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In allen in Kap. II genannten Punkten verhält sich der Hochstromkohlebogen anders als der Niederstrombogen. Ein wesentlicher Teil der Entladung findet nicht in Luft, sondern im Dampf des Anodenmaterials statt. Der Materialverlust erfolgt nur bei der Negativkohle, und auch da nur bei Stromstärken unter 300 Amp., durch chemischen Abbau, bei der Positivkohle dagegen ganz überwiegend durch Verdampfung, und diese Verdampfung erweist sich als grundsätzlich wichtig für den Mechanismus des Hochstromkohlebogens.

Die Stromdichte im negativen Brennfleck erreicht mit mindestens 5000 Amp./cm2 den zehnfachen Wert von der des Niederstrombogens.

Die Stromdichte an der Anode kann bis etwa 400 Amp./cm², d.h. ebenfalls auch das zehnfache der normalen anodischen Stromdichte des Niederstrombogens, gesteigert werden; die der Anode dadurch zugeführte Energie wird zu einem wesentlichen Teil zur Verdampfung des Anodenmaterials aufgewandt.

Der Mechanismus der Bogensäule bleibt zwar grundsätzlich der gleiche; doch bewirkt die bei Stromstärken über 100 Amp. einsetzende Kontraktion der Bogensäule eine ganz beträchtliche Steigerung der Stromdichte (bis etwa 3000 Amp./cm2) und damit der Säulentemperatur, die in der Achse 1oooo°K überschreitet. Die Verhältnisse vor der Anode liegen wegen der Störung durch die Anodenverdampfung völlig anders als beim Niederstrombogen.

Das gleiche gilt für die Bogenstrahlung, die zum ganz überwiegenden Teil nicht mehr von den festen glühenden Elektroden stammt, sondern von den hoch erhitzten Dämpfen vor dem positiven Krater. Deren Beitrag nimmt mit der Strombelastung stark zu und bewirkt Kraterleuchtdichten bis maximal 200.000 Stilb.

Ein eigentliches Zischen tritt beim Beckbogen auch bei Überlastung nicht auf, falls der Bogen nicht bei zu tiefem Krater am Homogenkohlemantel ansetzt. Im Gegensatz zur fallenden Stromspannungskennlinie des Niederstrombogens ist schließlich die Charakteristik des Hochstromkohlebogens steigend, seine Brennspannung nimmt also mit wachsender Stromstärke zu.

Abb. 1 und 2 zeigen zwei Bilder des voll entwickelten Hochstromkohlebogens. Die kontrahierte Bogensäule wird von den Lichtbogentechnikern ihres Aussehens wegen vielfach als „negative Stichflamme bezeichnet, die Dampfwolke vor dem positiven Krater Anodenflamme, positive Flamme und im speziellen Fall des Beckbogens auch Beckflamme genannt.

Das den Strom leitende Stück der Anodenflamme zwischen dem positiven Krater und der Berührungsstelle zwischen positiver Flamme und kontrahierter Säule gehört physikalisch zur Bogensäule und wird von uns „turbulente Säule" genannt (vgl. Abb. 3).

Bevor wir im einzelnen auf die Figenschaften des Hochstromkohlebogens und seiner Strahlung eingehen, sei hier zum besseren Verständnis unter Vorwegnahme der im folgenden noch zu besprechenden experimentellen und theoretischen Ergebnisse kurz skizziert, wie wir uns die bei Steigerung der Strombelastung erfolgende Umwandlung des Niederstrombogens in den Hochstromkohlebogen denken. Dabei sprechen wir zunächst nur vom Gleichstrombogen und gehen erst S. 20 auf den mit Wechselstrom betriebenen Hochstromkohlebogen ein.

Bei der oben erwähnten Normalbelastung der Anode von etwa 40 Amp./cm2 wird der Siedepunkt des Anodenmaterials im allgemeinen noch nicht erreicht. Bei Steigerung der Belastung breitet sich der anodische Ansatz des Bogens bei konstant bleibender Stromdichte solange weiter aus, bis die gesamte Anodenstirnfläche von ihm ausgefüllt ist.

Bei noch weiterer Steigerung der Strombelastung bestehen für den Bogen nun zwei Möglichkeiten. Er kann entweder von der Stirnfläche der Positivkohle auf die Mantelfläche übergreifen und bleibt dabei, physikalisch betrachtet, ein Niederstrombogen (z. B. Abb. 4).

Oder die Stromdichte an der Anodenstirnfläche, dem positiven Krater, wächst über den Normalwert hinaus. Infolge der dadurch verursachten größeren Energiezufuhr steigt dann die Kratertemperatur rasch bis zum Siedepunkt, und bei weiterer Vergrößerung der Stromdichte setzt eine stürmische Anodenverdampfung ein.

