Schichten im Faradayschen Dunkelraum der Glimmentladung und elektrochemische Eigenschaften des Entladungsgases

61 Pages·1960·4.1 MB·German

by  Prof. Dr. phil Walter Weizel, Dipl.-Phys. Friedrich Laube (auth.)

DK 537.525
537.568
FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.857
Prof. Dr. phi I. Walter Weizel
Dipl.-Phys. Friedrich Laube
Institut für Theoretische Physik der Universität Bonn
Schichten im Faradayschen Dunkelraum der Glimmentladung
und elektrochemische Eigenschaften des Entladungsgases
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KCLN UND OPLADEN
1960
ISBN 978-3-663-00993-1 ISBN 978-3-663-02906-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02906-9
G 1 i e der u n g
Einleitung ••• s. 5
. . . . . . .
1. Äußere Formen der Dächer in der Entladung S. 8
. . .
2. Die Stabilisierung der Entladungserscheinungen S. 31
3. Der Einfluß von Strom und Gaszusammensetzung auf
.
. . . . .
die Dachbildung s. 39
.
.
4. Entstehungsbedingungen für die Dächer • s. 50
a) Kohlenwasserstoffe • • • • • S. 51
b) Gase und Gasgemische mit den drei Bestandtei-
len C, H, 0 •.•• . . . . . . . . . . . . . . . s. 51
c) Gase und Gasgemische mit den vier Bestandteilen
. . . . . . . . . .
C, N, Hund 0 s. 53
d) Gase und Gemische mit nur zwei der Bestand
teile C, H, 0, N ••••••• s. 54
e) Halogene, Halogenwasserstoffsäuren und Gemische
mit anderen Gasen s. 55
5. Spektroskopische Befunde s. 51
6. Das elektrische Verhalten der Dächer s. 59
. . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung s. 10
. . . . . . . . . .
Literaturverzeichnis • S. 12
Seite 3
Einleitung
Für die Glimmentladung sind bekanntlich die kathodischen Entladungsteile,
erste Kathodenschicht, Hittorfscher Dunkelraum und negatives Glimmlicht
charakteristisch. Außer ihnen beobachtet man keine weiteren Entladungs
gebilde, wenn Kathode und Anode ungefähr gleich groß sind und Druck und
Elektrodenabstand solche Werte besitzen, daß die Anode vom negativen
Glimmlicht umspült wird. Bei größeren Elektrodenabständen oder Drucken,
bei denen die Anode außerhalb des negativen Glimmlichts steht, erschei
nen auch die anodischen Entladungsteile: das anodische Glimmlicht,
eventuell auch anodische Perlen oder Blasen in der unmittelbaren Um
gebung der Anode. Zwischen den kathodischen und anodischen Entladungs
teilen liegt der FARADAYsche Dunkelraum, der allerdings auch nicht ganz
frei ist von einer Lichtemission.
Die Entladung mit kathodischen und anodischen Entladungsteilen, die
durch einen mehr oder weniger ausgedehnten FARADAYschen Dunkelraum ge
trennt sind, ist das gewohnte Bild einer Glimmentladung.
Im FARADAYschen Dunkelraum oder besser, an seiner Stelle, können mannig
faltige Entladungsphänomene erzeugt werden. Sie treten jedoch nur unter
besonderen Bedingungen auf, d.h. in gewissen Bereichen der Stromdichte,
des Druckes und des Elektrodenabstandes, der Art und Zusammensetzung
des Gases oder bei besonderen geometrischen Formen der Elektroden und
des Entladungsgefäßes.
