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DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E I N-WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretăr Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr. 551
Prof. Dr. phil. Walter Weizel
Dipl.-Phys. Berthold Brandt
Institut fur Theoretische Physik der Universităt Bonn
Betriebsbedingungen einer stromstarken Glimmentladung
Ais Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-00449-3 ISBN 978-3-663-02362-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02362-3
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
1. Stabilitätseigenschaften einer Glimmentladung •.••.• S. 7
2. Ursachen für den Umschlag, die von der Kathode herrühren S. 13
3. Die Montage der Elektroden einer stromstarken Glimmentla-
dung und ihre Isolation • S. 22
4. Die Entladung im Spalt •••• S. 25
a) Die Entladung in einem Spalt zwischen Kathode und
Anode S. 25
b) Die Entladung in einem Spalt zwischen Kathodenflächen S. 27
c) Die Entladung in einem Spalt zwischen einer Kathoden-
fläche und einer isolierten Metallfläche • • • • . • • S. 30
d) Die Entladung in einem Spalt zwischen Kathode und iso-
lierender Wand • S. 33
e) Spalte zwischen Isolatoren S. 35
5. Konstruktionen für die Isolation der Kathode S. 38
6. Isolation der Anode gegen ein kathodisches Entladungs-
gefäß • • • • • • • S. 48
7. Zusammenfassung. S. 51
8. Literaturverzeichnis S. 53
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Betriebsbedingungen einer stromstarken Glimmentladung
Daß sich Glimmentladungen von sehr großer Stromstärke (20-50 A) betrei
ben lassen, ist erst seit kurzer Zeit allgemeine bekannt. Die techni
schen Untersuchungen von BERGHAUS (1) und seinen Mitarbeitern haben be
wiesen, ~aß man eine solche Entladung durch längere Zeiten völlig be
triebssicher handhaben kann, was allerdings die Anwendung einiger tech
nischer Kunstgriffe erfordert. Wenn auch vielleicht Glimmentladungen grö
ßerer Stromstärke da und dort gelegentlich beobachtet worden sind ohne
besondere Beachtung zu finden, hat es bis vor kurzem als Regel gegolten,
daß eine Glimmentladung in einen Lichtbogen umschlägt, wenn man ver
sucht, die Stromstärke über 2-3 A zu erhöhen. Ohne besondere Vorsicht
maßnahmen erhält man in der Tat bei höheren Strömen statt der Glimment
ladung einen Lichtbogen.
Diese Untersuchung setzt sich das Ziel, einige betriebliche und konstruk
tive Gesichtspunkte herauszuarbeiten, welche man beachten muß, Henn man
eine stromstarke Glimmentladung zuverlässig handhaben will. Es handelt
sich dabei hauptsächlich um einige Kunstgriffe der Konstruktion und des
Verfahrens, welche entweder einzeln oder miteinander kombiniert ange
wandt werden müssen. Einige von ihnen lassen sich aus dem Mechanismus
der Entladung verstehen, während andere vorwiegend aus der Erfahrung ge
wonnen sind.
Es gibt drei Möglichkeiten, die Stromstärke einer Glimmentladung in die
Höhe zu treiben:
1. Vergrößert man die Oberfläche der Kathode ohne den Druck und die
Brennspannung erheblich zu verändern, so bleibt bei vielen Anordnun
gen die Stromdichte ungefähr dieselbe. Die Entladung breitet sich
einfach auf die größere Kathodenfläche aus. Der Strom erhöht sich
einigermaßen proportional zur Kathodenoberfläche.
2. Erhöht man die Brennspannung der Entladung, so steigt bei gleichblei
bender Kathodenoberfläche die Stromdichte und mit ihr die Stromstärke.
Dieses Verfahren ist nur durchführbar, wenn die ganze zur Verfügung
stehende Kathodenoberfläche bereits von der Entladung bedeckt ist.
Ist dies nicht der Fall, so führt schon eine geringfügige Erhöhung
der Brennspannung zu einer Ausbreitung der Entladung auf der Kathode
und hierdurch allerdings auch zur Erhöhung des gesamten Stromes.
