Aufteilung der Entladungsenergie auf die Elektroden einer Glimmentladung: D 5

36 Pages·1961·2.175 MB·German

by  Dipl.-Phys. Bernd Klüser (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Or. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Or. h. c. Or. E. h. Leo Brandt
OK 621.3.015.532
537.525
Nr.1034
Dipl.-Phys. Bernd Klüser
Institut für Theoretische Physik der Universität Bonn
Auft eilung der Entladungsenergie auf die Elektroden
einer Glimmentladung
05
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG I KOlN UND OPLADEN
1961
ISBN 978-3-663-03528-2 ISBN 978-3-663-04717-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04717-9
G 1 i e der u n g
Seite
Einlei tung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5
1. Versuchsanordnung 5
2. Durchführung der Versuche 9
3. Meßergebnisse 13
4. Erweiterung der Messungen • . • • • • . . . . . . • • .. 29
5. Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . .. 30
Literaturverzeichnis . • • . • . . . . • . . . . . • . .. 33
Seite 3
Einleitung
Bereits 1878 wurden kalorimetrische Messungen an Glimmentladungen von
NACCARI und BELLATI [1J gemacht. HODGSON [2. 3J stellte 1913 fest, daß
die an der Kathode frei werdende Wärmemenge mit der Energie des Katho
denfalles übereinstimmt. Die ersten Messungen von GÜNTHERSCHULZE [4J
wurden nach zwei verschiedenen Methoden durchgeführt. Danach gehen je
%
nach Gasart und Druck 30 bis 70 der Kathodenfallenergie auf die Ka
thode über. Besser sind schon weitere Methoden von GÜNTHERSCHULZE [5J
%
und GÜNTHERSCHULZE, BÄR [6J, nach denen z.B. bei Wasserstoff 80 und
%
bei Stickstoff 85 der Kathodenfallenergie auf die Kathode gelangen
(Mittelwerte zwischen 2 und 40 Watt).
Die bisherigen Messungen schwanken also beträchtlich. Sie sind nicht
ganz einwandfrei und auch wenig systematisch, werden jedoch noch in
der heutigen Literatur benutzt [7, 8, 9J.
Noch stärker schwanken die Messungen und Annahmen darüber, ob die Ener
gie direkt durch die Stöße der positiven Ionen oder mittelbar durch
Aufheizung des Gases an die Kathode übertragen wird [10 bis 16J.
Es wurde nun mit einer anderen Methode der Bruchteil der elektrischen
Energie gemessen, der pro Sekunde auf die Kathode übergeht. Dieser An
teil sollte so bestimmt werden, daß die Kathode durch einen konstanten
Wasserstrom gekühlt und die Temperaturerhöhung des Wassers gemessen
wird.
1. Versuchsanordnung
In einem Glaszylinder von 25 cm Durchmesser und 30 cm Höhe stehen sich
die beiden ebenen, kreisförmigen Elektroden gegenüber, die Kathode
oben, die verschiebbare Anode unten. Der Durchmesser der Kathode be
trägt 6 cm, der Durchmesser der Anode 3,5 cm. Die Grundplatte aus
Stahl enthält die Zuführung zur Pumpe, Gasflasche und zum Manometer.
Die Kathode ist von der stählernen Deckplatte durch einen Plexiglas
ring isoliert.
Abbildung 1 zeigt die Versuchsanordnung schematisch. W1 ist eine Tonne
von 150 I Inhalt und dient als Vorratsgefäß für das Kühlwasser. Ein
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solches Vorratsgefäß ist überhaupt erforderlich, d.h. das Leitungs
wasser kann nicht direkt verwendet werden, weil die Temperatur des
Leitungswassers zu sehr schwankt. (So wurde z.B. innerhalb einer hal
ben Stunde ein Absinken der Temperatur um 40 gemessen. Während dieses
nicht stationären Zustandes wird dann ein zu hoher Wert für den Bruch
teil der elektrischen Energie, der auf die Kathode geht, vorgetäuscht:
über 100 %!)
;.,
Au
A b b i 1 dun g 1
Schema der Versuchsanordnung
E Entladungsgefäß, M, P und GF Anschlüsse für Pumpe,
Manometer und Gasflasche
Die verzinkten Tonnen W1, W2 müssen innen lackiert werden, weil sich
sonst das Wasser schon nach etwa zweiwöchigem Stehen trübt. Durch das
Lackieren bleibt das Wasser einige Monate lang brauchbar.
