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5. Ettergie und Widerstand von Ogtiumgs- und Sc~~zl icpungsfu.n~en

in induktiven Stromkreisen ; PunkenZoschflung durch Kondensatoren;

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 Offnungs- funke (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 Ph i l ipp i l ) behandelt die &'rage fur Starkstromkreise (1 10-550 Volt; 10-100 Amp.). Ausgehend von Betrachtungen, die den Offnungsfunken als Lichtbogen von variabler Liinge ansehen, gelangt der Verfasser zur Be- stimmung der an den Schalterelektroden im Lichtbogen ent-

1) Dr. Ing. E. P 11 i 1 i p p i , ober Ausschaltvorginge und msgnetische Funlrenlijschung. Berlin 1910 (L. Simion Nachf.).

offnunys- und Schliepungsfunken in induktiven Slromkreisen. 95

wickelten Wiirmemenge. Die Gesichtspunkte fur die Kon- struktion von Schaltern mit mijglichst geringer Warmeentwicklung werden angegeben, besonders wird der EinfluB magnetischer Blasfelder auf den Ausschaltlichtbogen behandelt.

Mit der steigenden Verbreitung elektrischer Uhren ge- winnt das Problem auch fur Schwachstromkreise Bedeutung. Zwar kann man die Oxydationsgefahr durch Anwendung schwer- oxydierbarer Materialien fur die Kontaktteile (Platiniridium) herabsetzen, aber bei iiuBersten Anforderungen an Prazisions- kontalrte kann nur die Bekampfung der Funkenbildung selbst zum Ziele fuhren.

Die bekannten Mitt.el zur Funkenlijschung I) sind Konden- satoren z), induktionsfreie Widerstande , Polarisationszellen 3,

parallel zu der Kontaktstelle oder zu den Induktionsspulen des Stromkreises ge~chal te t .~) Quantitative Angaben iiber die An- wendungsmoglichkeit der einzelnen Mittel finden sich in der Literatur kaum. Die qualitative Seite der Frage wird in einer kurzen Mitteilung von R ie 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 an- gefiihrten 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 Be- arheitung des Gebietes geben; sie verdankt ihre Entstehung einer Anregung von Herrn Prof. Dr. B r u n s , dem eine Beant- wortung 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

3) K. Si eg l , Elektrotechn. Zeitschr. Heft 35. p. 889. 1912. 4) Ein neuercr Vorschlag ernpfiehlt einen KSrnerfritter parallel zur

5 ) S. Rie f l e r u. C. P a u l u s , Elektrotechn. Zeitschr. Heft 34

F. S c h a a c k .

Funkenstrecke. D. R. P. 184 708.

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 vor- ausgenommen, 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 Schwierig- keit der Arbeit dar. Hier machten sich einige Einschrankungen notwendig: Es wurde immer die gleiche Funkenstrecke benutzt, Platiniridium in Luft ; auch die Geschwindigkeit des Offnungs- und SchlieBungsvorganges wurde im allgemeinen konstant ge- halten. Dagegen wurden die Stromkreisverhaltnisse mit Ein- schluB des als Funkenloschmittel verwendeten Kondensators in weiten Grenzen, die durch die praktisch vorkommen- den 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 Offnungs- funkens, 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 An- wendung 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 Unregel- maiSigkeiten der einzelnen Qorgange gleichen sich selbsttatig aus, so da6 man aus dem Gesamtresultat einen scharfen mittleren Wert fur die Wirkung des einzelnen Funkens her- leiten kann.

1) E. P h i l i p p i , (vgl. p. 94) kommt bei seinen hohen Energie- betriigen 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 Funkenent- ladung 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. Mugna , 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. Toep le 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 kugel- Grmig 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 Messing- bander befestigt sind. Oben sind die beiden Gefa6e zum Druck- ausgleich 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 Ver- bindungsrohr (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 Eisen- deckel 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 ein- gegossenes 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 ein- tritt und im GefaBe Druckschwanknngen nicht zu bemerken sind. Ubertritt des Quecksilbers wird bei sorgaltiger Achsen- Aihrung 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

1

c -- _ - - -

I I

I I I

MaPstab 1 : 4. Fig. 1.

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 Strom- zufuhrung 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 ver- mittelt, 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 Halt- barkeit 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 sorg- faltige 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 Wasser- kastens 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 aus- tretenden Rohren (C) die eigentliche MeBvorrichtung, die T o ep- lersche Drucklibelle an. Sie besteht aus einem unter schwachem Winkel geknickten 3 mm weiten Glasrohr, das in einer Vertikal- ebene 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 parallakti- scher Fehler auf Spiegel geiitzten Millimeterskala. Bei sehr kleinen Ausschlagen kommt ein Mikroskop mit schwacher Ver- groBerung und Okularmikrometer zur Verwendung. Die Libelle muBte vom ubrigen Apparate gesondert, erschutterungsfrei auf- gestellt 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 Touren- zahler betrieben, der die in bestimmter Zeit zuruckgelegte Ge- samttourenzahl anxeigte. Durch den Hebel, mit dem dieser Tourenzahler aus- und eingeschaltet werden konnte, wurde gleichzeitig ein in den zu untersuchenden Stromkreis ge- schalteter Quecksilberkontakt betatigt, durch den der Strom bei Beginn der Messung eingeschaltet wurde. Der Touren-

1) Ee geniigt nicht die Tourenzahl des Hauptatrommotors durch Vor- schaltwiderstand 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 er- folgte Anzahl von Unterbrechungen, also die Funkenanzahl an.