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Dieses Verfahren der Stromerhöhung in der Nähe des normalen Kathoden
falls wäre jedoch mehr unter Ziffer 1) zu betrachten.
3. Erhöht man den Druck des Entladungsgases, so führt dies bei wenig
steigender Brennspannung ebenfalls zu höherer Stromdichte und damit
bei gleichbleibender Elektrodenoberfläche zu größerer Stromstärke.
Eine gewisse Erhöhung der Brennspannung muß bei Druckerhöhung vorge
nommen werden, besonders, wenn der Abstand des Elektroden etwas grö
ßer als notwendig ist.
Wir kommen damit zu drei einfachen Gesichtspunkten, nach denen man
stromstarke Glimmentladungen klassifizieren kann. Wendet man nur eines
der drei Hilfsmittel zur Erzielung hoher Ströme an, so erhält man fol
gende drei extremen Grenzfälle:
1. Die großflächige Entladung, bei der die Stromdichte, die Brennspan
nung und der Gasdruck keine außergewöhnlichen \{erte annehmen. Die
hohe Stromstärke ist die Folge der großen Kathodenoberfläche (meist
auch großen Anodenoberfläche).
2. Die hochanormale Entladung, welche mit hoher Brennspannung und Strom
dichte betrieben wird, ohne daß der Gasdruck ungewöhnlich hoch oder
die Elektrodenoberflächen ungewöhnlich groß wären ( 2, 3).
3. Die Entladung bei relativ hohen Drucken, welche mit großer Stromdich
te, jedoch mäßiger Brennspannung betrieben wird. Sie liefert auch an
(4).
Elektroden mäßiger Größe schon große Stromstärken
In Wirklichkeit wird große Stromstärke meist erzielt, indem man die Ent
ladung an großen Elektroden betreibt, außerdem aber entweder mit der
Brennspannung beträchtlich über die minimale Brennspannung hinausgeht
oder aber mit etwas höheren Drucken arbeiten. Man hat dann einen Ent
ladungs typ vor sich, der zwischen den Extremtypen 1 und 2 oder den Ex
tremtypen 1 und 3 liegt. Versucht man, hohe Stromstärken zu erzielen,
indem man hohe Brennspannungen mit hohen Drucken kombiniert, jedoch mit
relativ kleinen Elektroden arbeitet, so entstünde ein Übergang zwischen
den Extremtypen 2 und 3. Diese Entladung ist aber besonders schwer zu
handhaben und neigt in besonders hohem Maße dazu, in einen Lichtbogen
umzuschlagen.
Beim Betrieb stromstarker Glimmentladungen begegnen wir zwei Haupt
schwierigkeiten von völlig verschiedenem Charakter. In der Regel ist
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die Brennspannung der Glimmentladung wesentlich höher als die eines
Lichtbogens von gleicher Stromstärke zwischen denselben Elektroden.
Dies gilt wenigstens für große Stromstärken. Die Glimmentladung ist al
so nicht die stabile Entladungsform, sondern sie kann an sich in die
stabilere Entladung des Lichtbogens umschlagen. Da die Brennspannung
des Lichtbogens mit wachsendem Strom abnimmt, ist die Gefahr des Um
schlags um so größer, je höher die Stromstärke ist (5=1).
Die zweite Hauptschwierigkeit beim Betrieb einer stromstarken Glimment
ladung hängt mit der Montage der Elektroden im Entladungsraum zusammen.
Die Elektroden, insbesondere die Kathode, müssen irgendwo an 1solierma
terial angrenzen, welches durch die Entladung verändert und in seiner
Isolationsfähigkeit gemindert werden kann. Durch metallische Bestäubung
oder Bedampfung kann die Isolationsfähigkeit sogar ganz verlorengehen.