Diese Bogenform zeigt Abb. 5. Durch einen weiter unten im einzelnen zu behandelnden Vorgang werden die vom positiven Krater abströmenden Anodenmaterialdämpfe im Anodenfall auf eine Temperatur von 6000 — 8000°K je nach der Natur des Dampfes und der Strombelastung erhitzt und senden mit entsprechend großer Intensität die ihnen eigentümlichen Spektren aus.

Handelt es sich bei den Dämpfen im besonderen um solche des Cer's (Anmerkung : CER ist ein Metall aus der Gruppe der seltenen Erden.), dessen Atom im gesamten sichtbaren Spektralgebiet ein äußerst gleichmäßiges, linienreiches Spektrum besitzt, so strahlt die Anodenflamme ein intensives fast weißes Licht aus, und wir sprechen speziell vom Beckbogen.

Mit steigender Strombelastung wächst nun auch die sekundlich verdampfende Menge des Anodenmaterials und damit die Längsausdehnung der Anodenflamme. Die zur Verdampfung und zur Erhitzung des Anodenmaterialdampfes erforderliche Energie wird von den im Anodenfall beschleunigten Elektronen geliefert; die mit der Stromstärke zunehmende Verdampfung führt daher über einen noch zu behandelnden Mechanismus zu einer Steigerung des Anodenfalls mit der Stromstärke und bewirkt damit die Zunahme der Bogenspannung mit wachsender Stromstärke. Die steigende Charakteristik des Hochstromkohlebogens ist also, wie wir im einzelnen nachweisen werden, durch einen anomalen, mit der Stromstärke zunehmenden Anodenfall bedingt.

Unabhängig von diesen für den Mechanismus des Hochstromkohlebogens entscheidenden anodischen Vorgängen, die nur von der anodischen Stromdichte und nicht von der absoluten Stromstärke abhängen, sind die die Bogensäule und den kathodischen Bogenansatz betreffenden Hochstromerscheinungen, die sich bei Stromstärken über 80 Amp. zu entwickeln beginnen und bei etwa 130 Amp. voll ausgebildet sind.

Oberhalb 80 Amp. beginnt sich nämlich die beim Niederstrombogen einigermaßen ausgebreitete und strukturlose Bogensäule langsam in einen Entladungsschlauch umzubilden, die oben erwähnte kontrahierte Bogensäule, die als Ort der höchsten direkt zugänglichen bisher bekannten Temperatur besonderes Interesse besitzt.

Gleichzeitig zieht sich auch der kathodische Brennfleck zusammen, was zu recht komplizierten kathodischen Vorgängen Anlaß gibt, auf die wir im einzelnen ebenfalls später eingehen.

Die hier skizzierten Vorgänge sind nach unsern Untersuchungen grundsätzlich von der Art des Anodenmaterials unabhängig. Im besonderen zeigt also auch ein Lichtbogen zwischen homogenen, reinen Kohleelektroden bei genügender anodischer Belastung (im normalen Sprachgebrauch Überlastung) alle typischen Erscheinungen des Hochstromkohlebogens einschließlich der steigenden Charakteristik, wenn auch die physikalischen Verhältnisse hier wegen der mit dem Zischen verbundenen Vorgänge merklich verwickelter liegen.

Daß die typischen Hochstromeigenschaften des überlasteten Homogenkohlebogens früher nicht bekannt waren, ist nämlich wohl daraus zu verstehen, daß die älteren Untersuchungen nach dem Einsetzen des störenden Zischens zu bald abgebrochen und nicht weiter verfolgt worden sind.

Der Homogenkohle-Hochstrombogen, dessen äußeres Bild Abb. 5 wiedergibt, zeigt nämlich zusätzlich zu den besprochenen Erscheinungen den bis vor kurzem unerklärten Effekt des Zischens, auf den wir S. 41 noch ausführlich zurückkommen. Die Anodenflamme des Homogenkohle- Hochstrombogens besteht aus Kohlenstoffdampf und besitzt, da dieser im sichtbaren Spektralgebiet nur wenige Banden emittiert, nur eine relativ geringe Leuchtdichte (vgl. S. 66).

Einen wenigstens zeitweise nicht zischenden Hochstrombogen mit einer überwiegend Kohlenstoffdampf enthaltenden Anodenflamme erhält man bei Verwendung von positiven Reinkohlen, deren Docht lediglich aus Kohlepulver mit gewissen Binde- und Beruhigungsmitteln besteht. Lichttechnisch von besonderem Interesse dagegen ist nur der oben bereits erwähnte Hochstrombogen mit positiver, die Salze des Cers und anderer seltener Erden enthaltender Dochtkohle, weil er weißes Licht höchster Leuchtdichte ergibt.