Um beliebig nur den Offnungs- oder nur den SchlieSungs- funken 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 der- art 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 ge- schlossenen Raume eines Luftthermometers hervorzubringen und die durch den Wiirmeinbalt der Funken bewirkte Druck- erhohung des abgeschlossenen Luftvolumens an der Druck- libelle 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 unter- suchten Strome erreichten nur in seltenen Fallen 1 Amp.).

Der Libellenausschlag unter dem Einflusse der Funken- warme als Funktion der Zeit ergibt eine Kurve, die mit konti- nuierlich 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 mitt- lere Temperatur und den Warmeinhalt im MeBgefaBe zu jeder Zeit an. Da es verhaltnismiiSig lange (5-10 Min.) dauert, ehe

ijffilunys- iind Sclilie~unpfuriken in induhtiven Stromkreisen. 103

der stationiire Zustand eintritt, mu6te darauf venichtet werden, ihn bei den Messungen zum Grunde zu legen. Als Bestimmungs- stiick 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 ther- mische 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 Funken- energie besteht.’)

Die Eichung des Apparates erfolgte durch Heizstrome, die durch einen in clas zweite MeBgefaB eingebauten Heiz- draht geschickt wurden. Kompensiert die vom Heizdrahte ab- gegebene Energie wahrend einer Messungsperiode vollkommen den durch die Funkenenergie hervorgeru fenen Libellenausschlag, so konnen, absolut gleiche Warmeableitungsverhaltnisse auf beiden Seiten vorausgesetzt, gesamte Funkenenergie und Heiz- energie als gleich angenommen werden. Die Schwierigkeit lag in der Erzielung einer guten Kompensation, also in der rich- tigen Auswahl des Heizdrahtes und seiner Triiger. Diese Aus- wahl geschah auf empirischem Wege durch vielfache Ver- suche. 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 aus-

1) In dieser Form wurde die Methode im Februsr 1911 der Konigl. Skclls. Gesellschaft der Wissenschaften vorgelegt; Berichte der Gesell- schaft math.-phys. Klasse 63. p. 258ff.

104 0. I#. Giinther.

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 Be- festigungstuhus des zweiten GefaBes (A’ vgl. Fig. 1 ) mit Quecksilberdichtung gefuhrt wurde , aufgeschraubt. Durch eine Exzenterstange wurde die zweite Achse vom Unter- brechermotor in gleicher Weiae bewegt, wie die des Kon- taktes.

Mit Hilfe dieser Heizvorrichtung konnte durch einen vor- her richtig einregulierten Heizstrom die Funkenwirkung bis zum Eintritte des stationaren Zustandes (also wahrend 6 Min. und liinger) fast vollstandig kompensiert werden. Eine Ande- rung des Heizstromes urn etma 1,5 Proz. gibt schon eine be- tracbtlicbe Abweichung von der Kompensation.

Die Ergebnisse der Eichung finden sich in Tab. 1. Messung von Strom und Spannung erfolgte mit Prazisionsinstrumenten von S iemens & Halske ; 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.

0,391 0,371 0,344 0,323 0,308 0,290 0,248 0,197 0,148

e Volt

0,448 0,399 0,335 0,295 0,27 1 0,237

0,129 0,182

0,088

c . i Watt

0,175 0,147, 0,115 0,09516 0,0835 0,0688, 0,0452 0,0253, 0,0130

a mm

30,5 26,l 21,8 18,4 15,3 13,2 916 5 8 2,7

Der Libellenausschlag a ergibt sich als proportional der in der Zeiteinheit dem Heizdraht zugefiibrten Energie (vgl. die

Fig

. 2.

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0,1

05 Ohm

) c 0

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106 0. E. Giinther.

Unter bekannten Annahmen iiber die Abkuhlung elektrisch geheizter Driihte') la6t sich aus der mit Hilfe des Wider- standes bestimmten Temperatur des Drahtes die bei jedem Heizstrome von seiner Oberflache pro Zeiteinheit an die um- gebende 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 Luftthermo- meters sowie seiner Warmeableitungsverhaltnisse.