Mit dem Drosselhahn H1 kann die Menge des Wassers, die in das Über
laufgefäß Ü fließt, sehr genau eingestellt werden. Eine solche Re
gulierung ist nötig, weil die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlwassers
in sehr geringem Maße, aber noch meßbar, von der Menge des Wassers ab
hängt, die in Ü überläuft. Von Ü aus fließt das Wasser durch den Hahn
H2, eine oder mehrere der Kapillaren K1, K2, K3 und K4 des Englerschen
Manometers, am "Eingangsthermometer" ThE vorbei in die Kathode, am
"Ausgangsthermometer" Th vorbei durch den Auslauf Au in die zweite
A
Tonne W2• Von dort wird es nach dem Versuch mit einer Handpumpe in W1
zurückgepumpt. Die Durchflußmenge des Kühlwassers pro Sekunde wird
Seite 6
durch Auswahl der vier Kapillaren K1, ..• K4 und senkrechtes Verstellen
des Auslaufs Au eingestellt und an der Millimeterskala Sk abgelesen.
Mit dem Hahn H5 bringt man die beiden Wassersäulen (bei der Durchfluß
geschwindigkeit Null) auf den Nullpunkt der Millimeterskala in der
Mitte des Manometers. Beim Füllen der Anlage mit Wasser genügt die
Höhe h nicht, alle Luftblasen, besonders die innerhalb der Kathode,
zu entfernen. Man erreicht das mit Hilfe des höheren Drucks der Was
serleitung nach Schließen von H2 und H4 und Öffnen von H6, wodurch
das Englersche Manometer kurzgeschlossen wird. Bei diesen großen Strö
mungsgeschwindigkeiten werden jedoch Luftblasen aus dem Raum unterhalb
des Gummistopfens von Th (s. Abb. 2) mitgerissen und setzen sich doch
E
wieder innerhalb der Kathode fest. Man muß daher vorher mit H7 das
Wasser bei Th etwas steigen lassen. Um Luftblasen vor den Kapillaren
E
K1, K2, K3 und K4 entfernen zu können, sind K1, K2 schräg ange-
ordnet. Abbildung 2 zeigt den oberen Teil des Entladungsgefäßes etwas
genauer.
Hotttr aus Gla.. tOr
rh.f't'nOIMt.r
Ka'hode~n~tllzstü(k p~
s~"'It. S
lIal/ood.
~ Anode
A b b i 1 dun g 2
Oberer Teil des Entladungsgefäßes; Maßstab etwa 1:2
Seite 7
Die Form des Thermometerhalters Th wird in dieser Form gewählt, damit
E
das Wasser wie bei Th gegen die Spitze des Thermometers fließt [17J.
A
Die weiteren Bedingungen für genaue Temperaturmessungen interessieren
hier nicht, weil es hier nicht so auf eine absolute Messung ankommt,
sondern auf eine Differenzmessung, d.h. es sind die Meßfehler bei bei
den Thermometern möglichst gleich zu machen.
Das Kathodeneinsatzstück PI muß wie hier massiv gemacht werden, weil
anderenfalls innerhalb der Kathode Wirbel entstehen und die Temperatur
TA dauernd stark schwankt.
Als Material wird Plexiglas wegen seiner Durchsichtigkeit und geringen
Wärmeleitfähigkeit genommen. Ebenso der geringen Wärmeleitfähigkeit
halber wird die Kathode nicht direkt auf die Stahlplatte S gelagert,
sondern erst auf die Plexiglasplatte P.
Die Querschnitte für den Weg des Kühlwassers (in Abb. 2) sind absicht
lich so klein gehalten worden, weil es sonst bei sehr kleinen Durch
flußmengen wieder zu Wirbelbildungen oder zum Hochsteigen des warmen
(*)
Wassers an der mit bezeichneten Stelle kommen kann. (Durchflußge
3
schwindigkeit bis 0,2 cm jsec herunter; das Wasser tropft aus dem Aus
fluß Au in Abb. 1.) Um große Durchflußgeschwindigkeiten (16 cmj~ec) zu
erreichen, genügt es jetzt aber nicht, die Kapillaren K , K ••• des
1 2
Englerschen Manometers noch größer zu machen, da jetzt der wesentliche
Strömungswiderstand der Teil Thermometerhalter-Kathode ist. Die Höhe h
in Abbildung 1 ist beschränkt. Es wird daher ein zweiter Satz Thermo
meterhalter, Kathodeneinsatzstück, Leitungen mit größeren Querschnitten
benutzt.
