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Jetzt sind Sie im extrem technisch wissenschatlichen Bereich angekommen. Hier wird es sehr anspruchsvoll vom Verständnis und vom Durchblick.
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Da jeder elektrische Lichtbogen in erster Linie einen Elektrizitätsleitungsvorgang in einem hocherhitzten Gas (Plasma) darstellt, bildet die Messung der Abhängigkeit der Bogenspannung von der Stromstärke die Grundlage jeder physikalischen Untersuchung des Bogens.

Da beim Hochstromkohlebogen diese elektrische Charakteristik ferner recht genaue Schlüsse auf die Abhängigkeit der Bogenstrahlung von der Stromstärke erlaubt, ja die lichttechnischen Eigenschaften jeder Kohlesorte weitgehend aus ihrer I-U-Kennlinie abgelesen werden können, kommt den Charakteristiken auch ein direktes technisches Interesse zu.

Bei der Messung von Stromspannungskennlinien des Hochstrom-kohlebogens sind eine Anzahl von Vorsichtsmaßregeln zu beachten, wenn man reproduzierbare, richtige Werte erhalten will.

Erstens sind Bogenlänge und Kohlenstellung sehr genau festzulegen und konstant zu halten, da schon geringe Veränderungen der Kohlenstellung die Brennspannung im allgemeinen merklich verändern. Dabei muß zunächst deutlich klargestellt und in jedem Fall angegeben werden, was man unter der Bogenlänge versteht.

Im allgemeinen rechnet man diese von der negativen Spitze bis zur Mitte der Stirnfläche der Positivkohle, so wie sie in der Seitenprojektion des Bogens erscheint und daher leicht einstellbar und meßbar ist. Bei dieser üblichen Definition der Bogenlänge schwankt die effektive, bis zum Kratergrund zu rechnende Bogenlänge aber recht erheblich mit der Kratertiefe, was bei der Auswertung zu berücksichtigen ist.

Beim üblichen Beckbogen z. B. täuscht eine mit wachsender Strombelastung leicht zu beobachtende Kratervertiefung um 5mm bei konstant gehaltener äußerer Bogenlänge einen Anstieg der Brennspannung um 7—8 Volt vor, der in Wirklichkeit nur auf der Vergrößerung der effektiven Bogenlänge beruht.

Wegen der noch zu besprechenden Empfindlichkeit des Bogens gegenüber selbst geringen magnetischen Feldern sind bei exakten Messungen zweitens die mit verschiedenartigen Lampen ermittelten Werte nicht immer gleich, so daß für spätere Kontrollen und Vergleiche auch die Lampe, an der gemessen wurde, angegeben werden muß. Wolff (unveröffentlicht) hat wohl zuerst auf diesen Punkt deutlich hingewiesen.

Drittens muß der Bogen vor der Messung eines Wertepaares von Stromstärke und Spannung solange bei der betreffenden Stromstärke gebrannt werden, daß ein stationärer Brennzustand mit Sicherheit erreicht ist. Die hierzu erforderliche Einbrennzeit beträgt je nach der Belastung bis zu mehreren Minuten. Sie ist dadurch bedingt, daß zu jeder Belastung ein bestimmter, sich erst langsam ausbildender Krater und ein gewisses Gleichgewicht zwischen Dochtverdampfung und Diffusion des Leuchtsalzes aus dem Dochtinnern an die Krateroberfläche gehört.

Röntgendurchleuchtungen gebrannter Beckkohlen von Neukirchen bei den Ringsdorff-Werken zeigten, daß die Dicke der durch Herausdiffundieren des Leuchtsalzes verarmten Dochtschicht im Kratergrund mit der Stromstärke zunimmt und mehrere Millimeter betragen kann.

Als vierte Voraussetzung der Messung richtiger Kennlinien muß darauf geachtet werden — und dazu gehört einige Übung! —, daß der Bogen als richtig ausgebildeter Hochstromkohlebogen gleichmäßig an der Stirnfläche der Positivkohle ansetzt und nicht auf die Seitenflächen des Kohlemantels übergreift, weil das eine Verminderung der Stromdichte an der Stirnfläche und damit eine Veränderung aller anodischen Eigenschaften ergeben würde.

