Quelle Nummer 172

Rubrik 28 : TECHNIK   Unterrubrik 28.01 : BUECHER

ELEKTROTECHNIK (LEHRBUCH)
HANS FERDINAND GRAVE
GRUNDLAGEN DER ELEKTROTECHNIK I
STUDIENBUCH FUER STUDIERENDE DER ELEKTROTECHNIK AB
1. SEMESTER
AKADEMISCHE VERLAGSGESELLSCHAFT FRANKFURT 1971
S. 148-160


001  wurde, entstand bei der Drehung des Läufers gleichzeitig ein
002  Rütteleffekt, wodurch das Mahlgut gleichmäßig in das
003  Läuferauge floß. DIE
004  ELEKTRIZITÄTSLEITUNG IN GASEN.
005  Die unselbständige Leitung. Gase sind unter normalen
006  Umständen Nichtleiter, da keine beweglichen Träger vorhanden
007  sind. Eine Elektrizitätsleitung kann jedoch durch Ionisieren
008  der Gasmolekühle oder Einbringen von Trägern
009  ermöglicht werden. Bleibt die Leitfähigkeit nur so lange
010  aufrechterhalten, wie diese Maßnahmen andauern, so spricht man
011  von unselbständiger Leitung. Der Ionisation
012  kommt besondere Bedeutung zu. Nach ihrer Ursache unterscheidet
013  man: die Ionisation durch Strahlungsabsorption. Sie wird
014  durch kurzwelliges Licht, Röntgenstrahlen, Strahlen
015  radioaktiver Quellen und kosmische Strahlung hervorgerufen;
016  die Stoßionisation, verursacht durch den Zusammenstoß von
017  Teilchen; die Temperaturionisation als Folge einer
018  Erhitzung des Gases. Tritt eine elektrische Feldstärke E
019  auf, so wird nach Gl. (3.7) einem Teilchen mit der
020  Beweglichkeit b die Geschwindigkeit (Formel) erteilt. Die
021  Beweglichkeit b der positiven Ionen beträgt etwa (Formel), die
022  der Elektronen ist wegen ihrer viel kleineren Masse bis zu zwei
023  Größenordnungen höher. (Abb.) Wenn man von den nur gelegentlich
024  auftretenden negativen Ionen absieht, wird der
025  Elektrizitätstransport also durch verhältnismäßig langsame
026  positive und relativ schnell in entgegengesetzter Richtung
027  strömende negative Träger durchgeführt. Diese Drift
028  überlagert sich den schnelleren Teperaturbewegungen. In Bild (7
029  -1) ist die Abhängigkeit der Stromdichte S von der
030  Spannung U zwischen zwei Elektroden wiedergegeben. Es
031  sei angenommen, daß eine ionisierende Strahlung konstanter
032  Intensität einwirkt. Infolge von Rekombinationen erreicht bei
033  geringer Spannung nur ein Teil der erzeugten Träher die
034  Elektronen. Mit zunehmender Spannung wird der Einfluß der
035  Rekombination geringer. Der Strom steigt also an. Er ist
036  zunächst U proportional. Man spricht daher von einem
037  Ohmschen Bereich. Bei Steigerung von U erreichen
038  schließlich alle Träger die Elektroden. Es tritt Sättigung
039  ein. Der Strom ist jetzt nicht mehr von der Spannung, sondern
040  allein von der Intensität der ionisierenden Strahlung abhängig.
041  Die Anordnung ist daher zur Strahlungsmessung geeignet. In die
042  dafür zweckmäßige Form gebracht, wird sie als
043  Ionisationskammer bezeichnet. Bei weiterer Steigerung von
044  U werden den Elektronen sehr hohe Geschwindigkeiten erteilt.
045  Zusammenstöße haben jetzt die Ionisierung weiterer Gasmoleküle
046  zur Folge. Die Anzahl der Träger wird erheblich größer, und
047  die Kurve steigt stark an. Das Gas beginnt zu leuchten. Die
048  Stromstärke wird jetzt im wesentlichen durch die außerhalb der
049  Gasstrecke liegenden Widerstände des Stromkreises bestimmt.
050  Nicht immer kommt es bei Zusammenstößen zu einer Ionisation,
051  sondern vielfach auch zur Anregung. Darunter versteht man
052  die Überführung eines oder mehrerer Elektronen eines Atoms in
053  Bahnen höherer Energie. Sie hat häufig Leuchterscheinungen zur
054  Folge. Bei der Zündspannung (Formel) erreicht die
055  Stoßionisation ein solches Ausmaß, daß sie allein den Strom
056  aufrechterhalten kann. Mit der dann auftretenden selbständigen
057  Elektrizitätsleitung befaßt sich der folgende Abschnitt.
058  Die selbständige Leitung. Die selbständige Leitung, meist
059  als Entladung bezeichnet, kann verschiedener Art sein.