Wenn die Elektrode in der Entladung auf hohe Temperaturen kommt, kann
das an sie angrenzende Isolationsmaterial durch Erhitzen zerstört wer
den oder seine mechanische oder elektrische Festigkeit verlieren. Durch
Zerstäuben oder Verdampfen des Isolationsmaterials kann die Elektrode
mit Fremdstoffen verunreinigt werden. Endlich kann schon durch thermi
sche Ausdehnung die genaue Justierung der Entladungsanordnung verloren
gehen, abgesehen davon, daß mechanische Spannungen oder gar Brüche auf
treten. Als besondere Komplikation ist noch in Betracht zu ziehen, daß
die beschriebenen Veränderungen am Isolationsmaterial bevorzugte Ansatz
stellen für den Umschlag in den Lichtbogen liefern.
Die zweite Gruppe von Hauptschwierigkeiten pflegt beim Betrieb einer
Entladung nach längerer Zeit besonders wirksam zu werden. Will man die
Entladung nur während kurzer Zeit betreiben, so macht die Montage der
Entladungsanordnung mit Hilfe von Isolationsmaterial gewöhnlich keine
Schwierigkeiten. Erst in Dauerbetrieb über mehrere oder gar viele Stun
den stellt sich heraus, daß Anordnung oder Material den Betriebsansprü
chen nicht gewachsen sind.
1. Stabilitätseigenschaften einer Glimmentladung
Die Brennspannung einer Glimmentladung, welche zwischen zwei großen
ebenen Elektroden brennt, setzt sich aus dem Kathodenfall, dem Spannungs
bedarf für den Transport der Elektronen aus dem negativen Glimmlicht zur
Anode und dem Anodenfall zusammen. Der Kathodenfall ist bei gegebener
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Gasdichte, Gasart und Elektrodenbeschaffenheit nur von der Stromdichte
abhängig und steigt mit ihr. Bei-vorgegebener Stromstärke ist der Katho
denfall am niedrigsten, wenn sich die Entladung gleichmäßig über die
Kathode verteilt, jede Ungleichmäßigkeit der Stromverteilung, insbeson
dere jede Kontraktion der Entladung auf einem Teil der Kathodenoberflä
che erhöht den Kathodenfall. Die steigende Kennlinie des Kathodenfalls
wirkt also der Zusammenziehung der kathodischen Entladungsteile ent
gegen.
Die Entladungsstrecke zwischen negativem Glimmlicht und der Anode verhält
sich durchaus anders als die kathodischen Entladungsteile selbst. Ist
der Abstand der Elektroden so klein, daß die Anode in das negative
Glimmlicht eintaucht, so stimmt die Brennspannung fast mit dem Kathoden
fall überein, d.h., der Transport der Elektronen zur Anode erfordert
kaum zusätzliche Spannung. Auch ein Anodenfall fehlt. Die Anode nimmt
bei solchen Betriebsbedingungen den Strom in gleichmäßiger Verteilung
über die ganze der Kathode gegenüberstehende Fläche auf.
Macht man den Elektrodenabstand etwas größer, so daß die Anode nicht
mehr vom Glimmlicht bespült wird, so bedeckt sie sich mit anodischem
Glimmlicht, unter Umständen mit anodischen Perlen und Blasen (6). Noch
immer steuert der Kathodenfall den weitaus größen Teil zur Brennspannung
bei, der kleine Unterschied zwischen Kathodenfall und Brennspannung
liegt hauptsächlich als Anodenfall über dem anodischen Glimmlicht. Die
Bildung von Perlen bedeutet eine lokale Konzentration der Strombahnen
vor der Anode, die natürlich eine Störung darstellt. Die Perlenbildung
für sich allein beschwört jedoch in der Regel noch keine Gefahr des Um
schlags in den Lichtbogen herauf, solange sich aus den Perlen keine säu
lenartigen Entladungsgebilde entwickeln, die man meist erst bei größeren
Gasdrucken oder größeren Elektrodenabständen beobachtet.
Werden Druck oder Elektrodenabstand weiter vergrößert, so wächst der
Anteil der Brennspannung, welcher zwischen Glimmlicht und Anode liegt.
In diesem Entladungsgebiet können sich je nach den Bedingungen sehr
vielgestaltige Entladungsgebilde entwickeln, welche zum Teil mit einer
deutlichen Kontraktion der Strombahnen verbunden sind, wie man visuell
direkt sehen kann. Diese Entladungsgebilde von säulenartigem Charakter
(7) verraten ihre Neigung zur Kontraktion meist schon durch ihre fallen
de Kennlinie. Insbesondere können aus Perlen säulenartige Büschel her-
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vorwachsen, welche den Raum zwischen Anode und Glimmlicht überbrücken.