Diese Sonderform des Hochstromkohlebogens wird zu Ehren ihres Entdeckers Beckbogen genannt. Die typischen Erscheinungen des Hochstromkohlebogens erhält man aber mehr oder minder ausgeprägt auch mit Dochtkohlen jeder beliebigen Zusammensetzung ebenso wie mit positiven Kohlen, die vollständig aus Dochtmasse bestehen, den sog. Nurdochtkohlen. Für die Fülle der Einzelheiten sei auf die Originalarbeiten (u. a. 13, 14) verwiesen.

Der Hochstromkohlebogen bietet also praktisch die Möglichkeit, feste Stoffe jeder Art, in den positiven Docht eingebracht, zu verdampfen und auf Temperaturen bis über 7000°K zu erhitzen.

Es versteht sich von selbst, daß die erwähnten Dochtkohlen stets als positive Kohlen verwendet werden, da ja in erster Linie die Anode des Hochstromkohlebogens verdampft und ihr Dampf zum Leuchten angeregt wird. Die Negativkohle ist für den anodischen Mechanismus ohne Bedeutung, hat dagegen großen Einfluß auf die Stabilität und Ruhe des ganzen Bogens.

Die Form des positiven Kraters des Hochstromkohlebogens ist bei Homogenkohlen und Dochtkohlen sehr verschieden. Bei ersteren kann man von einem eigentlichen Krater kaum sprechen: die Stirnfläche der positiven Kohle bleibt nahezu eben. Das gilt speziell für homogene Dochtkohlen (Nurdochtkohlen) und erklärt sich dadurch, daß die gesamte Anodenstirnfläche annähernd gleich schnell verdampft.

Lediglich bei sehr hoher Belastung bildet sich auch bei Homogenkohlen ein flach muldenförmiger positiver Krater aus, dessen Tiefe aber nur etwa 1/5 des Kraterdurchmessers erreicht.

Eine Sondererscheinung beobachtet man an der Stirnfläche der Positivkohle beim zischenden Homogenkohle- Hochstrombogen: hier bleibt in der Mitte oft eine kleine Spitze stehen. Die Erscheinung wurde von Schlüge (89) bei der Untersuchung der Zischvorgänge aufgeklärt und kommt dadurch zustande, daß beim zischenden Bogen die Entladung sich auch vor der Anode kontrahiert und ihr Flußpunkt die Anodenstirnfläche periodisch, aber unter Vermeidung der Anodenmitte, überstreicht.

Bei sehr starker Überlastung verschwindet bei Koks- und Rußkohlen (dagegen im allgemeinen nicht bei Graphitkohlen) auch diese Vermeidung der Mitte der Anodenstirnfläche und es bildet sich auch bei homogener Positivkohle der eben erwähnte flache Krater aus.

Beim Hochstromkohlebogen mit positiver Dochtkohle, z. B. beim üblichen Beckbogen, entwickelt sich stets ein ziemlich tiefer Krater, weil das Dochtmaterial leichter verdampft als das Kohlematerial des Mantels.

Beim Niederstrombogen, d. h. bei geringer Anodenbelastung, spielt die Verdampfung gegenüber dem echten Abbrand nur eine sehr geringe Rolle und betrifft in erster Linie das leichter verdampfende Dochtmaterial. Da der Sauerstoff der Luft aber an den außen frei liegenden glühenden Mantel ungehindert herankann, brennt dieser normalerweise so schnell ab, daß nur ein ziemlich flacher Krater resultiert.

Je mehr mit steigender Belastung aber die Verdampfung gegenüber der Verbrennung an Bedeutung gewinnt, um so tiefer höhlt sich der positive Krater.

Bei den bisher üblichen positiven Beckkohlen, bei denen der Dochtdurchmesser etwa halb so groß ist wie der Kohledurchmesser, erhält man bei der für den Beckbogen normalen technischen Belastung von 100 Amp./cm² eine Kratertiefe, die bis zur Hälfte des Kohledurchmessers beträgt; bei starker Belastung kann die Kratertiefe den Wert des Dochtdurchmessers erreichen, in seltenen Fällen auch überschreiten.