060  Von besonderer Wichtigkeit sind zwei Hauptformen, die
061  Glimmentladung und die Bogenentladung. Legt man
062  plötzlich eine für die Zündung ausreichende Spannung an, so
063  tritt die Entladung nicht sofort ein. Diese Erscheinung, die man
064  Entladeverzug nennt, rührt daher, daß zunächst durch
065  Strahlung, etwa die stets vorhandene kosmische Strahlung, ein
066  erstes Elektron abgetrennt werden muß, das den Aufbau der
067  Entladestrecke verursacht. Je nach den Verhältnissen kann der
068  Entladeverzug 1 *ymr s bis zu mehreren Minuten betragen.
069  Die Glimmentladung: Man beobachtet die Glimmentladung
070  vorteilhaft an einer mit verdünntem Gas (etwa 0,1 bar)
071  gefüllten Glasröhre, die zwei metallische Elektroden, die
072  Kathode K und die Anode A enthält. Nach der Zündung treten
073  Leuchterscheinungen auf, die zwar bei verschiedenen Gasen
074  unterschiedlich und auch vom Druck abhängig sind, jedoch im
075  wesentlichen die gleichen charakteristischen Schichten aufweisen,
076  die mit dem in Bild (7-2b) eingezeichneten Potentialverlauf
077  zusammenhängen. In der vor der Kathode liegenden dünnen,
078  schwach leuchtenden Glimmhaut 1 verursachen Elektroden,
079  die im wesentlichen durch aufprallende Ionen aus der Kathode
080  gelöst worden sind, Anregungen von Gasmolekülen. Von der
081  Kathode ist die Glimmhaut durch eine hauchdünne nichtleuchtende
082  Schicht, den schwer erkennbaren Astonschen Dunkelraum,
083  getrennt, in dem die Geschwindigkeit der Elektronen noch nicht
084  für Anregungen ausreicht. An die Glimmhaut schließt sich (Abb.)
085  der sehr schwach leuchtende Hittorfsche oder Crooksche
086  Dunkelraum 2 an, in welchem Elektronen und Ionen stark
087  beschleunigt werden. Er enthält den größten Teil des
088  Potentialgefälles, den sogenannten Kathodenfall. Er ist
089  die Folge einer positiver Raumladung, welche durch die in
090  überwiegende Anzahl vorhandenen Ionen gebildet wird. In dem
091  scharf abgegrenzten, hell leuchtenden negativen Glimmlicht
092  3 werden die Elektronen abgebremst, wobei es erneut zu Anregungen
093  und auch zu Stoßionisationen kommt. Es geht allmählich in den
094  schwach leuchtenden Faradayschen Dunkelraum 4 über, indem
095  die Elektronen weiter abgebremst werden. Dieser wird durch die im
096  allgemeinen schwach leuchtende positive Säule 5 abgelöst,
097  in welcher das Potential nur wenig ansteigt. Häufig ist sie durch
098  mehrere dunkle Schichten unterbrochen. Sie enthält ein insgesamt
099  neutrales Gemisch von Elektronen, Ionen und Molekülen, das man
100  als Plasma bezeichnet. In ihm bewegen sich beide Arten
101  Träger mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit, wobei es
102  zu Rekombinationen und Anregungen kommt. Ein kurzer, steilerer
103  Potentialanstieg in unmittelbarer Nähe der Anode, der
104  Anodenfall, ist die Folge einer negativen Raumladung, welche
105  durch die hier in überwiegender Anzahl vorhandenen Elektronen
106  verursacht wird. Durch Abkürzen der Strecke kann man die
107  positive Säule beliebig verkleinern. Man ersieht daraus, daß
108  für die Aufrechterhaltung der Entladung die in der Nähe der
109  Kathode liegenden Schichten und vor allem der Kathodenfall mit
110  seiner beschleunigenden Wirkung auf die Träger maßgebend sind.
