ENTWICKLUNGSGESCHICHTE UND HERSTELLUNG DER MODERNEN ELEKTRISCHEN LICHTQUELLEN. Von Dr.-Ing. A. Linker. (Fortsetzung von S. 547 d. Bd.) LINKER: Entwicklungsgeschichte und Herstellung der modernen elektrischen Lichtquellen. Auch das Azetylenlicht verdankt seinen hohen Glanz nur der hohen Temperatur, bei welcher der Kohlenstoff leuchtet (3000° C). Die Erfolge auf dem Gebiete der Gastechnik sind jedoch nicht allein eine Folge der Verwendung höherer Temperaturen, sondern es spielt hierbei auch noch das Wesen der Lichtemission eine bedeutende Rolle. Auch die Lumineszenzwirkung, d.h. das Leuchten von Dämpfen oder Gasen, kann dazu dienen, die Leuchtkraft von Flammen zu erhöhen. Ich erinnere dabei an die Tatsache, daß man Flammen durch Karburierung, d.h. Beimischung von Kohlenstoffverbindungen, zu hellerem Leuchten anregen kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Leuchtkraft einer Petroleumlampe durch Hineinlegen von Kampferstückchen in das Petroleum oder einer Gaslampe durch Leiten des Gases über Karburierbenzol zu erhöhen. Eine Steigerung der Helligkeit läßt sich ferner durch Einführung von Dämpfen der Natrium-, Kalium-, Lithiumverbindungen oder von staubförmigen Teilchen des Strontiums, Baryums oder Flußspats erzielen, wie wir es später bei den Flammenbogenlampen sehen werden. Betrachtet man diese Flammen durch ein Spektroskop, so erkennt man, daß in ihnen Strahlen bestimmter Farbe besonders hervortreten. Anders ist die Art des Glühens, wie sie durch einen elektrischen Strom hervorgerufen wird. Dabei unterscheiden wir unter den verschiedenen Lichtquellen: Glühlampen, Bogenlampen, Quecksilberdampflampen und das Moore-Licht. Die Glühlampen werden da angewendet, wo nur verhältnismäßig niedrige Leuchtkraft erforderlich oder, wie bei den Metallfadenlampen mit hoher Leuchtkraft über 100 HK bis 1000 HK, wo der Fortfall der Bedienung in Frage kommt. Während man ursprünglich Kohlenfadenlampen mit etwa 3,4 W/HK spez. Verbrauch benutzte, hat man sich dann den wirtschaftlicheren Nernst- und Tantallampen mit 1,7 W/HK und neuerdings den Metallfadenlampen mit etwa 1,2 bis 0,8 W/HK Verbrauch zugewandt. Für größere Lichtmengen, insbesondere wo eine starke punktförmige Lichtquelle erforderlich ist, wie bei Scheinwerfern, Projektionsapparaten usw., kommen die Bogenlampen in Frage. Hierbei wird infolge des Stromüberganges zwischen zwei Kohlenspitzen ein Lichtbogen gebildet, wie ihn schon Alessandro Volta und später (1809) Davy erzeugt haben. Beim Stromübergang entwickelt sich an der positiven Kohle eine Temperatur von etwa 4000° C, an der negativen 2500°. Dadurch kommen die Spitzen, besonders die positive zum hellen Leuchten, während der Flammenbogen selbst geringere Helligkeit besitzt. Sämtliche verschiedenen Formen von Bogenlampen stellen nur Mechanismen verschiedener Art dar, um den Lichtbogen zu bilden und die Kohlen entsprechend ihrem Abbrand in gleichem Abstand zu halten. Die Bogenlampen mit Reinkohlen hatten einen Durchschnittsverbrauch von 1,7 W/HK mittlerer hemisphärischer Intensität mit Glocke und 1,2 W/HK ohne Glocke. Um nun das öftere Auswechseln der Kohlenstäbe zu vermeiden und eine längere Brenndauer zu erzielen, schloß man den Lichtbogen in eine Glasglocke ein, die nur wenig Luft in das Innere eintreten