Geht man mit der Belastung noch höher, so erfolgt ein explosionsartiges Abschleudern ganzer Teile des Kraterrandes, das zu einer Verminderung der Kratertiefe führt, die nach Messungen von Baldewein (2) mit einer Verminderung des relativen Anstiegs der Leuchtdichte mit der Belastung verknüpft ist. Abb. 52 zeigt nach Baldewein den Verlauf der Kratertiefe und zum Vergleich den der Leuchtdichte und des positiven Abbrands für eine 13mm Beckkohle mit 6,5mm Docht bei Stromstärken zwischen 150 und 400 Amp. Die Kratertiefe erreicht hier 9mm, um bei weiter steigender Belastung wieder auf 5mm abzunehmen.

Beim Wechselstrom-Beckbogen hat Haury (25) die Abhängigkeit der Kratertiefe von der Belastung genau untersucht und findet eine etwa quadratische Zunahme der Kratertiefe mit der Stromstärke bis zum vollentwickelten Beckeffekt (vgl. S. 31). Bei höherer Belastung nimmt die Kratertiefe wesentlich langsamer zu, u. a. weil der Abbrand der Kraterränder auch in der Dunkelperiode infolge der Aufheizung durch die Anodenflamme der anderen Kohle andauert.

Man hat früher geglaubt, daß ein sehr tiefer Beckkrater eine notwendige Voraussetzung zur Erzielung höchster Leuchtdichten sei, weil der leuchtende Dampf im Krater zusammengehalten würde und man nur so eine genügend große ausnutzbare Schichtdicke erreichte.

Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Vorstellung vom Zusammenhalten des Dampfes zwar richtig ist, daß ein sehr tiefer Krater aber einmal lichttechnisch beträchtliche Nachteile besitzt (Unmöglichkeit der Ausleuchtung von Spiegeln mit großem Öffnungswinkel), und daß Dochtkohlen, die ja allein einen tiefen Krater ergeben, anscheinend weniger stark belastbar sind als Nurdochtkohlen oder Dochtkohlen mit sehr dünnem Mantel. Während erstere, wie erwähnt, kaum einen eigentlichen Krater ergeben, hängt die Kraterbildung der Dochtkohle von der Manteldicke ab.

Da das äußerste Kohlenende in einer Länge von 10—30mm (je nach Kohlendicke usw.) im Betrieb stets kräftig glüht, findet hier an der Mantelfläche stets eine wirkliche Verbrennung statt. Bei geeigneter Manteldicke (1—2mm) kann man so erreichen, daß an der Anodenstirnfläche der Mantel eben durch seitliches Abbrennen (auch Abzundern genannt) aufgezehrt ist, so daß solche Kohlen sich in ihrer Kraterbildimg wie Nurdochtkohlen verhalten. Sie besitzen gegenüber jenen aber den Vorteil, daß die Kohle bis zur Stirnfläche einen dünnen Mantel besitzt, der das störende seitliche Austreten von Leuchtsalz an dem glühenden Kohleende verhindert.

Das allgemeine Aussehen der für den Hochstromkohlebogen charakteristischen Anodenflamme geht aus den Abb. 1, 2, 5 und 6 hervor. Der anodenseitige Ansatz der positiven Flamme steht stets auf der Anodenstirnfläche bzw. der den positiven Krater begrenzenden Ebene senkrecht.

Die Richtung der Flamme und ihr weiterer Verlauf wird vorwiegend durch den Impuls des Anodendampfstrahls und das Eigenmagnetfeld des Bogenstroms bestimmt, denen gegenüber der thermische Auftrieb der erhitzten Dämpfe nur eine ganz untergeordnete Rolle spielt.

Das erkennt man z. B daran, daß der umgekehrt angeordnete Bogen, dessen Anodenflamme der Auftriebsrichtimg entgegen nach unten zeigt, sich in seiner Ausbildung von dem normalen nicht merklich unterscheidet.

Die Anodenflammenneigung ist also wesentlich durch das Eigenmagnetfeld des Bogensstroms bestimmt, sofern sie nicht durch äußere Magnetfelder oder starke Luftströme absichtlich aus ihrer Richtung abgelenkt wird. Auf diesen Fall kommen wir später zurück.
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Die Beckflamme zeigt im allgemeinen eine recht scharfe Grenze gegen die umgebende Luft (Abb. 1 u. 2), während diese äußere Begrenzung bei der Anodenflamme des Reinkohle- Hochstrombogens, des Homogenkohle- Hochstrombogens und anderer Docht-Hochstrombögen merklich diffuser erscheint. Eine gesicherte Erklärung dieses Unterschiedes liegt noch nicht vor. Sicher ist nur, daß die auffallende Diffusität der Begrenzung der Anodenflamme des ja stets zischenden Homogenkohle-hochstrombogens, wie vor allem Zeitlupenaufnahmen von Schlüge (89) deutlich zeigen, darauf beruht, daß hier ein zeitliches Mittel zahlreicher mit einer Frequenz von etwa 2.000 Hz erfolgender Dampfausbrüche beobachtet wird.