Wohlbekannt ist die sogenannte positive Säule, die man stets erhält,
wenn der Entladungsraum die Form eines Rohres hat, gegen dessen Durch
messer der Elektrodenabstand groß ist. Ihre Entstehung verdankt die
positive Säule der Nähe der Rohrwand, welche dem Plasma Ladungsträger
durch ambipolare Diffusion entzieht. Das Rohr engt außerdem den Entla
dungsquerschnitt ein, auch dann, wenn sein Querschnitt größer als die
Oberfläche der Elektroden ist. Die Entladung würde sich bei den glei
chen Elektroden in einem weiten Entladungsgefäß eines weit größeren
Querschnitts bedienen, allerdings dann keine Säule, sondern nur einen
FARADAYschen Dunkelraum besitzen.
Viele Entladungserscheinungen, die man im oder anstelle des FARADAYschen
Dunkelraums beobachten kann, sind nur Modifikationen einer positiven
Säule: sie entstehen unter Mitwirkung von Gefäßwänden oder anderen fe
sten isolierenden oder leitenden Körpern, die von der Entladung berührt
werden. In Entladungsgefäßen, wie sie in den Abbildungen 1a, b, c
Sei te 5
skizziert sind, entstehen z.B. an den mit S bezeichneten Stellen leicht
leuchtende Zonen, die nach ihren Eigenschaften und ihrer Herkunft der
positiven Säule verwandt sind.
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a) b) c)
A b b i I d u n g 1
Bei höheren Drucken und größeren Elektrodenabständen kann man oft im
oder anstelle des FARADAYschen Dunkelraums Entladungsteile beobachten,
welche die gestreckte geometrische Form einer Säule besitzen. Sie ver
danken jedooh ihre Entstel}ung nicht der Nähe einer Gefäßwand. Ihre Ur
sache hängt vielmehr mit der hohen Dichte des Stroms oder besser, der
Stromleistung, die in diesen Entladungsteilen umgesetzt wird, zusammen.
Bei größeren Strömen (über 100 mA) und höheren Drucken (10 Torr und
darüber) können zwischen den Elektroden Säulen entstehen, welche mit
wachsender Leistung einer Lichtbogensäule immer ähnlicher werden und
sich sogar, wie diese, auf einen engen Kanal zusammenziehen, obwohl die
Entladung an den Elektroden noch völlig den Charakter einer Glimmentla
dung behält. In einem weiten Gefäß nützt diese Entladung also nicht den
ganzen Querschnitt aus, der ihr zur Verfügung steht. Die Konzentration
zu einer Säule wird meist noch dadurch gefördert, daß sich die Entladung
an der Anode in Perlen oder anderen bevorzugten Stellen zusammenzieht
und daß diese Kontraktion der Entladungsbahn sich in den FARADAYschen
Dunkelraum fortsetzt.
Bei hohen Drucken und sehr kleinen Stromstärken treten anstelle des
FARADAYsohen Dunkelraums ebenfalls häufig Säulen auf, weil die Entla
dung nur einen sehr kleinen Teil des zur Verfügung stehenden Querschnitts
einnimmt. Hier liegt die Ursaohe darin, daß das kathodische Glimmlicht,
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aber auch das anodische, nur eine sehr geringe Ausdehnung hat. Die Ent
ladung ist vor den Elektroden bereits kontrahiert, und es entstehen
säulenartige Erscheinungen vor der Anode oder Kathode oder auch vor bei
den Elektroden. So versteht es sich fast von selbst, daß man ähnliche
säulenartige Erscheinungen auch unter Bedingungen produzieren kann, un
ter denen sie gewöhnlich nicht auftreten; wenn man nämlich sehr kleine
Elektroden benutzt, die die Entladung in Elektrodennähe künstlich kon
zentrieren.
Die skizzierten Tatsachen zeigen, daß besondere Leuchterscheinungen im
oder anstelle des FARADAYschen Dunkelraumes aus zwei Gründen entstehen:
Die Nähe einer Wand, welche durch Trägerentzug die Feldstärke erhöht
oder, besonders bei höherem Druck, eine hohe Strom- und Leistungsdichte,
verursacht durch eine Konzentration der Entladungsbahn, die ihrerseits
verschiedene Gründe haben kann.