Z w e i t e r T e i l

Bestlmmung der Energie und des Widerstandes von GRnungs- nnd SehlleUungsfnnken in Stromkreisen mit

Belbstindnktion nnd Kapazitgt.

a ) Der SchlieOungefunke.

Beim SchlieBen eines Stromkreises tritt wegen des sehr kleinen Querschnittes der Beriihrungsstelle im ersten Augen- blick immer eine, wenn auch geringe Verbrennung des Kontakt- materials anf; bei hoheren Spannungen kommt dazu eine Ent- ladung, die schon kurz vor der Beruhrung der Kontaktteile einsetzt, dann, wenn die Batteriespannung die Hohe des Funken- potentials der gerade herrschenden Elektrodenentfernung er- reicht. Die bei niedrigen Stromstarkcn sehr kleinen Energie- mengen dieser SchlieSungsfunken werden von den Metallteilen der Kontakte sofort absorbiert, so da6 eine Messung des Energiebetrags mit der eben beschriebenen Methode bei Span- nungen bis 75 Volt und Stromstarken bis 0,5 Amp. nicht moglich war. Bei hoheren Spannungen und Stromstiirken zeigen die nun allerdings merklichen Energiemengen Ab- weichungen bis zum zehnfachen Betrage voneinander. Mit

1) 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 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 Ohungs- funkens 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 SchlieBungs- funke wird durch diesen Ladestrom, der den Widerstand des gesamten Stromkreises zu iiberwinden hat, nicht merklich ver- s t i rkt ; 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 ge- laden. Im Augenblicke des Stromschlusses entlidt sich die in ihm anfgespeicherte Energie durch die Kontaktstelle ; bei kleinem Widerstande der Zuleitung des Kondeneators zur Fun- kenstrecke 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.

108

E, Volt

110 63

110 37,4 46,5

63 8

2 5 33,2

42 50,6

55 58,9

8 25

37,4 46

. - .

Mikrofarad

0,1

- -. ~

2 2 12 12 12 24 24 24 24 24 24 24 31 31 31 31

0. L. Giintfwr.

T a b c l l c 2. _- -

+ c . E i . 10.6 Joule

0,00061 0,00397

0,00838

0,0238

0,00750 0,O 192

0,0309 0,0360 0,04 16

_ _ - .-

0,0121

0,0130

0,00075

O,O? I 1

0,00099 0,0097 0,02 1 7 0,0329

Viirrnerneogc pro Sek.

0,0078 0,0508 0,155 0,107 0,166 0,305 0,009G 0,0960 0,169

0,393 0,460 0,53? 0,0127 0,124 0,277 0,420

. . -_

0,270

Es ergibt sich Proportionalitat zwischen der im Konden- sator 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 Kon- densatorenergie gewahlt, also Q multipliziert mit 12,8, der Tourenzahl des Unterbrechers (Spalte 4 in Tab. 2). Die ge- ringere Neigung der Kurve I1 gegeniiber der Eichkurve erklart sich aus groberen Warmeverlusten beim Funken an die Elek- troden, besonders aber daraus, da6 ein betrichtlicher Teil der Kondensatorenergie in den Zuleitungen vom Kondensator z u r Funkenstrecke verbraucht wird. Verkndert man den Wider- stand dieser Zuleitungen, so bekommt man fdr h6heren Wider- s 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 Funkenwider- stand Rt wird definiert durch die Beziehung:')

T T

QF = R d i a d t =p rt d t

wenn QF die Funkenenergie, i den Strom, r, den Funken- widerstand als Funktion der Zeit und T die Entladungsdauer darstellt. Dabei wird Rf als ein Ohmscher Widerstand ein-

0 0

0,1 0.2 0.3 0.4 0.5

Tonrenzabl = 14,5 Sek-I. Q,, .Tourenzahl = pro Sek. entlrrdene Gesamtenergie in Joule.

Fig. 3. Q,, = + c . Ei +

gefuhrt, durch den der Funke hinsichtlich seine8 Energie- verbrauchs ersetzt gedacht werden kann.

Bezeichnen wir mit (li, + @) den Widerstand der Zu- leitungen vom Kondensator zur Funkenstrecke, wobei @ den der direkten Meesung nicht zuganglichen Widerstand der Ver- bindung von Klemmen und Belegen des Kondensators dar- stelltJ2) mit Qs die gesamte entladene Energie, mit QF = a! e Qf

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 be- stirnmten Wert von Q9 aus Fig. 3 fur die vier Zuleitungs- widerstande Rz vier Werte von Qp Daraus berechnen sich die beiden Konstanten:

und dann der scheinbare Funkenwiderstand Zir cc = 2,13 p = 0,017

Es sei Qg = 0,419 Joule.

T a b e l l e 3.