Beim Beckbogen mit positiver Dochtkohle ist es besonders wichtig, daß der Bogen gleichmäßig in den Krater einmündet, da nur dann eine gleichmäßige Dochtverdampfung als Grundlage aller übrigen Eigenschaften des Beckbogens gesichert ist. Schon ein geringes seitliches Ansetzen des Bogens an einer Mantelseite kann eine erhebliche Störung bewirken, die sich in der Regel als plötzliche Spannungsabsenkung bemerkbar macht.

Das gleiche ist der Fall, falls Dochtfehler (sehr selten!) eine gleichmäßige Verdampfung verhindern. Nur wenn alle diese Punkte peinlich genau beachtet werden, verdienen also Beckbogen-Messungen einiges Zutrauen.

Es ist von Seeliger (unveröffentlicht) vorgeschlagen worden, statt der üblichen Messung der Kennlinien mit jeweiligen Einbrennenlassen des Bogens, jeden Punkt gesondert unter gleichen Bedingungen aufzunehmen. Seeliger löscht dazu nach jeder Messung den Bogen und feilt die Positivkohle glatt ab, zündet dann und mißt nach einer automatisch festgelegten Einbrennzeit von z. B. einer Minute. Seeliger hat nach persönlicher Mitteilung mit dieser Methode gut reproduzierbare, auf einer glatten Kurve liegende Werte ohne die Notwendigkeit der Mittelbildung über eine große Zahl von Meßwerten erhalten, während der Verfasser (13) wegen der unvermeidlichen Bogenschwankungen und Dochtinhomogenitäten zur Sicherung seiner Ergebnisse für jede Kennlinie mindestens 300 Meßpunkte aufgenommen und aus ihnen die Kennlinie durch Mittelbildung gewonnen hat.

Man sollte aber annehmen, daß Bogenschwankungen und Dochtinhomogenitäten auch bei Seeligers Methode eine Streuung der Meßpunkte hervorrufen müßten. Außerdem scheint die automatisch konstant gehaltene Einbrennzeit vor jeder Messung bedenklich, falls sie nicht so groß gewählt wird, daß der stationäre Zustand bei jeder Stromstärke mit Sicherheit erreicht ist.

Man mißt nun stets zusammengehörige Werte der Stromstärke und der an den Klemmen der Bogenlampe abgegriffenen Bruttobrennspannung. Aus diesen Werten zeichnet man gewöhnlich die Kennlinie des Bogens, und die meisten in der Literatur zu findenden Kennlinien beziehen sich auf diese Bruttobrennspannung, die in technischer Beziehung auch das größte Interesse besitzt.

Physikalisch aber interessiert mehr der Spannungsabfall im Bogen selbst ohne den in der Bruttobrennspannung enthaltenen Spannungsabfall in den Kohlen. Letzterer hängt bei verkupferten Kohlen von der Länge der Kohlenspitzen, von denen der Kupferüberzug abgeschmolzen ist, sowie von deren Glühzustand ab.

Auch der Übergangswiderstand zwischen den Stromzuführungen und den Kohlen kann, wenn der Strom bei unverkupferten Kohlen schleifend zugeführt wird, eine Rolle spielen. Der Verfasser hat deshalb (13) zur Messung des Spannungsabfalls zwischen Klemmen und Kohlenspitzen zunächst die sog. Kontaktmethode benutzt, bei der jeweils nach Messung einiger Stromspannungswerte am Bogen die Kohlen schnell bis zu fester Berührung zusammengeschoben und dann wiederum Klemmspannung und Stromstärke abgelesen wurden.

Division beider Werte ergab den jeweiligen Elektrodenwiderstand, der bei Messungen an verkupferten Beckkohlen von 5—16mm Durchmesser zwischen 0,20 und 0,04 Ohm lag, aber natürlich stark von der der Betriebsstromstärke richtig anzupassenden Verkupferung abhängt.

Daraus folgt, daß bei einer Stromstärke von 200 Amp. und einer Bruttobogenspannung von 80 Volt der Spannungsabfall an den Kohlen leicht 20 Volt = 25% der Bruttospannung betragen kann!

Unreduzierte Kennlinien, wie sie in älteren Arbeiten häufig ohne nähere Angaben zu finden sind, haben daher für die Diskussion der physikalischen Verhältnisse im Bogen praktisch keinen Wert.