Eine von all den genannten Entladungsphänomenen sehr verschiedene Grup
pe von Entladungsgebilden im FARADAYschen Dunkelraum soll in dieser
Arbeit beschrieben und untersucht werden. Während die verschiedenen
Arten der Säulen in allen Gasen auftreten, wenn man in geeigneten Berei
chen von Strom, Gasdruck und Elektrodenabstand arbeitet, handelt es
sich jetzt um leuchtende Zonen, welche den FARADAYschen Dunkelraum wie
übereinandergeschichtete Schalen oder Dächer durchsetzen. Diese wollen
wir im folgenden als 'Dächer' bezeichnen, auch in denjenigen Fällen, wo
sie eine etwas andere Gestalt haben. In Luft, Stickstoff oder Sauer
stoff, in Wasserstoff und Edelgasen, kurz, in den meisten Gasen findet
man diese 'Dächer' nicht. In Gemischen von Kohlenwasserstoffen und Luft,
Stickstoff oder Sauerstoff, in Halogenwasserstoffen, in Gemischen von
Halogenen mit Wasserstoff oder anderen Gasen treten sie jedoch in gewis
sen Bereichen von Druck und Stromstärke auf.
Diese Entladungsformen werden nicht durch die Nähe der Gefäßwände, auch
nicht durch hohe Dichten des Stromes oder der Leistung verursacht,
höchstens durch diese Umstände in ihrer Gestalt modifiziert. Die Dächer
haben eine gewisse Ähnlichkeit mit den Schichten der positiven Säule
in einem Rohr, ihre Besonderheit ist aber, daß sie in weiten Gefäßen
beobachtet werden, d.h. unter Umständen, in denen andere Gase nur einen
FARADAYschen Dunkelraum ohne besondere Erscheinungen zeigen.
In der Literatur sind mehrfach Entladungserscheinungen beschrieben wor
den, die mit den Dächern eine gewisse Ähnlichkeit besitzen, doch scheint
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es sich immer zumindest um Mischformen mit anderen Entladungserschei
nungen zu handeln. So beschreiben EMELEUS und SAYERS [1] eine Neonent
ladung, die in einer Röhre von geringer Ausdehnung bei einem Druck von
2 Torr brannte. Ihr wurde etwas Chlor zugefügt, was zur Folge hatte, daß
eine positive Säule mit stark gebogenen, d.h. dachförmigen Schichten
entstand. Die Schichten waren durch dünne Dunkelräume von der Größen
ordnung eines Millimeters voneinander getrennt. Auch der Zusatz organi
scher Dämpfe lieferte ähnliche Erscheinungen. EMELEUS und SAYERS führen
die beobachteten Effekte auf die Wirkung negativer Ionen zurück.
In einer frühen Arbeit hat GÜNTHERSCHULZE [2,3] das Bild eines Vakuum
lichtbogens in Quecksilber bei Anwesenheit von Wasserstoff veröffent
licht, welches ebenfalls eine gewisse Ähnlichkeit mit unseren Erschei
nungen zeigt. Hier überlagern sich die Dächer, wenn es sich überhaupt
um solche handelt, allerdings einer Lichtbogenentladung.
Auch ZIMMERMANN [4], der über eine sogenannte 'Ionenschlauchentladung',
bei der die Konzentration der Entladungsbahn durch die Bildung negati
ver Ionen erklärt wird [5,6,1], berichtet, müßte die Dächer bei seinen
Versuchen in Salzsäuregas mindestens als eine Überlagerung im Ionen
schlauch beobachtet haben.
Die von all diesen Autoren beschriebenen Entladungserscheinungen haben
sicherlich eine gewisse Verwandtschaft mit den von uns beobachteten,
doch werden sie entweder durch die Nähe einer Rohrwand, die es zweifel
haft macht, ob es sich nicht weitgehend um eine wandbedingte Säule han
delt, einen Lichtbogen oder eine Ionenschlauchentladung beeinträchtigt.