Es ergibt sich also ein fur das nntersuchte Gebiet kon- stanter 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 tuf f l) gibt an, daS diese Verluste hei geringen Vorschaltwiderstiinden bis zu 30 Proz. der Gesamtenergie be tragen konnen. Die vorliegenden Mes- sungen 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 . -

2) Vgl. 2. B. A. Heydwei l ler , Ann, d. Phye. 19. p. 649. 1906. Dim Iloetock 1907.

offnungs. utid Schliejlungsfunken in induktivcn Stromkreiscn. 11 1

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 ent- laden wird.

Es gelingt also, die im ScblieBungsfunken bei einer zur Funkenstrecke parallel liegenden Kapazitiit auftretende Energie im absoluten MaBe aus den Stromkreiskonstanten zu berechnen :

Joule. 3 e . ITo*. 1 0 - 0 QF = Q, * a =

c Knpazitiit in Mikrofarad; Jo Batteriespannung; (aI + @) Widerstand der Zuleitungen vom Kondensator zur Funken- strecke; R, Funkenwiderstand = 0,300 Ohm.

Fur die benutzte Anordnung ist dadurch auch fiir die Funkenmessung eine Eichung gefunden worden, die die Funken- energie aus dem Libellenausschlag absolut unter Beriick- sichtigung der Wiirmeverluste an die Elektroden angibt. Die Formel lautet:

Joule, 14,5 Q F = a. 0,00082 - ~ n

wobei QF die Eiiergie des einzelnen Funkens, u der Libellen- ausschlag nach 3 Min. in Millimeter nnd n die Tourenzahl des Unterbrechers ist.

Es wurde nun noch bei bestimmter Spannung und Kapa- zitiit, aber bei verschiedenen Tourenzahlen die Energie des SchlieBungsfunkens bestimmt. Dabei ergab sich:

Eo = 61,5 Volt, c = 15 Mikrof., 105

~ Q F n a (Tourenzahl pro Yek.) n

12,6 20,7 1,15 194. lo-'

4,04 6,7 3,59 196 * lo-' 8,55 13,9 i ,69 192.10-4

Die Angaben des Apparates sind also in weiten Grenzen von der Tourenzahl des Unterbrechers unabhiingig, ebenso wie Energie und Widerstand des SchlieBungsfunkens von der Ge- schwindigkeit des Stromschlusses, die sich j a mit Anderung der Tourenzabl dcs Unterbrechermotors ebenfalls iindert.

1) W. Stuff 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 Formu- lierung eines Ausdruckes far die Energie des Offnungsfunkens wird also Kenntnis des zeitlichen 7erlaufes des Offnungsvorganges zur Voraussetzung haben.

Zu einer Beschreibung diesesverlaufes gelangt Leo Arons'), indem er fiir den Widerstand wahrend der Unterbrechung die willkiirliche Funktion:

w = tuo - 1 - t

annimmt. Der Widerstand nimmt also wahrend der Unter- brechungszeit 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 Offnungs- funkens vertreten Johnsons ) und Lampa.3 J o h n s o n be- kampft die Aronssche Anschauung, insbesondere die Be- hauptung, daB die Batterie wahrend der Funkendauer noch wirksam sei. Beide Verfasser gehen von der Betrachtung eines Stromkreises aus, in dem parallel zur Funkenstrecke ein Kon- densator liegt. Sie berechnen die an den Belegen dieses Kondensators beim Unterbrechen auftretende (oszillatorische) Spannungsdifferenz und zwar so, wie wenn sich die gesamte

1

___ - __ 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 Kon- densator entladen wiirde. Ein Offnungsfunke tritt nach ihnen dann auf, wenn das Maximum der so berechneten Spannungs- differenz das Funkenpotential der gerade herrschenden Elek- trodenentfernung 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 Selbstinduktions- energie des betreffenden Stromkreises erreichen, vie1 weniger ihn iiberschreiten. Bei normaler Stromoffnung ist im letzten Augen- blicke der Trennung der Kontaktteile die Beriihrungsflache so klein, da8 eine geniigend starke Erhitzung und damit Licht- bogenziindung zustande kommt. Die ganze Strombahn bleibt wahrend der Funkendauer ein geschlossener Leiter. Bei zu- nehmender 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 er- halten 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 Offnungs- funken den Betrag der vorhandenen Selbstinduktionsenergie weit iibersteigen.

Ph i l ipp 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 Be-

1) Vgl. p. 94 dieser Arbeit ?) H. Ayrton , The Electric arc, London p. 205

V = (L + b 1 + -- A Annden der Physik. IV. Folge. 43. 8

114 0. B. Giintlier.

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 vor- liegenden Arheit problematisch ist, mu6te hier ein anderer Weg eingeschlagen werden.

Es wurde bei stark variierter Selbstinduktion, Stromstarke und Spannung eine goBe Zahl von

1 rnm N 0,000 125 sec. Fig. 4.