Die Länge der Anodenflamme hängt, wie von uns in (15) behauptet, von der Menge des je Kraterflächeneinheit und Sekunde verdampften Dochtmaterials ab und wächst proportional zu dieser. Da die je Flächeneinheit sekundlich verdampfende Menge auch die Geschwindigkeit der vom positiven Krater abströmenden Anodendämpfe bestimmt, besteht auch ein linearer Zusammenhang zwischen der Anfangsgeschwindigkeit der Anodendämpfe und der Anodenflammenlänge, den Abb. 7 nach Messungen von Rohloff (78) aus dem Seeligerschen Institut zeigt.
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Nach unseren Beobachtungen scheint die Länge der Anodenflamme unter sonst gleichen Bedingungen aber auch noch von der Leuchtsalzkonzentration im Docht abhängig zu sein. Da diese die Dichte der Leuchtzentren im Anodenflammenplasma bestimmt, und da die Abkühlung des Plasmas überwiegend durch Strahlung erfolgt und damit ebenfalls von der Dichte der Leuchtzentren abhängt, scheint es uns verständlich, daß wir bei Verwendung niedrig gesalzener Positivkohlen lange Anodenflammen geringer Leuchtdichte, bei hochgesalzenen Kohlen dagegen relativ kurze Anodenflammen großer Leuchtdichte beobachten.
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Daß die Leuchtdichte der quer beobachteten Anodenflamme vom anodischen Ansatz zur Spitze hin abnimmt, ergibt sich nach unserer S. 166 zu behandelnden Deutung schon aus der Tatsache der fortschreitenden Abkühlung. Rohloff (78) hat in einer noch zu besprechenden eingehenden Untersuchung den Temperaturverlauf längs der Anodenflamme unter gewissen Annahmen direkt bestimmen können. Er hat auch charakteristische Unterschiede zwischen der Anodenflamme des Beckbogens und der des überlasteten, aber infolge von Dochtzusätzen nicht zischenden Reinkohlehochstrombogens festgestellt.

Er hat ferner wohl zuerst darauf hingewiesen, daß der gleich noch zu behandelnde, vom Bogenstrom durchsetzte anodennahe Teil der Anodenflamme durch den Strom noch aufgeheizt wird und daher (jedenfalls beim Beckbogen) an der Stromeintrittsstelle eine erhöhte Leuchtdichte aufweisen soll. Ob das stets der Fall ist, scheint uns noch nicht geklärt.

Die Farbe der Anodenflamme ist durch das Spektrum der emittierenden Dämpfe bestimmt, in geringem Maße ferner von deren Temperatur abhängig. Um den Bogen und die Flamme herum bildet sich die gelegentlich aus mehreren farbigen Säumen bestehende "Bogenaureole" aus, die durch die verschiedenartigsten chemischen Prozesse zwischen den in der Flamme dissoziierten Atomen und Radikalen, sowie zwischen diesen und den Molekülen der umgebenden Luft in diesem Gebiet abnehmender Temperatur zustande kommt.

Es sei schon hier darauf hingewiesen, daß die spektroskopische Untersuchung dieser Säume manchen Schluß auf die dort ablaufenden Prozesse ermöglichen wird. Auch Kondensations- und Schwadenbildungsvorgänge finden an der äußeren Begrenzung und besonders an der Spitze der Anodenflammen nicht selten statt und können besonders bei hochgesalzenen Beckkohlen zu störenden bräunlichen Verfärbungen des Kraters und der Beckflamme führen, die im einzelnen noch nicht aufgeklärt sind.

Wichtig scheint schließlich noch die von Seeliger und Franzmeyer (91) durch Strömungsversuche mit Rauchfäden festgestellte Tatsache, daß die Anodenflamme nur von einer ganz dünnen, praktisch laminar strömenden Luftschicht umgeben ist, in der die Geschwindigkeit und die Temperatur sehr schnell auf die Werte der ruhenden Luft abfallen. Die Anodenflamme scheint demnach ein weitgehend für sich strömendes, abgeschlossenes Ganzes zu sein, was ihre theoretische Behandlung sehr erleichtern kann.
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Bei dem noch zu behandelnden Wechselstrombogen treten, wie stroboskopische Beobachtungen von Haury und dem Verfasser (25) besonders schön zeigten, zwei Anodenflammen auf, die im Rhythmus der Wechselfrequenz abwechselnd aus den beiden Kratern her vor schießen.
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