Zur Sicherung der durch die beschriebene Kontaktmethode ermittelten Spannungsabfälle in den Kohlen hat Haury (25) in unserem Institut Sondenmessungen herangezogen, indem er mit Kupfersonden die Kohlen hart am Brennrand berührte und so nach Wunsch den Spannungsabfall in den Kohlen oder die reine Brennspannung des Bogens direkt ermittelte.

Das Ergebnis dieser Sondenmessungen stimmte mit dem unserer Kontaktmethode bestens überein.

Alle in diesem Abschnitt mitgeteilten Kennlinien sind in dieser Weise reduziert, geben also Brennspannungswerte des reinen Bogens. Arbeitet man aber direkt mit Sonden, so ist es einfacher, die tatsächliche Bogenspannung direkt durch Berührung beider Kohlenspitzen mit den Kupfersonden, zwischen denen das Spannungsinstrument liegt, zu messen (24, 25).

Die Reduktion der bei konstanter scheinbarer (äußerer) Bogenlänge gemessenen Brennspannungswerte auf solche für konstante effektive Bogenlänge ist bisher nie durchgeführt worden, weil der Spannungsabfall im Dampf des Kraters unbekannt ist und nur mit einer gewissen Willkür aus der Kratertiefe und dem Säulengradienten in der turbulenten Säule errechnet werden könnte. Diese Reduktion kann andererseits bei geringer äußerer Bogenlänge und großer Kratertiefe von entscheidender Bedeutung sein, da z. B. bei einem von Haury und dem Verfasser (25) untersuchten Wechselstrom-Beckbogen von 5mm äußerer Bogenlänge die effektive Bogenlänge infolge der bei beiden Kohlen stattfindenden Auskraterung 15mm betrug.

Es wäre aber andererseits noch zu diskutieren, ob diese größte Bogenlänge vom einen zum anderen Kratergrund überhaupt die physikalisch sinnvollste Bogenlänge darstellt oder nicht ein Mittelwert zwischen ihr und der äußeren Bogenlänge. Hier herrscht also noch einige Unsicherheit.

Die erreichbare Genauigkeit bei der Aufnahme von Stromspannungskennlinien dürfte etwa ±0,5 Volt betragen. Auf gelegentliche viel größere Abweichungen von den Kennlinien, die stets physikalische Ursachen haben, kommen wir bei der Besprechung der Ergebnisse zurück.

Die in der beschriebenen Weise bestimmten Kennlinien aller Hochstromkohlebögen zeigen, unabhängig von den noch zu behandelnden, durch die spezielle Dochtsubstanz bestimmten Erscheinungen, alle das gleiche Verhalten.

Nach einem anfangs angenähert hyperbolischen Abfall, der bekannten fallenden Charakteristik, durchlaufen die Kennlinien ein Minimum, um dann mehr oder weniger steil anzusteigen. Die Steilheit des Anstiegs hängt von der Dichte und Härte des Materials der Positivkohle und von deren chemischer Zusammensetzung ab.

Der Anstieg ist beim zischenden Homogenkohlebogen nur gering (Beispiel Abb. 12, gleichzeitig den Einfluß verschiedener Negativkohlen zeigend), kann aber beim Beckbogen mit "Cerfluorid" im Docht den 7fachen Wert erreichen (13). (Anmerkung : Cer(III)-fluorid ist ein Salz des Seltenerd-Metalls Cer mit Fluorwasserstoff.)

Dabei ist der Anstieg bei Beckbögen verschiedener Dochtzusammensetzung um so steiler, je stärker ihr Abbrand mit der Stromstärke zunimmt und je stärker gleichzeitig die Strahlung des Anodenflammenplasmas mit der Strombelastung wächst. Dieser Zusammenhang zwischen Bogenspannung, Abbrand der Positivkohle und Bogenstrahlung wird uns in der Folge noch häufiger begegnen. Er zeigt sich auch bei den seltenen Dochtfehlern.