Ausschaltkurven (i = f ( t ) )

oszillographisch aufgenom- men. Alle ergaben das gleiche Bild; der Strom fxllt vom Augenblicke der Unterbrechung an linear vonseinem Anfangswerte J1 bis zu einem bestimmten Werte J, ab, bei dem er

und rnit ilim der Funke plot.zlich abreiBt (&. Fig. 4).

dargestellt durch die Beziehung:

Die Konstante a, hiingt mit der Funkendauer rei6stromstarke J2 durch die Bezieliung zusammeu :

Der Verlauf der Stromstarke beim Ausschalten wird also

i = J, - a, t .

und der Ab-

J I - J;. (( = - - 0 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 unver- andert blieben, mu6 a, notwendig nur von den Konstanten des unterbrochenen Stromkreises abhangen. Ein Versuch, die

1 ) E. Phi l ippi 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 Aus- druckes:

80 84 93 85

121 103

wobei d, B, C Konstante, Ji0 die Batteriespannung, J, die Stromstirke, Z den Selbstinduktionskoeffizienten des unter- brochenen Stromkreises darstellt. Es berechnet sich fur die samtlichen beobachteten Werte bei Veranderung der Stromkreis- Itonstanten 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:

69 69 I 63 72 76 82 67 78 92 90 I 76 72

T a b e l l e 4. ._ -

I J1 = 0,500 I 0,350 I 0,269 Amp. la, ber. beob. ' ber. beob. I ber. beob. Eo Volt

103 98 115 117 147 153 201 I80

WBhrend der Unterbrechung ziehungen :

87 80 I 77 74 94 107 I 82

100 114 133 96 114 155 135 I 125 124

gelten nun folgende Be-

i = J1 - a,, t

e = Lo - L - = Lo i Luo Gesamtspannung.

Stromstiirke, d i d t

8.

116 0. E. Gunther.

1' - - Eo 4- L*ao Funkenwiderst and, r - ~ ~ - ~ , , t el = a,(L + 3 . t ) Spannung an der Funkenstrecke,

wenn R der konstante Ohmsche Widerstand des Strom- kreises 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 ,,uberspan- nung" fiihrt, die sich im Oszillogamm als steilezacke aufzeichnet.

Der Funkenwider- Spannung Null stand r f , den man hier

als Funktion der Zeit 42 Volt O,c5 Amp O,16 Henry kennt, wird durch die

gleiche Definition ein- 0 Mikr Far

gefilhrt, wie es fiir den SchlieSungsfunken

Fig. 5. (p. 109) geschehen ist. lichen F Aronsschen Ausdruck, der fiir Er alle ist Falle dem denselben willkiir-

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:

d Q F = e . i d t - R i Z d t ,

Strom Null

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, La , = 21 Volt.

Offnungs- und Schliepungsfunken in induktiven Stromkreisen. 1 1 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 Selbstinduktions- energie dar, wahrend das dritte Glied die von beiden Be- tragen im Widerstande des Stromkreises als Joulesche Warme verbrauchte Energie reprgsentiert. Fiir die numerische Rech- nung fuhrt man bequem den Wert von t ein:

(Eo i- L . - a,) [ -2x] J,2 - - a, R [ -32] 4'- Joule. QF = a0

Dieser Ausdruck gestattet es , fur beliebig vorgegebene Stromkreisverhaltnisse die Energie des Offnungsfunkens zu berechnen. Fu r eine Reihe von Werten von E,,, L, J1 wurde QB7 berechnet; die Werte werden durch die ausgezogenen Kurven der Pig. 6 dargestellt. Fu r die gleichen Werte wurde ganz unabhangig davon mit dem Luftthermometer die Funken- energie 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 be- rechneten Werten bleiben, ist anzufiihren, daB die Formel fur Qp die Gesamtenergie angibt, wahrend das Luftthermometer nur die Warmewirkung mibt; auch diirften sich die Warme- verluste des Offnungsfunkens an die Elektroden, um diesen Betrag von denen des Schliehngsfunkens, fur den die Eich- formel zunachst nur gilt, unterscheiden konnen.

Aus dem Vergleiche der theoretisch berechneten und der luftthermometrisch beobachteten Energie ergeben sich foIgende Resultate:

1) Fig. 7 stellt nur einen kleinen Teil des gesamten beobachteten Materials dar.

118 0. E. Giinther.

Die fur den Offnungsvorgang fur Strom und Spannung sowie fur die Funkenenergie gegebenen Ausdriicke werden be-

Q f

0,04

0.02

0,o;

0,Ol

0,04

0.03

0.02

0,Ol

0,W

0,03

6.02

0.01

0,32 Henry 12 Volt

, , I , , , ,

0,2 0.4 0,6

0,16 Henry 11.8 volt

0,Ob tienry 25 V o l t

J

0.32 tknry 41, b Volt

0 16 Henry 24 Y Volt

0.06 Henry 41.6 Volt

, 0.2 1, 0.4 0.6 Amp

Die susgezogenen Kurven stellcn die theoretisch berechneten , die iso- lierten Punkte die luftthermometrisch beobachteten Werte dar.

