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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