Ändert sich nämlich infolge eines Fabrikationsfehlers die Eigenschaft des positiven Dochtes in solcher Weise, daß der Abbrand (d. h. die Dochtverdampfung) plötzlich zurückgeht, so sinken gleichzeitig Brennspannung und Bogenstrahlung mit ab. Bezüglich der zu den verschiedenen Brennformen der verschiedenen Hochstromkohlebögen gehörenden Kennlinien und aller Einzelheiten muß auf unsere Arbeit (13) verwiesen werden.
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Alle eben geschilderten allgemeinen Ergebnisse gelten auch für den am besten untersuchten (und technisch wichtigsten) Beckbogen. Hier ist ferner die Steilheit der steigenden Kennlinie um so größer, ein je tieferer Krater sich ausbildet. Ob dieser Befund allein davon herrührt, daß bei starker Dochtverdampfung, die ja an sich eine steile Kennlinie ergibt, infolge der Kratervertiefung nur die effektive Bogenlänge zunimmt, oder ob eine direkte Kraterwirkimg etwa infolge Zusammendrängung des in den Krater eintretenden Elektronenstroms hinzukommt, ist bisher nicht bekannt.

Abb. 13 zeigt einige Kennlinien eines Beckbogens von 6mm äußerer Bogenlänge bei koaxialer Kohlenstellung für verschiedene Durchmesser der Positivkohle. Ihre auffallendste Eigenschaft ist die Knickstelle, die jede Kennlinie zeigt.

Beobachtet man den Beckbogen gleichzeitig in der Seitenprojektion, so bemerkt man beim Überschreiten der Knickstromstärke den sog. Beckeffekt, d. h. das Erscheinen einer leuchtend weißen Zunge vor dem Krater. Unter Berücksichtigung aller unserer sonstigen Kenntnisse vom Beckbogen läßt sich der Knick der Kennlinie und das mit ihm gekoppelte Auftreten des Beckeffekts am zwanglosesten durch die Annahme deuten, daß bei der Stromstärke der Knickstelle im Kratergrund die Siedetemperatur des Leuchtsalzes erreicht wird.

Oberhalb dieser Stromstärke haben wir eine sehr starke Docht-Verdampfung, durch die der gesamte Bogenmechanismus vor dem positiven Krater in noch zu besprechender Weise so verändert wird, daß die Bogenspannung plötzlich um mehrere Volt steigt. Daß es sich dabei wirklich um ein mit dem Auftreten der leuchtenden Dampfwolke gekoppeltes Ansteigen der Brennspannung um mehrere Volt handelt, wurde durch sorgfältige Beobachtungen gesichert.

Dabei gelang es z. B. durch langsames Steigern und späteres entsprechend vorsichtiges Absenken der Stromstärke, eine Art von Hysteresis (Anmerkung : Die Hystereschleife ist beim Magnetismus sehr bekannt) zu finden, d. h. gemäß Abb. 14 Punkte niedriger Spannung ohne weiße Zunge bei Stromstärken oberhalb des normalen Knickpunkts und umgekehrt Punkte hoher Spannung mit weißer Zunge unterhalb der normalen Sprungstromstärke zu beobachten.

Nach unserer Deutung scheint dieser Befund verständlich: Bei vorsichtiger Steigerung der Stromstärke erhalten wir offenbar eine Art von Siedeverzug, während bei langsamer Erniedrigung der Stromstärke von hohen Werten her die Siedetemperatur erst später als normal unterschritten wird.

Zwischen den Kennlinien gleichartiger Hochstromkohlebögen von verschiedenem Durchmesser der Positivkohlen bestehen (13) gesetzmäßige Zusammenhänge, die sich in Form eines näherungsweise gültigen Ähnlichkeitsgesetzes formulieren lassen.

Wir bezeichnen dabei zwei Bögen als ähnlich, wenn sie an einander entsprechenden Punkten die gleiche Temperatur besitzen. Nach unserer Deutung des Beckeffekts würden also die in Abb. 13 dargestellten 4 Beckbögen bei den Stromstärken ihrer Knickpunkte als ähnliche Bögen zu bezeichnen sein. Aus allen unseren Messungen von Stromspannungskennlinien wie von Leuchtdichtekurven usw. (vgl. S. 67) folgt nun die angenähert schon aus Abb. 13 zu entnehmende Beziehung, daß bei gleicher Kohlensorte und ähnlichen Bögen die Stromstärke dem Durchmesser der Positivkohle proportional ist.