Fig. 6.

Gffnungs- und Schliepungsfunken in inddt iven Stromkteisen. 1 19

stiitigt. Die (empirische) Beziehung fur u,, gilt auch noch i n einem Gebiet, in dem der Oszillograph wegen seiner Un- empfindlichkeit 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 Libellen- ausschlag erhalt ihre Bestatigung und wird fur den Offnungs- funken 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 er- haltenen wesentlich verschiedenes Kurvenbild. Der Strom fallt dann sofort beim Unterbrechen rapid auf Null. Die Spannungs- kurve 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 Energie- mengen 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 Strom- offnung die Energiedichte an den Elektroden so weit, dab eine

-. --

25,s Volt

0,250 0,350 0,500 0,650 M

ikrof. i -

0 I1

05

194

408 730

0.001 LOO

185 320

+ 55,9

92,9 175 267

28,7 50

101 168

9 57

-

7,4 7,4

14,s 49

8,2 -

-

9,8 -

--

_

-

6,5 6,s

6,5 7,4

46 80

170 31,i

31 62

115 +

24 37

60 103

11,5 16,4

34 72

6,6 5

6,6 19

6,6 5

5,s 6,6

--

--

16,4 33

105 190

24,5 43,5

62 143

24,5 43,5

62 75

12,3 22

45 62

10 15

31 43

8,2 12.3

9,0 29

7,4 12,3

8,2 8,2

7,4 8,2

7,4 7,4

Tabelle 5.

42,O Vo-1;

I 63,O

Volt

__

__

~

3,250 0,350 0,500 0,650 10,250 0,350 0,500 0,650

107 230

475 815

I121 260

597 880

101 201

+ +

88 104

181 485

33 64

109 198

19 57

-

8,4 8,2

16,4 74

-

-_

9 33

8,2 19

49 110

250 395

31 58

143 +

25 41

85 126

11 23

68 99

-

--

7,4

7,4 8,2

7,4

7,4 6,6

16 16,5

6,5 6,6

9 6,6

-

6,6 8,2

6,6 -

6,6 8,2

7,4

24 61

140 190

29 43

84 179

24,5 41

62 107

9,s 22

39,5 67

8,2 9,0

12,3 48,5

7,4 8,2

9,8 24,6

6,6 7,4

8,2 7,4 9

--

-

Energic von i)ffnungsfunkeu; K

apazitiit paralle

114 206

+ +

.58 103

208 +

27 53

107 224

6,5 6,6

31 90

9,0 29

29 74

-

-

-_

970

--

-

5,8 6,O

8,2

8,2

64 140

300 -

33 64

130 +

28 38

72 130

11 18

53 110

7,4 6,6

16,4 17

6,6 6,6

8,2 8,2 774

--

-

_-

--

25

98 180

280 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

--

-

6,6 7,4

7,4 8,2

eur Funkenstrecke.

0,250 0,350 0,500 0,650 -.

122 322

690 -

114 208

+ -

64 124

225 3Y1

32 58

123 227

17 38

82 -

7,4 9,0

47,5 121 8,2

56 24

--

-

--

7,4

6,O

6,5 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

33 53

83 +

30 52

6.5 96

18 31

50 76

15 15

32 50

8,2 8.2

10,7 13

7,4 7,4

8,2 8,2

Angegeben ist:

Q&,. 1(

--

--

Am

pbres

0,32 Henry

0,16 Henry

0,057 Henry

0 2

Die m

it + bezeichneten Werte konnten w

egen schr heftiger, stoliweifler Entladung-nicht abgelesen w

erden.

des Libellenausschlages a nach 3 Min. aus einem

nach 1-2 M

in. eingetretenen Libellenausschlag crhalten. B

erechriung von Q, erfolgte nach der Form

el: Q,

= 0,00082. a Joule. -

Werte uber 300 w

urden durch Extrapolation

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 Span- nungen 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 Ent- ladungsform unterdruckt, und an ihre Stelle tritt eine mine Eunkenentladung, die durch das Auftreten sehr hoher Spannung bei ganz geringer Stromstiirke besonders aber dadurch charak- terisiert wird, dab die Entladung erst einsetzt, wenn die Elek- troden 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 an , 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 Kapazitat bei kleinen Kapazitaten und hohem +. L * JI2 so heftige, sto0weise Entladungen auf, da6 sie mit dem Luft- thermometer nicht mehr gemessen werden konnen (in Tab. 5 mit + bezeichnet). Auch durch blo0es Betrachten der Er- scheinung 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 Lichtbogen- zu Funkenentladung bemwkbar wird, liegt etwa bei M.F.

122 0. E. Gunther.

1st die Kspazitat groBer, so trifft die Johnsonsche An- schauung vom Offnungsfunken zu; es ist aber nicht zulassig, mie Johnson es tut , dieselbe Auffassung einfach auf den Funken unterhalb der ,,kritischen Kapazitat" auszudehnen.