Das Verhalten der Dächer, die ein selbständiges Entladungsphänomen sind,
zu untersuchen, soll die Aufgabe dieser Arbeit sein.
1. Äußere Formen der Dächer in der Entladung
Um eine möglichst einfache Erscheinung, gewissermaßen die unkomplizierte
Grunderscheinung zu produzieren, verwenden wir zwei gleich große ebene
Elektroden, die einander parallel gegenüberstehen. Sie befinden sich in
einem Entladungsgefäß, das aus einer Glasglocke über einer Grundplatte
aus Eisen gebildet wird. Der Durchmesser der Glasglocke beträgt 24 cm.
Die Rückseite der Elektroden kann durch eine gegen sie isolierte Eisen
hülse abgeschirmt werden, so daß die Entladung nur auf den einander
zugewandten Vorderflächen ansetzen kann. Eine Veränderung des Elektroden
abstandes ist möglich durch ein mit Simmerringen gedichtetes Reibrad-
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getriebe, das so angeordnet ist, daß die bewegliche Elektrodenzuführung
durch ein Glasrohr abgedeckt werden kann.
Besonders leicht und wohlausgeprägt erscheinen die Dächer in einer Ent
ladung in Blausäuredampf, dem etwas Sauerstoff beigemengt ist. Die Ab
bildung 2 zeigt eine solche Entladung, die für die Erscheinungsform der
Dächer charakteristisch ist. Die Rückseite der Kathode war hier abge
schirmt, aber seitlich konnte die Entladung noch ansetzen.
Die Kathode is~ mit hellem kathodischen Glimmlicht, die Anode ebenfalls
mit hellem anodischen Glimmlicht bedeckt. Zwischen den Elektroden wer
den die Dächer in Form horizontaler Schichten sichtbar.
Wir stellen an Hand dieser Abbildung fest, daß die leuchtenden Schich
ten am Rand etwas gekrümmt sind. Vor der Anode liegt eine Schicht, wel
che leicht nach unten gebogen ist, so daß sie die Anode etwas umfaßt.
Die darauffolgenden Schichten sind nahezu horizontal, während die ka
thodennahen ihre konkave Seite nach oben, d.h. der Kathode zuwenden.
Die oberste Schicht greift ein wenig um die Kathode herum.
In der Abbildung 3 ist eine sehr auffallende Änderung eingetreten. Das
Dachsystem hat zwar noch Ähnlichkeit mit dem der Abbildung 2, im zentra
len Teil der Entladung ist aber eine ausgesprochene Konzentration ein
getreten. Die Entladung besteht aus einem Kern mit ziemlich großer
Leuchtkraft, in welchem die einzelnen Schichten verstärkt erscheinen und
in welchem der Strom hauptsächlich transportiert wird. Umgeben ist die
ser Kern von einem schwächeren Mantel, in den sich die Schichten fort
setzen. In ihm haben die Dächer noch die Gestalt der Abbildung 2, nur
daß die beiden untersten Schichten konkav zur Anode sind.
Die Konzentration der Entladung in der Nitte ist noch ausgeprägter in
der Abbildung 4, die bei etwas niedrigerem Druck und ohne Sauerstoff
zusatz aufgenommen wurde. In der Mitte ist eine Art Entladungsschlauch
durch erhöhte Intensität hervorgehoben, der sich aber nach außen in
ganz normale Dächer fortsetzt. Sehr deutlich sind die Dächer jetzt ge
gen die Kathode konvex, wenigstens in dem Gebiet, wo die von der Katho
de zur Anode fortschreitende Konzentration des inneren Entladungsgebie
tes vor sich geht.
Die Abbildung 5 endlich zeigt drei ausgeprigte Entladungsschläuche, die
sich nach außen aber immer noch in Dächer fortsetzen. Alle Dächer sind
gegen die Kathode konvex.
