
wenn man den Kondensator parallel zu den Induktionsspulen
des Stromkreises legen kann. Die Schaltung parallel zur
Funkenstrecke ist rationell, wenn die Selbstinduktion iiber den
ganzen Stromkreis verteilt ist.
Der durch einen hiernach berechneten Kondensator funkenfrei gemachte Stahlkontakt, der zu den Messungen des vorangehenden Abschnittes verwendet wurde , zeigte nach einer
Woche stiindigen Betriebes nicht die geringste Widerstandszunahme der Beriihrungsflachc, wiihrend for den gleichen
Stromkreis oline Kondensator nach wenigen blinu ten kraftige
Oxydbildung a m Kontakt auftrat. Die Untersuchung anderer Hilfsmittel zur Funkenlijschung
(Polarisationszellen usw.) sei spiiteren Arbeiten vorbehalten. SehlnU.
Zum Schlusse seien die wichstigsten Resultate der Arbeit
kurz zusammengestellt:
1. Es wird eine Methode angegeben, die Energie sehr
kleiner Offnnngs- und SchlieBungsfunken direkt luftthermometrisch im absoluten MaBe zu bestimmen.
2. E s wird ein Ausdruck abgeleitet, der es gestattet, die
Energie von Sciilie~un,~sfu~itken
bei einer zur Funkenstrecke
nffnunp- und Schliepungsfiinken in induktiven Stromkreisen.
13 1
parallel geschalteten Kapazitat aus den Stromkreis-Konstanten
in Ubereinstimmung mit den direkten luftthermometrischen
Messungen zu berechnen. Die Energie ergibt sich als proportional der gesltmten entladenen Kondensatorenergie, und
diese erscheint immer derart auf den Funken und den Widerstand der Zuleitungen verteilt,, dab man zur Annahme eines
konstanten Funkenwiderstandes gelangt.
3. Fiir den Offnungsfunken (ohne besondere Kapazitat im
Stromkreise) wird auf Grund oszillographischer Aufnahmen
eine Formulierung des Verlaufs von Strom und Spannung an
der Funkenstrecke und damit dos Funkenwiderstandes als
Funktion der Zeit gefunden. Das fuhrt zu einer Bestimmung
der Gesamtenergie des Offnungsfunkens aus den Konstanten
des Stromkreises, ebenfalls iibereinstimmend mit den luftthermometrischen Messungen.
4. Es wird die Veranderung, die die Energie des Offnungsfunkens durch eine zur Funkenstrecke parallel geschaltete
Kapazitiit erleidet , bestimm t. Auf Grund einer Vergleichung
der direkten energetischen mit den oszillographischen Un tersuchungen ergibt sich die Folgerung: Der gewohnliche Offnungsfunke ist bei Abwesenheit eines Kondensators und bei nicht
zu rapider Stromoffnung als eine Lichlbogenentladung aufzufassen. Ein parallel zur Funkenstrecke geschalteter Kondensator unterdriickt das Zustandekommen eines Lichtbogens ; dafiir tritt schon bei sehr kleinen Kapazitaten eine reine Funkenentlaifuny auf. Mit Hilfe dieser Anschauung 6ndet sich ein
Ausdruck, der es gestattet, fur beliebigen Stromkreis angenahert
die Kapazitat zu berechnen, bei der der &€nungsfunke gerade
verschwindet.
5. Es wird eine einfache Beziehung zwischen Funkenenergie und Kontaktzerstorung aufgefunden : Eine plotzliche , sehr starke Widerstandserhohung durch Oxydbildung
am Kontakte tritt ein, wenn clss Produkt aus Funkenznlil
und Energie des einzelnen Funkens, also die insgesamt
aufgewendote Funkenenergie, einen bestimmten Wert iiberschreitet.
6. E s werden die Beziehungen angegeben, nach denen die
Berechnung der richtigen Dimensionen eines Kondensators
9'
132
0. E. Gunlher. dffnungs- und Scliliepungsfiinken
U.W.
erfolgen kann, der fur beliebigen induktiven Schwachstromkreis
die Funkenbildung am Kontakt unterdruckt.
Es sei mir gestattet, auch an dieser Stelle Hrn. Prof. Dr.
W i e n e r fur das Interesse, dall er der Arbeit entgegenbrachte
und die Liebenswurdigkeit, mit der er die Institutsmittel zur
Verfiigung stellte, Rowie Hm. Prof. Dr. S c h o l l , der durcli
seinen stiindigen , wertvollen Rat die Arbeit fiirderte, meinen
ergebensten Dank auszusprechen.
L e i p z i g , Physik. Institut der Universitat.
(Eingegangen 12. Mai 1913.)
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