Fa r einen Kondensator, der die Ziindung eines Licht- bogens unterdruckt, wird der Spannungsverlauf beim Offnen durch den Ausdruck gegeben:

E:= -. Eo e-at sin p t (1) C . R . 6

Das Spannungsmaximum:

tritt nach der Zeit:

(3) 1 B t = - B arctang - a

ein. Natilrlich braucht nicht , wie ,J o h n s o n annimmt , dieses Maximum Em erreicht zu werden, damit Funkenentladung ein-

~ ~ p a n n u n g NUII LL Fig. 7.

42 Volt 0,45 Amp. 0,16 Henry 2 Mikr Far.

Funkenpotentials der gerade herrschenden Elektrodenentfernung

erreicht. Bei groBer Kapazitiit steigt die Spannung so langsnni an, daB dieser Fall iiberhaupt nicht ein- 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

1) J1 = 0,45 Amp.; E, = 42 Volt; L = 0,16 Henry; C = 2 M. F.; Em = 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 Ent- ladung angeben. Wieviel nun aber von der gesamten Energie durch die Funkenstrecke entladen wird, das diirfte nicht ein- fach 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: (4) P = 1200 + 3600s I ) . (s in mm; V in Volt), s als Punktion der Zeit ist fur den fraglichen Kontakt zu be- stimmen ; 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 an- genommen werden kann. Aus der Tourenzahl des Motors nnd den Ubersetzungsverhaltnissen berechnet sich fur die vorliegende Anordnung c = ll-.imm.sec-’. Also: (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 Be- dingung dafur, daB (5) Tangente von (6) wird:

(7)

Damit finden wir die Kapazitat, bei der der Funke gerade nicht mehr auftritt:

-

1) J. J. T h o r n s o n , Conduction of electricity through Gases, Sec. Ed. Cambridge. p. 440 11. 466. 1906.

124 0. E. Gunthet.

(das positive Wurzelzeichen ergibt negatives t). Fur zwei Grenzfalle berechnet sich der Wert von Cm:

E, = 110 Volt J , = 1 Amp. E, = 10 Volt J1 = 0,3 Amp. L = 0,5 Henry B = 110 Ohm 1; = 0,l Henry R = 33 Ohm

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 zu 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.

Cm = 0,9 M.F. Cm = 0,2 M.F.

Dritter Teil.

Technische Anwendongen.

a) Funkenenergie und Eontakteeretorung.

Betrachten wir den Ubergangswiderstand der Beruhrungs- flache 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 be- stimmen. Zur Verwendung gelangte ein Hammerkontakt aus gehartetem Stahl, da sich hier Oxydationswirkung bei ge- niigender 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 Ver- fiigung 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 ge- samte 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.

Der Vorgang ist Fig. 8 zeigt ein solches Photogramm.

126 0. E. Guntlter.

Henry -.

von rechts nach links zu lesen; die Nullinien zeichnen sich in der Mitte als kraftige schwarze Striche auf. Im An- fang ist die (polierte) Beruhrungsflache des Kontaktes noch metallisch blank. Der Ubergangswiderstand und damit die Spannung ist niedrig. Bei allmahlicher Bildung einer Oxyd- schicht 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 Wider- standszunahme auf; dann zeigen sich kraftige wei0lich leuch- tende 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.

Volt

Tabe l l e 6.

0,32 i I I

I I 0,16

110

so

40

24

12 so 40

QF Joule

0,17 0,12 0,060 @,15 0,11 0,07 0,lO 0,07i 0,052 0,087 0,064

0,083

- - .- _-

0,078

0,052

-~

l\,

. -. - --

88 1% 240 145 150 340 175 300

( QF * h;) . - .

15 22 14 22 16,5 24 17,5 25 31

I38 400 25 162 13 210 17 310 16

Fur eine Beziehung zwischen Funkenenergie uncl Kontakt- zerstorung ist die Zeitdauer, nnch der die plotzliche Wider- standszunahme eintritt, wichtig, da der Kontakt wahrend dieser Zeit noch gut ist u:id nachher auch eine andere Funken-

als genugend kon- "" stant betrachtet wer- 5oo

den, wenn man die durch kleine, LuBere '"0

Zufalligkeiten her- ,,,,, vorgerufenen Un-

regelmaf3igkeiten des *O0

ganzen Vorganges ,oo bedenkt. In Fig. 9

T

5

fjffnungs- und SchIiePungsfunken in induktiven Stromkreisen. 127

energie auftritt. Die fragliche Zeitdauer wird bis zum Eintritte des Wendepunktes der Spannungskurve gerechnet. Die Er- gebnisse 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 be- rechnete 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 QF.Nr , die gesamte bis zum Eintritte der Kontaktverschlechterung aufgewendete Energie; sie kann als geniigend kon- stant betrachtet wer- den, wenn man die durch kleine, LuBere Zufalligkeiten her-