111  Die Farben der leuchtenden Schichten hängen von der Art des
112  verwendeten Gases ab. Durchbohrt man die Elektroden, so treten
113  an der Anode Elektronen, an der Kathode positive Ionen aus.
114  Diese bezeichnet man als Kanalstrahlen; die Elektronen
115  wegen ihrer Herkunft als Kathodenstrahlen. Die praktisch
116  verwendeten Glimmröhren sind mit einer Mischung von
117  Edelgasen gefüllt. Der Kathodenfall liegt in der
118  Größenordnung 100 V. Bild (7-3) zeigt ihre Strom-
119  Spannungs-Kennlinie, Bild (7-4) ihr Schaltzeichen und
120  die grundsätzliche Schaltung. Der Vorwiderstand R ist
121  unentbehrlich, da wegen der (Abb.) Eigenart der Kennlinie bei
122  unmittelbar anliegender Spannung unzulässig hohe Ströme auftreten
123  können. Legt man eine Spannung (Formel) an, so ist die Spannung an
124  der Glimmlampe (Formel). Der sich einstellende Arbeitspunkt kann, wie
125  in Bild (7-3) gezeigt, durch Einzeichnen der Kenngraden (Formel)
126  ermittelt werden. Zwischen 1 und 2 ändert sich U nicht.
127  Die Glimmlampe kann daher zum Konstanthalten einer Spannung
128  verwendet werden. Verkleinert man (Formel) beispielsweise auf den
129  kleineren Wert (Formel), so entfällt, wie aus Bild (7-3)
130  ersichtlich, die gesamt Änderung auf den Spannungsfall (Formel).
131  Die Bogenentladung: Durch Steigern der Stromdichte geht
132  die Glimmentladung in die Bogenentladung über. Sie ist durch
133  einen kleineren Kathodenfall (etwa 10 V) und vor allem durch die
134  andersartige Elektronenabgabe der Kathode gekennzeichnet. Bei
135  hochschmelzenden Kathodenmaterialien wie Kohle und Wolfram
136  wird eine starke Erwärmung der Kathode als Ursache der
137  Elektronenemission angesehen. Bei leicht verdampfenden
138  Stoffen hingegen wie Quecksilber und Kupfer nimmt man an, daß
139  trotz des kleinen Kathodenfalls wegen der sehr geringen Ausdehnung
140  seines Bereichs derart hohe Feldstärken vor der Kathode auftreten,
141  daß Elektronen aus ihr herausgezogen werden. Diese Erscheinung
142  bezeichnet man als Feldemission. Die äußere Erscheinung
143  ist in Bild (7-5) am Beispiel des Kohlelichtbogens skizziert.
144  Sie gleicht der Glimmentladung, zeichnet sich jedoch durch
145  erheblich höhere Lichtstärken aus. Dem Glimmlicht entspricht
146  das Kathodische Büschel 2. Ihm schließt sich eine dem
147  Faradayschen Dunkelraum entsprechende nichtleuchtende Schicht 3 an,
148  die an die hell leuchtende positive Säule 4 angrenzt. Der (Abb.)
149  Bogen ist umgeben von der diffus leuchtenden Aureole 5. Zur
150  Inbetriebnahme werden die Kohlen in Berührung gebracht. Um
151  einen Kurzschluß zu vermeiden, wird dabei die Betriebsspannung
152  über einen Vorwiderstand zugeführt, der auch wegen der negativen
153  Strom-Spannungs-Kennlinie des Lichtbogens erforderlich
154  ist. Wegen der kleinen Berührungsfläche werden die Kohlen dabei
155  bis zum Glühen erhitzt. Zieht man sie auseinander, so sendet die
156  Kathode Elektronen aus, die durch ihre ionisierende Wirkung die
157  Entladung ermöglichen. Die mit großer Geschwindigkeit auf die
158  Kathode auftreffenden positiven Ionen halten ihre hohe Temperatur
159  aufrecht. Der stärker ausgeprägte Anodenfall hat zur Folge,
160  daß auch die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auftreffen und