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m
off; 7 c mA,
st = 5
uera 5
nge Sa14 cm, V, I
Me = 40
Abbildung 3 HCN mit einer kleinen = 550 V, I 60 mA, d = Abbildung 5 = CN, V p 0,4 Torr, 6= d 14 cm, a 7 cm = =
n V H
ung iTorr, ng in
Entlad1,5 = ntladu
p E
e e
athod node athod node
K A K A
A, m
mc
off; 43 = 7 mA,
SauerstI ke = nd a 40
nge mstärabsta V, I
Abbildung 2 CN mit einer kleinen MeV V, Spannung 565 Stro= = r d 14 cm, Elektroden Abbildung 4 N, 1 V p Torr, 625 = = = d 14 cm, a 7 cm =
HEntladung in Druck p 1,5 Torr, = Elektrodendurchmesse HCEntladung in
..... .....
Es wäre verfehlt, diese vier Entladungsbilder nach Zusammenhängen zwi
schen Druck, Strom, Spannung und Gestalt der beobachteten Erscheinung
zu untersuchen. Nach dem Zünden verändert sich nämlich die Entladung mit
der Zeit in einigen Sekunden bis Minuten, wobei gewöhnlich die Zahl der
Dächer abnimmt, bis schließlich alle besonderen Erscheinungen verschwun
den sind. Dabei ändern sich auch Brennspannung und Druck und natürlich
auch der Strom, wenn vor der Entladung noch ein Widerstand liegt. Diese
Veränderungen, die durch eine kleine Zugabe von Sauerstoff etwas ver
zögert werden können, rühren von der Zersetzung des Blausäuredampfes
in der Entladung her. Läßt man neuen ReN-Dampf hinein, so kann man die
Dächer erneut beobachten.
Die vier gezeigten Entladungsbilder können uns einen ersten Rinweis auf
die Vorgänge in der Entladung geben. Sicher ist, daß der Betrag der
Feldstärke in den leuchtenden Schichten höher ist, als in den dunkleren
Zwischenräumen. Über die Form kann man aus den Abbildungen ablesen, daß
der Strom, d.h. die Elektronen, einigermaßen senkrecht zu den Dächern
fließt. In der Abbildung 2 sucht der Elektronenstrom am Rande einen et
was größeren Querschnitt, muß aber vor der Anode wieder nach innen zur
Anode fließen. In der Abbildung 3 breitet sich der Strom vor der Katho
de in den Randgebieten auch noch auf einen größeren Querschnitt aus,
während er sich weiter innen bereits konzentriert, was zu einer Aufwöl
bung der Dächer gegen die Kathode führt. Daß die Dächer verdoppelt er
scheinen, ist durch die Projektion vorgetäuscht, weil sich die Randzonen
dem Bilde der inneren überlagern. Bei den Abbildungen 4 und 5 ist die
Tendenz zur Konzentration schon so ausgeprägt, daß sich die Strombahnen
vom kathodischen Glimmlicht sofort nach innen wenden.
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Dächer im FARADAYschen Dunkelraum lassen sich auch sehr schön beobach
ten, wenn man einer Entladung in Luft etwas Benzoldampf beimischt. Die
Zahl der Dächer oder Schichten vermehrt sich dabei in auffälliger Weise
mit der Menge des zugesetzten Benzols.
Nach dem Einlassen von Benzol in eine in Luft brennende Entladung werden
schnell zahlreiche Schichten sichtbar, die nur einen geringen Abstand
voneinander haben. Läßt man die Entladung einige Zeit brennen, so ver
schwinden sie allmählich wieder, wobei an den Wänden des Entladungs
gefäßes feste Niederschläge abgeschieden werden. Die Substanz, welche
die Dächer hervorbringt, verschwindet anscheinend auf diese Weise wie
der aus der Entladung. Die Abbildungen 6, 7, 8, 9 können etwa als zeit
lich aufeinanderfolgende Entwicklungsstadien der Entladung betrachtet
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