Diese Gebilde sind durchaus als eine Vorbereitung des Umschlages in den
Bogen zu betrachten und müssen tunlichst vermieden werden, wenn man
eine stromstarke Glimmentladung betreiben will. Bei genügender Strom
stärke nehmen diese säulenartigen Entladungsteile selbst bereits den
Charakter einer Bogensäule an (e) und vermindern hierdurch die Stabili
tät der stromstarken Glimmentladung.
Hält man umgekehrt den Elektrodenabstand zu klein, so daß die Anode die
Ausbildung des Glimmlichtes zu behindern beginnt, so steigt die Brenn
spannung der Entladung erheblich, während die Spannung des konkurrieren
den Lichtbogens bei kleinem Abstand kleiner wird. Bei ausgeprägter Be
hinderung wird außerdem die Entladung an den Rand der Elektrode gedrängt
und hierdurch bereits kontrahiert. Überdies sind im Bereiche der Behin
derung Entladungen von großer Stromdichte nur bei stark überhöhten
Brennspannungen möglich. Für die Stabilität der Entladung ist der Be
reich der beginnenden Behinderung also sehr ungünstig.
Rein phänomenologisch betrachtet, besteht der Umschlag in den Lichtbo
gen darin, daß der große EntladungsQuerschnitt der Glimmentladung in
den viel kleineren EntladungsQuerschnitt des Bogens übergeht und daß
sich die Stromdichte entsprechend erhöht, während die Brennspannung zum
mindesten im Endergebnis zurückgeht. Entladungsteile, an denen eine
Einengung des Stromweges stattfindet, stellen also bereits eine Annähe
rung an die im Lichtbogen herrschende Stromverteilung dar. Wenn diese
Entladungsteile überdies eine fallende Kennlinie besitzen, fördern sie
ein Anwachsen der Stromstärke und eine Senkung der Brennspannung, d.h.
den Umschlag der Glimmentladung in den Bogen. Wir kommen also zu dem
Ergebnis, daß es der Stabilität der Glimmentladung abträglich ist, den
Elektrodenabstand so groß zu machen, daß säulenartige Entladungsteile
auftreten, welche schon eine gewisse Kontraktion der Strombahnen auf
weisen und eine fallende Kennlinie besitzen. Die Bildung von Perlen und
Blasen auf der Anode bedeutet noch keine unmittelbare Gefahr des Um
schlags. Diese Erscheinungen sind aber doch als erste Anzeichen einer
Kontraktion zu bewerten und deshalb nicht erwünscht.
In einer früheren Untersuchung I haben wir die Stabilität einer Glimm
entladung diskutiert, deren Elektrodenabstand in dem Bereich zwischen
der beginnenden Behinderung und dem Erscheinen anodischer Entladungsteile
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Schema der Stabilitätsbereiche. NM Charakteristik einer Glimmentladung
mit dem Querschnitt des Lichtbogens.KLM Charakteristik eines Lichtbogens.