161  die Anode zum Glühen bringen. An beiden Elektroden ist die
162  Entladung auf eine kleine helleuchtende Fläche, den
163  Brennfleck, zusammengedrängt, in dem Stromdichten bis zu (Formel)
164  und Temperaturen bis zu 4700 K auftreten. Im Lichtbogen stellen
165  sich Temperaturen bis zu 7000 K ein (Abb.) Da die Ionenleitung einen
166  Materialtransport darstellt, entsteht an der Anode ein kleiner
167  Krater 6, an der Kathode ein kleiner Buckel 1.
168  Infolge von Abbrand und Verdampfung wird jedoch der
169  Elektrodenabstand allmählich größer. In den praktisch
170  verwendeten Bogenlampen müssen daher die Elektroden laufend
171  nachgestellt werden. Bei Anwendung sehr hoher Stromstärken
172  können im Bogen Temperaturen bis zu 50000 K erreicht werden.
173  Wegen der Eigenart der in Bild (7-6) angegebenen Strom-
174  Spannungs-Kennlinie findet man im allgemeinen zwei
175  Schnittpunkte mit der Kenngeraden des Vorwiderstandes. Davon ist
176  einer, im vorliegenden Fall Punkt 1, instabil. Ist dieser
177  Punkt eingestellt, so hat eine kleine Verringerung des Stromes
178  zur Folge, daß die Spannung (Formel) größer wird, als es zum
179  Betrieb des Lichtbogens notwendig ist. Der Strom wird daher noch
180  kleiner und der Bogen reißt ab. Eine kleine Vergrößerung des
181  Stromes bewirkt, daß U zu klein wird. Der Strom steigt
182  dann an, bis der Arbeitspunkt 2 erreicht ist. Dieser ist stabil,
183  weil kleine Stromänderungen entgegengesetzte Wirkungen haben.
184  Die beiden Arbeitspunkte unterscheiden sich durch die Steigung (Formel)
185  der Tagente. Im instabilen ist sie kleiner, im stabilen größer
186  als die Steigerung R der Widerstandsgeraden. Daraus
187  ergibt sich die Stabilitätsbedingung. (Formel). Die Größe (Formel) wird
188  als differenzieller Widerstand des Lichtbogens bezeichnet.
189  DIE ELEKTRIZITÄTSLEITUNG IM
190  VAKUUM. Allgemeines. Das technische Hochvakuum
191  mit dem äußerstenfalls erreichbaren Gasdruck von (Formel) bar enthält
192  zwar noch (Formel) Moleküle je (Formel), bei einer freien Weglänge von
193  mehr als 1 km ist aber die Warscheinlichkeit von Stoßionisationen
194  sehr gering. Da auch Bestrahlungen keine nennenswerte Ionisation
195  verursacht, stellt das Hochvakuum einen ausgezeichneten Isolator
196  dar. Eine Elektrizitätsleitung kann nur durch Einbringen von
197  Trägern ermöglicht werden. Soll das Hochvakuum aufrechterhalten
198  bleiben, so kommen hierzu nur Elektronen in Betracht. Sie werden
199  durch Emission aus der Kathode gewonnen. Dazu gibt es
200  vier Möglichkeiten: Die thermische oder Glühemission.
201  Einzelne freie Elektronen schießen infolge der
202  Schwirrbewegungen über die Oberfläche der Kathode hinaus. Da
203  die Schwirrgeschwindigkeit mit der Temperatur ansteigt, nimmt auch
204  die Anzahl der emittierten Elektronen mit der Temperatur zu. Mit
205  der Anwendung dieses Effektes befaßt sich Abschnitt.