ließ. Dadurch wurden die Kohlen in einer sauerstoffärmeren Atmosphäre verbrannt und der Abbrand geringer. Diese sogen. Dauerbrandlampen zeigten daher eine Brenndauer von 80 bis 100 Stunden mit einem Paar Kohlen gegenüber 8 bis 10 Stunden bei den gewöhnlichen Lampen. Wenn dadurch auch der Strom bei gleicher Helligkeit auf die Hälfte sank, so stieg die Spannung fast auf das Doppelte (etwa 80 Volt) und der spezifische Verbrauch erreichte nur den Wert von 1,5 W/HK. Wesentlich besser sind die Eigenschaften der Bogenlampen gekapselter Bauart (z.B. Regina, Reginula usw.), da sie nur 0,8 W/HK bei 200 bis 300 Stunden Brenndauer beanspruchen. Durch Verringerung der Kohlenstärke auf 6 mm sinkt der Verbrauch auf 0,5 W/HK (Helia) bei 40 bis 50 Stunden Brenndauer. Die Helialampe enthält allerdings schon einen Docht mit Leuchtzusätzen und bildet daher den Uebergang zu den Flammenbogenlampen. Verwendet man nämlich Kohlen, deren mittlerer achsialer Teil, Docht genannt, aus Kohlenpulver, Wasserglas und verschiedenen Oxyden und Salzen des Strontiums, Baryums und Kalziums besteht, so schweben die staubförmigen Zusätze nach dem Verbrennen des Kohlenpulvers als leuchtende Teilchen in dem Lichtbogen und erteilen der Flamme eine besondere (gelbliche, rötliche oder perlweiße) Färbung und hohe Leuchtkraft. Der Verbrauch beträgt etwa 0,2 W/HK bei 6 bis 8 Stunden Brenndauer. Von den neueren Fabrikaten dieser Art sind dabei zu nennen: Die Bremerlampen, Polar-Flammenbogenlampe (Carbonlicht-Ges.), Prima-Effektlampe (Regina) Effektlampen (Siemens-Schuckert), Becklampe u.a.m. Wesentlich anders spielen sich die Vorgänge in den sogen. Quecksilberdampflampen ab. Hierbei wird die Wärmewirkung des Stromes dazu benutzt, um Quecksilber in einem geschlossenen und stark luftverdünnten Glasgefäß in Dampfform umzuwandeln und zum Glühen zu bringen. Der Quecksilberdampf dient dann als Stromleiter und sendet eine große Lichtmenge bei verhältnismäßig geringem Energieverbrauch aus. Zu den Quecksilberdampflampen gehören die Aronslampe der AEG, Berlin und die von Cooper Hewitt angegebene Form der Westinghouse El. Co., Pittsburg. Sie haben jedoch ebenso wie die Uviol- und Hageh-Lampen von Zeiß und Heraus den Nachteil, daß sie fast nur blaue und violette Strahlen aussenden. Diese sind zwar chemisch äußerst wirksam zur Herstellung von Photographien und Lichtpausen, jedoch für die Beleuchtung von Wohnhäusern, Kunsthallen, Theatern unbrauchbar, da sie die Farben stark verändert erscheinen lassen. So wird z.B. rot als schwarz, blau als violett erhalten. Die Ursache dieser einseitigen Farbenausstrahlung liegt darin, daß der Quecksilberdampf bei einer Temperatur von nur etwa 400° C leuchtet. Erhöht man dagegen die Temperatur des Quecksilberdampfes auf etwa 5000° C, wie es Dr. Küch zuerst bei der von ihm angegebenen Quarzlampe getan hat, so treten neben den blauen Strahlen noch grüne und gelbe, wenn auch nur in verhältnismäßig nicht großer Menge auf, wodurch das Licht glänzender wird. Steinmetz verwendet dafür die Halogensalze der Leichtmetalle. Hierbei entsteht jedoch innerhalb des Gefäßes ein Druck von etwa 1,2 at. Der großen Hitze und dem Druck würden Glasgefäße nicht standhalten. Deshalb bestehen die Röhren aus Quarzglas, welches aus dem sehr schwer (6000° C) schmelzbaren