Fläche NML ist der absolut stabile Bereich; rechts von der Bogenkennli
nie zwischen der Verlängerung von NL über L hinaus und ihrer Parallelen
durch M liegt der relativ stabile Bereich der Glimmentladung.Nach links
von der Bogenkennlinie nach unten von der Horizontalen durch M begrenzt
liegt der Bereich, in dem nur der Bogen möglich ist
liegt. In ein Brennspannungs-Stromstärkediagramm (Abb. 1) zeichnen wir
die Lichtbogenkennlinie KLM ein, außerdem die Kennlinie NM einer Glimm
entladung, bei welcher die Kathodenoberfläche gleich dem Querschnitt
des Lichtbogens ist. An Kathodenoberflächen, welche größer als der Licht
bogenquerschnitt sind, gibt es bei Spannungen unterhalb der Linie NLK
überhaupt keine stabile Entladung. Bei Brennspannungen zwischen dem nor
malen Kathodenfall Nunder der Maximalspannung M ist die Glimmentladung
im Gebiet unterhalb der Kurve NML und oberhalb der horizontalen Linie
NL des normalen Kathodenfalls stabil.Ein Lichtbogen ist in diesem Be
reich nicht existenzfähig. Oberhalb der maximalen Brennspannung ~ ist
der Lichtbogen absolut stabil, die Glimmentladung absolut unstabil. Dar
unter ist zu verstehen, daß die Glimmentladung automatisch in den Bogen
umschlägt, d.h., daß in diesem Bereich eine stationäre Glimmentladung
nicht existenzfähig ist. Unterhalb der Maximalspannung M und rechts der
Lichtbogenkennlinie MLK besteht ein relativer Stabilitätsbereich, in
welchem der Lichtbogen zwar stabiler ist als die Glimmentladung, in dem
aber beide Entladungsformen bestehen können. Obwohl die Brennspannung
des Bogens bei gleicher StromstarKe niedriger liegt als die der Glimm-
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entladung, erfolgt ein Umschlag in den Bogen nicht ohne besondere Ver
anlassung. Beim Umschlag müßte sich der Entladungsquerschnitt verklei
nern, d.h., es müßten Zwischenstadien durchlaufen werden, welche zu
nächst eine höhere Brennspannung als die Glimmentladung erfordern. Die
steigende Kennlinie des Kathodenfalls einer Glimmentladung wirkt der
Kontraktion zu einem Lichtbogen entgegen und stabilisiert deshalb die
Glimmentladung.
In diesem Bereich relativer Stabilität tritt also der Umschlag der
Glimmentladung in den Bogen nicht automatisch ein, sondern er erfor
dert einen besonderen Anlaß, der vorübergehend eine höhere Brennspan
nung zur Verfügung stellt, oder den Spannungsbedarf bei der Kontrak
tion der Entladung reduziert. Der Bereich der relativen Stabilität wird
durch den Spannungswert M nach oben begrenzt, der nicht von der Größe
der Kathodenoberfläche, wohl aber von Elektrodenabstand, Gasdichte und
Stromergiebigkeit der Kathode abhängt. Erhöhung der Gasdichte, Verklei
nern des Elektrodenabstandes und Erhöhung der Stromergiebigkeit senken
die obere Grenze M des relativ stabilen Bereiches der Glimmentladung.
JENKINS und JONES (9) geben neuerdings einige exakt gemessene Zahlenwer
te für die verschiedenen Stabilitätsbereiche an. Man wird aus diesen
Stabilitätsüberlegungen wohl den Schluß ziehen dürfen, daß die Glimment
ladung einen um so geringeren Anlaß zum Umschlag in den Bogen benötigt,
je näher die Brennspannung der Spannungsgrenze M liegt. Die Gefahr des
Umschlags besteht also in besonders hohem Maße bei hohen Brennspannungen
und gleichzeitig hohem Druck. Dies ist durchaus in Übereinstimmung mit
experimentellen Erfahrungen. Solange keine anodischen Entladungsteile
entstehen, wird die Stabilität auch verbessert, wenn man einen möglichst
großen Elektrodenabstand einhält. Der günstigste Elektrodenabstand wird
also derjenige sein, bei dem die Anode gerade so weit in das negative
Glimmlicht eintaucht, daß das anodische Glimmlicht eben noch unterdrückt
wird. Wenn die Brennspannung nicht allzu hoch ist, d.h., wenn man sich
nicht im hochanormalen Kathodenfall befindet, und noch erheblich unter
der Maximalspannung M arbeitet, scheint allerdings eine Verkürzung des
Elektrodenabstandes gewöhnlich keinen Umschlag einzuleiten. Treibt man
jedoch die Annäherung der Anode an die Kathode so weit, daß die Entla
dung behindert wird und aus diesem Grunde die Brennspannung erheblich
steigt, so muß mit einem Umschlag in den Bogen gerechnet werden, wenn
die äußere Schaltung eine ausreichende Stromstärke zuläßt.
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