Die Proportionalitätskonstante wollen wir den Belastungsfaktor nennen. Dann können wir z. B. sagen: Für die in Abb. 13 dargestellte Kohlensorte RW Sola Effekt 134 erhält man die Siedetemperatur des Leuchtsalzes, d.h. den Beckeffekt, bei einer Stromstärke, die gleich dem Positivkohlendurchmesser multipliziert mit dem Belastungsfaktor 5,5 ist.

In ähnlicher Weise können wir später einen Belastungsfaktor zur Berechnung der Stromstärke angeben, die eine vorgegebene Leuchtdichte ergibt.

Allgemein gilt also für ähnliche Hochstromkohlebögen in einem nicht zu weiten Durchmesserbereich näherungsweise, daß die Stromstärke gleich dem Belastungsfaktor multipliziert mit dem Durchmesser der jeweiligen Positivkohle in Millimetern ist.

Diese Proportionalität der Stromstärke zum Durchmesser der Kohle ist selbst als erste Näherung recht erstaunlich, da theoretisch die Stromdichte die entscheidende Größe sein sollte und man daher eine Proportionalität zum Querschnitt der Kohle erwartet hätte.

Da ähnliche Bögen nach unseren Messungen bei Bezug auf gleiche effektive Bogenlänge auch gleiche Bogenspannungen besitzen, bedeutet das Ähnlichkeitsgesetz eine Proportionalität der Energiezufuhr (Stromstärke mal Spannung) zum Anodendurchmesser.

Infolgedessen muß im stationären Gleichgewicht bei gleicher Temperatur auch der Energieverlust des Bogens dem Anodendurchmesser proportional sein. Das wäre angenähert der Fall, wenn man den Bogen als einen Zylinder gegebener Länge auffassen dürfte, dessen Energieverlust durch Wärmeleitung wie durch Strahlung der Zylinderfläche und damit dem Durchmesser proportional wäre (13).

Für die Wärmeleitung ist das sicher der Fall, für die nach S. 55 rund 70% betragende Abstrahlung aber nur dann, wenn der Bogen wenigstens in den hauptsächlich emittierten Wellenlängen wie ein schwarzer Strahler strahlte.

Wir müssen also die angenäherte Gültigkeit des Ähnlichkeitsgesetzes als Hinweis darauf ansehen, daß der Hochstromkohlebogen in den Linien ziemlich weitgehend schwarz strahlt.

Nach diesen Erörterungen kann man nicht erwarten, daß unser Ähnlichkeitsgesetz exakt gilt, und das ist auch nicht der Fall. Immerhin gilt es innerhalb 10-20% über weite Bereiche und ist für die Praxis von Interesse, weil es bei Kenntnis einer bestimmten Kohle die richtige Belastung anderer, im Durchmesser nicht allzu verschiedener Kohlen zu berechnen gestattet.

Um genauere Werte zu erhalten, schlägt man zur berechneten Stromstärke bei dickeren Kohlen 10-20% zu, und zieht bei dünneren den gleichen Prozentsatz ab. Allgemein aber folgt aus unserer theoretischen Überlegung, daß das Ähnlichkeitsgesetz besonders gut bei koaxialer Kohlenstellung (z. B. kleineren Kinolampen) und allgemein um so besser gelten muß, je geringer die Bogenlänge ist und je mehr die Bogenform dem angenommenen Zylinder vom Durchmesser der Positivkohle gleicht.

Für einen Höchststrom-Beckbogen wie Abb. 122 ist der Vergleich mit einem kleinen Zylinder von Positivkohlendurchmesser sicher ungenügend und daher unser Ähnlichkeitsgesetz viel schlechter anwendbar als im Kinobetrieb.

Ausgedehnte Messungen von Kennlinien bei gegebener Positivkohle und Variation der Negativkohle führten zu dem Ergebnis (13), daß die Kennlinien vom Material wie vom Durchmesser der Negativkohle weitgehend unabhängig sind. Es ließ sich lediglich gemäß Abb. 12 eine Verminderung der Brennspannung im gesamten steigenden Teil der Kennlinie um einige Volt feststellen, wenn man statt einer homogenen eine Docht-Negativkohle wählte, und zwar war die Spannungsverminderung um so größer, je größer der Dochtdurchmesser war. Das Dochtmaterial dagegen schien in erster Näherung ohne Einfluß zu sein.