Bergkristall hergestellt wird. Dieses Material hat außerdem die wertvolle Eigenschaft, auch die violetten und ultravioletten Strahlen vollständig durchzulassen. Der spezifische Verbrauch beträgt hierbei nur 0,27 W/HK. Außerdem sind keine Kohlen oder Wartung erforderlich. Die Brenndauer beträgt normal 1000 Stunden, maximal 2500 + 10000 Stunden. Ferner kann die Lampe in Einzelschaltung mit 220 Volt brennen. Der Preis beträgt für 3000 HK, 3,5 Amp. etwa 200 M, für 1500 HK, 2,5 Amp. etwa 170 M. Tatsächlich kommt nach einmaliger Anschaffung jedoch nur ein Ersatzbrenner für 25 M in Frage. Während nun alle bisher angegebenen Beleuchtungskörper fast ausschließlich Spezialzwecken dienen, kann man die elektrische Glühlampe in der modernsten Form für Lichtstärken von 5 bis 1000 HK als Universallichtquelle betrachten. Es ist daher wohl interessant, gerade ihre Entwicklung und Herstellungsweise genauer kennen zu lernen. Im Jahre 1878 führte Th. A. Edison die erste Glühlampe auf der Ausstellung in Paris vor. Die Herstellung der Lampe geschah in der Weise, daß eine Schleife von dünnem Platindraht in einer luftleer gepumpten Glasbirne angeordnet und ihre Enden zu zwei Kontakten eines Sockels geführt wurden. Das teuere Material, das Abschmelzen und Verdampfen des Fadens bei Ueberspannungen und die Forderung billigerer Herstellungsmethoden führten allmählich zur Verwendung von Kohlenfäden. Anfänglich konnte man jedoch nur Lampen für Spannungen von 65 bis höchstens 110 Volt herstellen. Erst die verbesserten Fabrikationsverfahren und die Hintereinanderschaltung mehrerer Glühfäden in einer Lampe, sowie die Anbringung von Stützen und Verankerungen des Fadens ermöglichten es, Lampen für höhere Spannungen bis zu 250 Volt zu bauen. Ursprünglich waren die Kohlenfäden aus Bambusfaser bereitet, die durch einen Satz von immer enger werdenden Düsen gezogen wurde. Sie zeigten jedoch keine genügende Gleichmäßigkeit und Haltbarkeit. Man ist daher zu folgendem noch heute gebräuchlichen Verfahren übergegangen. Eine breiartige Masse aus Zellulose, die durch Einwirkung von verdünnter Schwefelsäure auf Baumwolle und nachfolgendes Auswässern erhalten wird, oder Eisessigkollodium wird durch dünne Oeffnungen zu feinen Fäden ausgespritzt. Die entsprechend geformten Fäden werden dann unter Luftabschluß geglüht und verkohlen dabei. Nun befestigt man sie in dem Sockel einer Lampe und bringt sie in einer Atmosphäre von schweren Kohlenwasserstoffen zum Weißglühen, wobei sich Kohlenstoff in Form von Graphit abscheidet. Da nun die dünneren Stellen stärker. glühen, so scheidet sich an ihnen mehr Graphit ab, als an den stärkeren und daher weniger glühenden. Nachdem der Faden auf diese Weise eine genügende und gleichmäßige Dicke erhalten, etwa 0,3 mm für 220 Volt und 32 HK, wird er in die Glasbirnen eingeschlossen und diese durch Quecksilber-, Oel- oder Kapselpumpen nahezu luftleer gepumpt. Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit wurde durch das von John W. Howell, Ingenieur der General Electric Co., Schenectady, in der 22. Jahresversammlung des American Institute of Electrical Engineersvergl. Journal für Gasbeleuchtung 1906, S. 219. angegebene Verfahren der Metallisierung von Kohlenfäden erzielt. Gewöhnlicher Kohlenstoff hat einen spezifischen Widerstand ρ = 2000 ÷ 5000 Mikrohm-Zentimeter und ein spez. Gewicht γ = 1,88; für Graphit gilt ρ = 200 ÷ 800 Mikrohm-Zentimeter und γ = 1,8 – 2,25. Glüht man nun einen Kohlenfaden unter Luftabschluß sehr stark, so nimmt sein spez. Widerstand sehr bedeutend ab. Außerdem wird der ursprünglich negative Temperaturkoeffizient allmählich gleich Null und steigt bisweilen bei Erhöhung der Glühtemperatur auf einen positiven Wert. Der Faden verhält sich dann wie ein Metall oder Leiter erster Klasse, weswegen er die Bezeichnung metallisiert erhalten hat. Nach dem Brennen in einer Glühtemperatur von 3500° bis 3700° C zeigt der metallisierte Faden einen spez. Widerstand ρ = 70 ÷ 60 Mikrohm-Zentimeter, ein spez. Gewicht γ = 1,96 und einen positiven Temperaturkoeffizienten. Die weiteren Versuche, den Stromverbrauch zu ermäßigen und die Oekonomie der Lampen zu verbessern, führten zur Konstruktion der Nernstlampe im Jahre 1899. Hierbei ist der Glühfaden ein Leiter zweiter Klasse, bestehend aus Magnesiumoxyd mit Zusätzen von Kaolin, Thorium- oder Ceriumoxyd. Da er jedoch bei gewöhnlicher Temperatur ein schlechter Leiter ist, sein Widerstand mit höherer Temperatur aber abnimmt, so wird in seiner Nähe eine kleine Heizspirale zur Vorwärmung angebracht. Wird nach dem Anwärmen der durch den Glühfaden fließende Strom so stark, daß er zur weiteren Steigerung der Temperatur genügt, so schaltet sich die im Nebenschluß zum Glühkörper liegende Heizspirale durch ein Relais selbsttätig ab. Zum Schütze des Glühfadens dient eine Glasglocke, die nicht luftdicht abgeschlossen ist, da der Leuchtkörper als Oxyd ja nicht verbrennen kann. Die Lampe hat jedoch den Nachteil, daß erst eine gewisse Zeit (etwa 15“) notwendig ist, um sie zum Glühen zu bringen. Sie ist daher jetzt nur noch als Projektionslampe oder bei Aerzten in Verwendung. Gleichzeitig mit der Nernst-Lampe wurden von der Deutschen Gasglühlicht-Aktiengesellschaft, Berlin, im Jahre 1900 Lampen mit einem Metallfaden aus Osmium zum ersten Male in den Handel gebracht, die jedoch wegen des nur geringe Festigkeit zeigenden Materials und der niedrigen bis etwa 50 Volt reichenden Gebrauchsspannung keine große Zukunft hatten. Erst die von Siemens & Halske, Berlin, gebaute Tantallampe vom Jahre 1903 konnte mit der Kohlenfadenlampe erfolgreich konkurrieren. Sie enthält einen Glühfaden aus reinem, gezogenem Tantalmetall. Die Gewinnung und Verarbeitung des Tantals geschieht in folgender Weise. Unter den in besonders reichlicher Menge in Schweden, Norwegen, Nordamerika und Australien gewonnenen Tantalerzen kommen für die Tantalfabrikation hauptsächlich die Tantalite und Columbite in Frage. Erstere bestehen vorzugsweise aus tantalsaurem Eisen und Mangan mit 50 bis 70 v. H. Tantalsäure (Ta2O5), während die Columbite daneben noch Niob in Form von Eisen- und Manganniobverbindungen und nur 15 bis 40 v. H. Tantalsäure enthalten. Durch entsprechende chemische Behandlung wird die Tantalsäure aus den Erzen gewonnen und durch Zusatz von Fluorkalium zu dem Doppelsalz Tantalkaliumfluorid (KFl)2 TaFl5 bezw. (KFl)2 TaOH3 umgewandelt. Durch Erhitzen mit Natrium im Wasserdampfstrom nach der Methode von Berzelius und Rose entsteht ein schwarzes Pulver, das noch Oxyde und Wasserstoff enthält. Zur Reinigung und Schmelzung wird das Pulver in Form von Patronen im elektrischen Ofen unter Anwendung eines hohen Vakuums stark erhitzt, wobei die Gasreste dissoziiert und entfernt werden. Als Endprodukt bleibt ein Regulus von Tantalmetall, der durch öfteres Umschmelzen noch an Reinheit gewinnt. Da der Schmelzpunkt des Tantals etwa bei 2900° C liegt, so bereitet das Schmelzen große Schwierigkeiten bei der Darstellung. Die Siemens & Halske A.