206  Die Photoemission. Die zum Austritt erforderliche
207  Energie kann auch durch Lichtquanten aufgebracht werden. Diese
208  als äußere Photoeffekt bezeichnete Erscheinung wird in Abschnitt
209  behandelt. Die Feldemission. Wie aus Abschnitt
210  bekannt, werden durch ein starkes Feld (Formel) Elektronen aus der
211  Kathode herausgesaugt. Die Sekundäremission. Sie
212  wird durch den Aufprall von Elektronen hoher Geschwindigkeit
213  hervorgerufen. Dieser Effekt wird im
214  Sekundärelektronenvervielfacher mehrfach ausgenutzt.
215  Verläßt ein Elektron die Kathode, so wird diese mit (Formel) geladen.
216  Man darf sich diese Gegenladung als gleichmäßig auf der
217  Oberfläche verteilt vorstellen, weil sie einen Anteil der durch
218  weitere Emissionen hervorgerufenen verteilten Elementarladungen
219  darstellt. Damit ergibt sich der in Bild (8-1 gezeigte
220  Feldverlauf. Er ist der gleiche, als wenn sich die Gegenladung
221  im gleichen Abstand s hinter (Abb.) der als
222  Äquipotentialfläche anzusehenden Oberfläche befände. Man kann
223  sich also das Feld bis zum Punkt (Formel) verlängert denken
224  (Spiegelung an der Oberfläche). Diese Darstellung ermöglicht
225  es, die auf das emittierte Elektron ausgeübte Anziehungskraft zu
226  berechnen. Sie ist nach dem Coulombschen Gesetz (Formel). Die
227  Feldstärke in Richtung der Normalen ist somit nach Gl. (2.
228  3)(Formel). Damit und mit Gl. (2.9) finden wir das
229  Potential des emittierten Elektrons gegenüber einem unendlich
230  fernen Punkt als (Formel). Obwohl s umgekehrt proportional,
231  geht (Formel) bei sehr kleinen Abstand nicht nach Unendlich. Infolge
232  der Wirkung einzelner Atomkräfte ergibt sich nämlich ein
233  endlicher Grenzwert, das Austrittspotential (Formel). Dieses
234  muß überwunden werden, damit das Elektron austreten kannn. Es
235  beträgt 1 bis 5 V und ist abhängig vom Elektrodenmaterial. Man
236  kann auch sagen, daß zum Austritt eines Elektrons eine bestimmte
237  Arbeit, die Austrittsarbeit (Formel) aufgebracht werden muß.
238  Aus (Formel),(Abb.) worin (Formel) die Ruhemasse des Elektrons ist, finden
239  wir die für das Verlassen der Elektrode notwendige
240  Geschwindigkeit (Formel). Für eine Austrittsarbeit von 3 eV ergibt
241  sich beispielsweise (Formel). Ist kein äußeres Feld vorhanden, so
242  bilden die emittierten Elektronen eine negative
243  Raumladungswolke. Ein äußeres Feld hat zur Folge, daß
244  die Elektronen eine beschleunigte Bewegung entgegen der
245  Feldrichtung durchführen. Nach Durchlaufen der
246  Potentialdifferenz U erreichen sie die Geschwindigkeit
247  v, die aus dem Energiezuwachs (Formel) berechnet werden kann. Da
248  die Elektronenmasse von v abhängig ist, gilt Gl. (8.
249  6) nur für Geschwindigkeiten, die klein gegenüber der
250  Lichtgeschwindigkeit sind. Anwendung der thermischen
251  Emission. Eine thermische Emission von Elektronen ins
252  Hochvakuum findet unter anderem in der Elektronenröhre und der
253  Elektronenstrahlröhre statt. Diese soll als Hilfsmittel der
254  Wechselspannungsmeßtechnik in Band 2 beschrieben werden. Die
255  Elektronenröhre hat durch Einführung des Transistors erheblich
256  an Bedeutung verloren. Sie wird deshalb nur kurz behandelt.
257  Die Röhrendiode besteht aus einem sorgfältig evakuierten
258  Glaskolben oder Metallkolben, der eine elektrisch
259  heizbare Kathode 1 sowie eine metallische Anode 2 enthält. Eine
260  auf auf der Kathode angebrachte Schicht von Bariumoxid (Abb.) setzt
261  das Austrittspotential auf 1,0 V herab. Bei
262  Wechselstromheizung verwendet man eine indirekt geheizte, d.h.
263  elektrisch vom Heizfaden isolierte Kathode. Bild (8-4)
264  zeigt Schaltzeichen der Diode mit Bezugspfeilen für die Ströme
265  und Spannungen. Die Abhängigkeit des Anodenstroms (Formel) von der
266  Anodenspannung (Formel) ist in Bild (8-5) wiedergegeben. Bei (Formel)
267  gelangt nur ein kleiner Teil der emittierten Elektronen zur Anode,
268  da die Raumladung eine abstoßende Wirkung auf sie ausübt.
269  Durch eine negative Anodenspannung kann der Strom zum
270  Verschwinden gebracht werden.

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