Um die Apparatur gegen die umgebende Luft zu isolieren, befindet sich
um den Glaszylinder E (Abb. 1) noch ein Plexiglaszylinder. Die Deck
platte des Entladungsgefäßes mit der Kathode und den Thermometern
ist mit Glaswolle und Watte eingepackt.
Da die Durchflußgeschwindigkeit des Wassers über mehrere Stunden kon
stant gehalten werden muß, ist es nicht möglich, gewöhnliches Lei
tungswasser als Kühlwasser zu benutzen. Übliches Leitungswasser ent
hält nämlich viel Luft gelöst, es entstehen feine Luftblasen entlang
des gesamten Weges besonders aber in der Kathode, wo das Wasser ja noch
Sei te 8
erwärmt wird. Gerade diese Stelle ist aber wegen der kleinen Quer
schnitte besonders empfindlich gegen Querschnittsänderungen. Die Bla
senbildung wird verhindert, indem Leitungswasser von 400C nach Abküh
lung auf Zimmertemperatur verwendet wird. Das Material der Kathode ist
V2A-Stahl. Ein Rosten der Kathode auf der Wasserseite ist so ausge
schlossen, während eine Kathode aus gewöhnlichem Stahl schon nach ein
paar Tagen gesäubert werden muß.
?
Durchführung der Versuche
Die Energie, die pro Sekunde auf das Kühlwasser übergeht, berechnet
sich nach:
V V
L1 = C • Y • 4, 185' t !::.T [Watt] = 4,185 . T' !::. T [Watt]
V 3
mit: [ cm ] Durchflußgeschwindigkeit
t sec
T = TA-TE [grad] Temperaturdifferenz 1 [cal] ;;;; 4,185
(Wattsec]
c = 1 [cal spez. Wärme des Wassers
grad gJ
y = 1 Dichte des Wassers
[:m3]
Die Durchflußgeschwindigkeit V/t wird mit der Stoppuhr und einem 2-
oder 1- oder 1/4-Liter Meßkolben gemessen. Bei jedem Versuch wird
V/t etwa fünfmal gemessen und darüber gemittelt. Das hat sich als ge
nauer ergeben, als wenn man V/t mit Hilfe der vorher aufgenommenen
Eichkurve bestimmt (es hängt nämlich V/t etwas von der Temperatur ab).
%.
Die Messungen von V/t sind stets genauer als 1
Bei allen Messungen wird die Geschwindigkeit des Wassers so eingestellt,
daß die Temperaturerhöhung ßT = TA-TE (TE bzw. TA Temperatur des Ther
mometers Th bzw. Th ) durch die Entladung möglichst immer dieselbe und
E A
zwar 20 ist. 20 wird aus folgendem Grund gewählt:
Einerseits möchte man!::.T möglichst klein machen, um die Verluste bei
der Messung (s. später S. 15) möglichst klein zu halten und um zu
kleine Durchflußgeschwindigkeiten zu vermeiden, bei denen das Wasser
aus dem Ausfluß Au lediglich tropft. Andererseits ist bei großem !::.T
Sei te 9
der Ablesefehler für ßT kleiner und die Schwankungen der Zimmertempe
ratur machen sich nicht so stark bemerkbar. Die bei den Hg-Thermometer
besitzen eine 1/200-Einteilung und lassen mit der Lupe noch 1/100 ab
lesen, so daß der Ablesefehler für ßT = 2 unter 1 %b leibt. ßT kleiner
o
als 2 zu machen hat keinen Sinn, da dann der Ablesefehler zu groß
wird. Außerdem erfordert schon ßT = 20 eine erhebliche Konstanz der
Zimmertemperatur. Zwar bleibt das Wasser im Vorratsgefäß W selbst
1
stundenlang auf 1/100 konstant, jedoch nimmt es auf seinem Weg durch
die Leitungen mehr oder weniger die Zimmertemperatur an, umso mehr, je
kleiner die Durchflußgeschwindigkeit ist. Bei der kleinsten Geschwin
3
digkeit von 0,2 cm /sec gibt TE praktisch die Zimmertemperatur an.