-G., Berlin, ließen sich dafür u.a. folgendes VerfahrenL'Electricien 1907, S. 369. patentieren. Die zu schmelzende Metallmasse wird an der Anode einer luftleer gepumpten Crookeschen Röhre befestigt. Beim Stromdurchgang werden kleine Teilchen, Corpuskeln genannt, von der Kathode mit ungeheurer Geschwindigkeit gegen die Tantalmasse fortgeschleudert. Dabei werden infolge des Anpralls große Mengen kinetischer Energie vernichtet und in Wärmemengen umgesetzt, die eine so hohe Temperatur hervorrufen, daß das Tantalmetall in kurzer Zeit zum Schmelzen kommt. Tantal wird von kochender Salzsäure, Schwefelsäure Salpetersäure und Königswasser oder in alkalischen Lösungen nicht angegriffen. Nur Flußsäure übt eine Einwirkung aus. In der Rotglut läßt es sich zu Blech hämmern und kalt zu Draht walzen und ziehen. Durch wiederholtes Glühen und Hämmern erlangt es dagegen die Härte des Diamanten bei größter Zähigkeit. Seine Zerreißfestigkeit beträgt 9000 kg/qcm. Mit Kohlenstoff bildet es in der Rotglut Karbide, die sehr brüchig sind. Reines Tantal hat ein spez. Gewicht von 16,5 im Gegensatz zu dem in den Lehrbüchern der Chemie angegebenen von 12,8 (nach Moissan), woraus ersichtlich ist, daß man bisher niemals Tantal in reiner Form, sondern nur als Karbid gekannt hat. Der spez. elektrische Widerstand beträgt ρ = 16,5 Mikrohm-Zentimeter, d.h. etwa ⅙ von dem des Quecksilbers. Der Temperaturkoeffizient ist α = 0,234 v. H. für 1° C. Während also bei der Kohlenfadenlampe der Widerstand mit höherem Temperaturkoeffizient bezw. Spannung abnimmt, wird er bei den Metallfadenlampen größer, so daß letztere beim Einschalten einen stärkeren Strom als den normalen führen. Aus dem Tantalmetall werden nun Fäden von äußerst geringer Dicke (0,05 mm für 110 V, 25 HK) gezogen. Da nun für 110 V Spannung eine Länge von 65 cm erforderlich ist und die Glühlampe die Größe einer Kohlenfadenlampe nicht überschreiten sollte, so muß der Faden in 22 Zickzackwindungen auf einem der Siemens & Halske A.-G. patentierten System von Haltedrähten in Wellenform befestigt werden. Im Anfang des Jahres 1906 trat auch die Deutsche Gasglühlichtgesellschaft, Berlin, mit einer praktisch brauchbaren Metallfadenlampe, die sie entsprechend der ursprünglichen Zusammensetzung des Glühkörpers aus Osmium und Wolfram als Osramlampe bezeichnete, an die Oeffentlichkeit. Sie hatte gegenüber der Tantallampe den Vorzug, daß sie nur etwa 1 W/HK anstatt 1,5 W/HK verbrauchte. Versuche mit Verbindungen von Zirkon und Kohle führten zur Konstruktion der Zirkonkohlen- und Zirkon-Lampe von Dr. Hollefreund, Berlin, während die Firma J. Pintsch, Berlin, nach dem Verfahren von Dr. H. Kužel die „Sirius-Kolloid“-Lampe in den Handel brachte. Es folgten dann die Lampen der Wolframlampen A.