vorgerufenen Un- regelmaf3igkeiten des ganzen Vorganges

bedenkt. In Fig. 9 ist Nf als Funlition von QF zusammen mit der aus dem MittelwertQF.Nf= 19 berechneten Hyperbel eingetragen. Damit ergibt sich: Zer- storung 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 Lichtbogen- charakter. Fu r Offnungsfunken, bei denen eine Kapazitiit zur Funkenstreclie parallel geschaltet ist, wo also reine Funken- entladung 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 L?, 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 Schliepungs- funken eine Widerstandserhohung am Kontakte nicht auf. Auch wenn der Kontakt tagelang mit einem durch hohe Betriebs- spannung und groBe Kapazitiit parallel zur Funkenstrecke er- zeugten SchlieBungsfunken gelaufen war, konnte eine Wider- standsanderung nicht gemessen werden. Da hier die Elek- troden 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, aller- dings nicht mehr poliert glanzend, sondern aufgerauht , matt grau schimmernd und nur am Rande von einem Oxydringe umgeben.

Wahrend also der SchlieBungsfunke, wenn man Wider- standserhohung der Kontaktflache als schadliche Funken- wirkung betrachtet , weniger gefahrlich ist, als der Offnungs- funke, wird er durch direkten Verbrauch des Kontaktmaterials nachteilig. -

b) FunkenlGechung durch Kondensatoren.

Fig. 10 gibt die Anderung der Funkenenergie ale Funk- tion der parallel zum Kontakte geschalteten Kapazitat fur einen bestimmten Fall. Die Kurve wurde mit dem Luft- thermometer ohne Trennung von Offnungs- und SchlieSungs- funken 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 Konden- sators 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 ver- wendet zu werden , besonders nicht bei niedriger Betriebs- spannung. 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 ein- facher Weise zu be- stimmen. Der Wert von a bleibt immer a = 1200.

Dieser Kondensator wird einen nicht sehr betrachtlichen Schlie- Bungsfunken nach sich ziehen; immer wird man damit sehr nahe das Minimum der Ge- samtenergie herbeifdhren , da auch der Offnungsfunke nie ganz verschwindet (p. 121).

Die am Kondensator auftretende maximale Spannungs- differenz 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 SchlieBungs- funkens. 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 be- trschtlich groBeren Widerstanden zeigt sich eine Zunahme des Offnungsfunkens. Die Berechnung des notwendigen Wider- standes HL erfolgt nach der Beziehung:

(p. 111 d. Arb.) !j c Eo2 * 10-’ QP =

( I + $ )

wobei f i r QF der Wert zu setzen ist, den man fur die Energie des SchlieBungsfunkens noch zulassen will, wahrend

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 funken- frei gemachte Stahlkontakt, der zu den Messungen des voran- gehenden Abschnittes verwendet wurde , zeigte nach einer Woche stiindigen Betriebes nicht die geringste Widerstands- zunahme 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. -

= 0,3 Ohm den Funkenwiderstand darstellt.

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 luftthermo- metrisch 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 pro- portional der gesltmten entladenen Kondensatorenergie, und diese erscheint immer derart auf den Funken und den Wider- stand der Zuleitungen verteilt,, dab man zur Annahme eines konstanten Funkenwiderstandes gelangt.

3. Fiir den Offnungsfunken (ohne besondere Kapazitat im S tromkreise) 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 luft- thermometrischen Messungen.

4. Es wird die Veranderung, die die Energie des Offnungs- funkens durch eine zur Funkenstrecke parallel geschaltete Kapazitiit erleidet , bestimm t. Auf Grund einer Vergleichung der direkten energetischen mit den oszillographischen Un ter- suchungen ergibt sich die Folgerung: Der gewohnliche Offnungs- funke ist bei Abwesenheit eines Kondensators und bei nicht zu rapider Stromoffnung als eine Lichlbogenentladung aufzu- fassen. Ein parallel zur Funkenstrecke geschalteter Konden- sator unterdriickt das Zustandekommen eines Lichtbogens ; da- fiir tritt schon bei sehr kleinen Kapazitaten eine reine Funken- entlaifuny 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 Funken- energie und Kontaktzerstorung aufgefunden : Eine plotz- liche , 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 iiber- schreitet.

6. Es 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. Wiene r fur das Interesse, dall er der Arbeit entgegenbrachte und die Liebenswurdigkeit, mit der er die Institutsmittel zur Verfiigung stellte, Rowie Hm. Prof. Dr. Schol l , der durcli seinen stiindigen , wertvollen Rat die Arbeit fiirderte, meinen ergebensten Dank auszusprechen.

Le ipz ig , Physik. Institut der Universitat.

(Eingegangen 12. Mai 1913.)