Diese müßte also auf 10/100 konstant gehalten werden. Eine Änderung
der Wassertemperatur wird nämlich nicht von TE und TA gleichzeitig an
gezeigt. Eine Erhöhung der Wassertemperatur wird zunächst nur von TE
angezeigt und täuscht ein zu kleines ßT vor und umgekehrt. Es kommt
daher beim Konstanthalten der Zimmertemperatur mehr darauf an, einen
dauernden Anstieg bzw. Abstieg der Temperatur zu vermeiden. Beim
Schwanken um einen gewissen '''ert hebt sich bei längerem Messen der
Fehler auf. Im Durchschnitt kann bei den Messungen mit einiger Mühe
eine Konstanz der Zimmertemperatur auf 1/100 erreicht werden. Dabei
ist es aber unbedingt nötig, daß die Außentemperatur niedriger ist als
die Zimmertemperatur, wodurch man etwas vom Wetter abhängig ist.
Vor jeder Messung muß zunächst einmal nicht nur die Wassertemperatur
des Vorratsgefäßes W1 gleich der Zimmertemperatur sein, sondern mög
lichst auch die Zimmertemperatur gleich der Temperatur der Apparatur,
genauer der Kathode. Das ist aber selten der Fall, allein schon wegen
der erwähnten Wärmeisolation der Apparatur gegen die Zimmerluft. Um
also vor dem Versuch ßT = 0 zu erhalten, läßt man schon mehrere Stun
den vor Einschalten der Entladung das Wasser durch die Apparatur lau
fen. Trotzdem läßt sich bei kleinen Geschwindigkeiten ein ßT von 1/1000
nicht immer vermeiden.
Als noch zeitraubender hat sich leider herausgestellt, daß es wesent
lich länger als erwartet dauert, bis sich nach Einschalten der Entla
dung ein stationärer Wert von ßT einstellt. Das Beispiel einer Messung
in Wasserstoff zeigt Abbildung 3. Es bedeutet hier: L die Leistung,
1
die auf das Kühlwasser gelangt; L2 die elektrische Leistung der Ent
ladung. Zwar dauert es in diesem Beispiel nur etwa 30 Minuten, bis
Seite 10
sich ßT im wesentlichen eingstellt hat, jedoch schließt sich an diesen
steiicln noch ein schwacher Anstieg an. Dieser Anstieg ist, grob gese
hen, linear, genauer betrachtet, nimmt er jedoch mit der Zeit ab, so
daß man schließlich einen Gleichgewichtszustanderreicht. Obwohl nun
der Anstieg sehr schwach ist, nimmt doch innerhalb von drei Stunden
% %
der Wert von 11/12 von etwa 73 auf 78 zu. Bei den einzelnen Ver
suchen wurde aber nicht so lange gewartet. Bei Wasserstoff wurden die
Messungen nach zwei Stunden langsamen Anstieges abgebrochen und der
dadurch entstehende Fehler in Kauf genommen; für länger als zwei Stun
den dauernde Messungen würde außerdem bei großer Durchflußgeschwindig
keit das Wasser des 150-1iter-Vorratsgefäßes nicht ausreichen. Die
Einstellzeit von6T ist bei Argon und Stickstoff kleiner und beträgt
etwa eine Stunde. Bei diesen Gasen wurde durchschnittlich eine Stunde
und 20 Minuten lang gemessen. Daß die Einstellzeit von der Gasart ab
hängt, hat wohl hauptsächlich seinen Grund in der verschiedenen Wärme
leitfähigkeit der Gase. Die Wärmeleitfähigkeit von Argon, Stickstoff
und Wasserstoff verhalten sich wie 1 : 1,5 : 10 •
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A b b i 1 dun g 3
Beispiel einer Messung in Wasserstoff; p = 2 Torr,
12 = 5 Watt, d = 3,1 cm
Der steile Anstieg der Temperatur entspricht etwa der Erwärmung der
Kathode und der angrenzenden Teile, etwa die, die in Abbildung 2 zu
sehen sind. Der schwache Anstieg der Temperatur kommt wahrscheinlich
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