-G., Bergmann Elektrizitätswerke, Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft, Berlin, und einige Lampen, die noch weniger bekannt sein dürften, z.B. die Helion-Lampe von Prof. H. C. Parker und W. Clark, Dozenten an der Columbia-Universität, die Canello-Lampe und die von J. A. Heany zum Patent angemeldete Titanfadenlampe vom Jahre 1907. Alle diese Arten von Lampen haben Glühfäden, deren Herstellung nicht durch Walzen oder Ziehen erfolgen konnte. Da nämlich die hierfür in Frage kommenden Metalle in reiner Form zu spröde und brüchig, teilweise auch sehr schwer schmelzbar sind, um daraus Material zum Ziehen von Drähten herstellen zu können, so mußte man die Fäden durch Zusammensintern kleiner Teilchen erzeugen. Dabei kann man drei Verfahren unterscheiden: 1. das Pasteverfahren nach Dr. Auer v. Welsbach, 2. das Ueberzugsverfahren nach Dr. Just-Hanamann, 3. die Methode der Anwendung kolloidaler Lösungen nach Dr. Kużel. Schon im Jahre 1900 wurde von der Deutschen Gasglühlicht-A.-G., Berlin, die jetzt nicht mehr fabrizierte Osmiumlampe nach dem Pasteverfahren hergestellt. Osmium gehört zur Gruppe der Platinmetalle und besitzt ein spez. Gewicht γ = 22,5. Es ist an der Luft leicht oxydierbar, sein Schmelzpunkt liegt bei 2500° C. Aus der Osmiumsäure (OsO4), die durch Glühen an der Luft oder Behandlung mit Chlor in Gegenwart von Wasser erhalten wird, scheidet sich durch reduzierende Mittel Osmiummetall als feines Pulver ab. Durch geeignete Bindemittel, z.B. Zuckerlösung, wird aus dem Osmiumpulver eine Paste hergestellt, die durch feine Diamantdüsen zu dünnen Fäden von etwa 0,1 mm Dicke ausgepreßt wird. Nach dem Trocknen der entsprechend gebogenen Fäden wird durch Glühen das Bindemittel verkohlt. Darauf erfolgt das Formieren, indem die Fäden in einer feuchten, wasserstoffhaltigen Atmosphäre allmählich bis auf etwa 2800 bis 3000° C erhitzt werden. Dabei wird der Kohlenstoff aus dem Faden entfernt und die feinen Osmiummetallteilchen werden in der hohen Temperatur so fest aneinander geschweißt, daß sie einen Metallfaden von 0,05 mm ∅ und gleichmäßiger Beschaffenheit bilden, dessen Temperaturkoeffizient α = 0,372 v. H. für 1° C beträgt. Da das Osmiummetall sehr weich und teuer ist und wegen seines geringen Widerstandes nur für Lampen bis zu 50 Volt benutzt werden konnte, stellte die Firma seit dem Jahre 1906 den Glühfaden aus Wolfram mit einigen Zusätzen von Osmium, Molybdän und dergl. her und nannte die Lampe danach Osramlampe. Die Dicke des Fadens bei einer Lampe für 110 Volt und 25 HK betrug 0,044 mm. In ähnlicher Weise wurde die Zirkonlampe von Dr. Hollefreund aus Zirkonoxyd und einem Bindemittel hergestellt, während Dr. Zernig eine Mischung von Zirkon und Wolfram benutzte. Auch auf die TitanfadenlampeElectrical World 1907, S. 334. von J. A. Heany vom Jahre 1907 wurde das Pasteverfahren angewendet. Titan findet sich in der Natur ziemlich selten als Titanoxyd (TiO2). Es bildet als freies Metall ein graues metallglänzendes Pulver. Der Glühfaden wird aus einer Paste einer leitenden Titanverbindung hergestellt, indem Titanoxyd (TiO2) durch Erhitzen in Ammoniak zu Titandinitrid (TiN2) umgewandelt und dieses mit Wasser oder Paraffin zu einer Paste angerührt wird. Die Fäden werden im Vakuum erhitzt, wobei sich das Dinitrid zersetzt und einen Glühkörper aus reinem zusammengesintertem Titanmetall zurückläßt. (Schluß folgt.)