Systematische Untersuchungen über den Einfluß der Kohlenstellung auf den Verlauf der Kennlinien liegen noch nicht vor. Innerhalb der technisch interessierenden Genauigkeit von 1-2 Volt ist aber der Verlauf der Kennlinien (im Bereich der nicht kontrahierten Säule unter 100 Amp.) unabhängig davon, ob bei gleicher Bogenlänge mit koaxialer oder mit Winkelstellung der Kohlen gearbeitet wird.

Bei letzterer bewirkt das Eigenmagnetfeld allerdings häufig eine Bogenkrümmung, die eine Vergrößerung der effektiven Bogenlänge ergibt und entweder durch einen Blasmagneten (S. 140) beseitigt oder rechnerisch berücksichtigt werden muß.

Voraussetzung ist ferner wie stets, daß die Bogensäule glatt in den positiven Krater einmündet und der Bogen nicht auf den Mantel der Positivkohle übergreift. Letzteres ist beim Bogen über 120 Amp. bei koaxialer Stellung aber überhaupt nicht mehr zu verhindern, so daß bei höheren Stromstärken nur die Winkelstellung der Kohlen in Frage kommt.

Überhaupt wird der Hochstrombogen bei größerer Stromstärke wegen der Säulenkontraktion gegen Änderungen der Kohleneinstellung immer empfindlicher, weil die kontrahierte Säule nur bei einer bestimmten Kohlenstellung richtig in den Krater bzw. vor diesem in die Anodenflamme einmündet.

Mißt man verschiedene Sätze von Kennlinien gemäß Abb. 13 bei
verschiedenen Bogenlängen, so ergibt sich (13), daß der relative Verlauf
ebenso wie die Steilheit von der Bogenlänge unabhängig ist, daß zu
allen Spannungswerten also einfach ein dem Längenzuwachs des Bogens proportionaler Spannungsbetrag hinzukommt.

Aus diesem Befund schloß der Verfasser (13) zuerst, daß der für die Steigerung der Kennlinien verantwortliche, mit der Stromstärke wachsende Anteil der gesamten Bogenspannung dicht vor dem positiven Krater lokalisiert ist und als anomaler Anodenfall bezeichnet werden kann. Dieser Schluß wurde durch die gleich zu behandelnden Sondenmessungen bestätigt.

Bis vor kurzem bestand noch keine Einigkeit darüber, ob es einen richtigen Beckeffekt beim Wechselstrombogen überhaupt gäbe. Die Untersuchungen von Haury und dem Verfasser (25) an wechselstrombetriebenen Hochstromkohlebögen haben nun eindeutig gezeigt, daß die Wechselstrom-Spannungskennlinien der verschiedenen Hochstromkohlebögen mit Homogenkohlen wie mit Beckkohlen denen der Gleichstrombögen in allen wesentlichen Punkten entsprechen, daß auch hier die zunächst fallenden Kennlinien steigend werden, und daß insbesondere auch beim Wechselstrom-Beckbogen gemäß Abb. 15 ein der Abb. 13 entsprechender Spannungssprung auftritt, während gleichzeitig langsam die Beckflamme sichtbar wird.

Der Knick ist allerdings weniger scharf, und die Anodenbelastung muß beim Wechselstrombogen gegenüber dem Gleichstrombogen gleicher Kohlenstärke mehr als verdoppelt werden. Während der Beckeffekt bei der 8mm RW Sola Effekt 134 bei Gleichstrombetrieb bei etwa 45 Amp. auftritt, ist der Beckeffekt bei Wechselstrombetrieb nach Haury erst bei 100 Amp. voll ausgebildet.

Daß die zum Erreichen ähnlicher Zustände an einem Krater des Wechselstrombogens erforderliche Stromstärke gegenüber dem Gleichstrombetrieb ungefähr verdoppelt werden muß, erscheint vernünftig, da im Zeitmittel jede Kohle ja nur die halbe Energie erhält. Daß der volle Beckeffekt aber erst bei 100 Amp. statt bei 2 x 45 = 90 Amp. erreicht wird, dürfte nach Haury daran liegen, daß die volle zu einem Dampfausbruch erforderliche Kratertemperatur wegen der Abkühlung während der Dunkelpause eine zusätzliche Aufheizenergie erfordert, wenn sie erreicht werden soll, bevor die Stromstärke bereits wieder abnimmt.