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Elektrisches Licht

[649] Elektrisches Licht (hierzu Tafel »Elektrisches Licht I u. II«), durch Umwandlung elektrischer Energie erhaltenes Licht. Daß ein elektrischer Strom einen dünnen Draht bis zur Weißglut erhitzen und so Veranlassung zu einer Lichtwirkung geben kann, hatte man bald nach Entdeckung des Stromes beobachtet. Das so erhaltene Licht war aber, schon weil der Draht bald abschmolz, zur Beleuchtung nicht zu verwenden. Besser schien sich dazu das Licht zu eignen, das Davy erhielt, als er einen sehr starken Strom durch zwei Kohlenstäbe schickte und diese dann um ein Geringes voneinander entfernte. Die Enden der Kohlenstäbe gerieten in Weißglut und strahlten ein blendend helles, weißes Licht aus. Über dem Raum zwischen beiden trat zugleich eine mattblaue Lichterscheinung in der Form eines flachen Bogens auf, um derentwillen man die Erscheinung den Lichtbogen (elektrischen Bogen) nennt. Als man die Kohlen senkrecht übereinander stellte, erschien statt des Lichtbogens ein sie gleichmäßig umgebender schwach leuchtender Mantel, der durch die glühende, bei der langsamen Verbrennung der Kohle entstehende Kohlensäure gebildet wird. Obwohl dieser Bogen zur Beleuchtung nicht das mindeste beiträgt, obwohl er bei verschiedenen neuen Lampenkonstruktionen ganz wegfällt, nennt man nach ihm doch alle derartigen Lampen Bogenlampen, das Licht Bogenlicht. Davy hatte die Kohlen in dem Maße, wie sie verbrannten, mit der Hand nachgeschoben; sollte die Lampe technisch verwendbar werden, so mußte dies mit größter Regelmäßigkeit durch besondere Mechanismen geschehen. Einen brauchbaren Regulator konstruierten 1848 Foucault und Duboscq, einen noch zweckmäßigern kurz darauf von Hefner-Alteneck, und man hat mit ihrer Hilfe bei besondern Gelegenheiten, eiligen Bauten u. dgl., das elektrische Licht in der Tat im großen zuerst angewendet. Allgemeiner freilich kannte dies erst geschehen, nachdem man in der Dynamomaschine eine verhältnismäßig billige und bequeme Quelle starker Ströme erhalten hatte. Diese konnten bequem eine Anzahl Lampen auf einmal unterhalten, die vorhandenen Lampen konnten aber nicht zu mehreren in dem nämlichen Stromkreise brennen. Die Art ihrer Regulierung beruht nämlich darauf, daß, wenn der Widerstand, den der Lichtbogen dem Strom entgegensetzt, eine gewisse Größe erreicht, der Strom einen Elektromagneten betätigt, der nun die Kohlen einander wieder mehr nähert. Befinden sich aber mehrere solche Lampen im Stromkreis, die unabhängig voneinander sich ein zustellen suchen, dann muß es öfters vorkommen, daß der Widerstand, den zwei Lampen dem Strom entgegensetzen, so groß wird, daß ihr Lichtbogen erlischt, der Strom unterbrochen wird. Damit erlöschen aber die sämtlichen andern von ihm gespeisten Lampen, und ihre Kohlen müssen erst wieder zusammengeschoben werden, wenn der Strom von neuem in Gang kommen soll. Die hier sich bietende Aufgabe, Lampen zu konstruieren, von denen mehrere unabhängig voneinander in demselben Stromkreise brennen können, ist auf sehr verschiedene Weise gelöst worden, durch Bogenlampen mit unveränderlichem Abstand der Kohlenspitzen voneinander, durch Bogenlampen, um die der Strom seinen Weg nimmt, wenn ihre Bogenlänge zu groß wird, und durch Glühlampen, die auf das Erglühen von Drähten im Strom zurückgriffen, aber das Abschmelzen verhinderten.

Die älteste Lösung der Aufgabe war die Jablochkoffsche Kerze (Tafel I, Fig. 1): zwei Kohlenstäbe K von je 15 cm Länge, 4 mm Durchmesser, zwischen denen sich eine Kaolinmasse T von solcher Zusammensetzung befand, daß sie gerade bei der Hitze des Lichtbogens schmolz. Das obere Ende der Kohlen war etwas zugespitzt, ihr unteres war mit Hilfe einer zementartigen Masse C in zwei Blechhülsen B gekittet, in welche die Zuleitungsdrähte Z gesteckt werden konnten. Zur Herstellung des Bogens diente ein Stückchen sehr poröse Lindenkohle L, das bei Stromschluß sofort verbrannte und so den Lichtbogen entstehen ließ. Eine solche Kerze brannte zwei Stunden lang, war aber mit fünf andern auf einem Gestell befestigt, das selbsttätig eine neue einschaltete, wenn ihr Vorgänger heruntergebrannt war. So hatte der ganze Apparat eine Brenndauer von zehn Stunden. Da aber die positive Kohle, durch die der Strom in den Lichtbogen eintritt, heißer wird als die negative, so brennt sie rascher ab, man muß also Wechselströme durch die Kerzen schicken, wenn sie gleichmäßig abbrennen sollen. Obwohl die Jablochkoffsche Kerze die Aufgabe, das elektrische Licht zu teilen, zum erstenmal löste, wurde sie doch von den zweckmäßigern Abänderungen der Bogenlampe und der Glühlampe verdrängt.

Bogenlampen werden meist mit Gleichstrom betrieben, und dabei verbrennt die positive Kohle nahezu doppelt so rasch wie die negative. Man nimmt sie deshalb etwa doppelt so dick wie diese und bringt sie als obere Kohle an, da sie sich aushöhlt (während die negative sich zuspitzt). Aus dem so gebildeten [649] Krater der obern Kohle strahlt aber die Hauptmenge des Lichtes aus und zwar unter einem Winkel von 35° gegen den Horizont. Damit nun der Lichtbogen nicht bald von dem einen, bald von dem andern Kraterpunkt ausgeht und eine unruhige Beleuchtung er gibt, sucht man dadurch den Krater regelmäßiger zu gestalten, daß man den Kohlenstab in der Mitte mit einer etwas flüchtigern Masse wie die umgebende Kohle versieht, die rascher verbraucht wird und also den Krater immer an derselben Stelle hält. Eine solche Kohle heißt Dochtkohle. Die Kohlenstäbe formt man aus einer Mischung von pulverisiertem Retortengraphit mit Ruß und Steinkohlenteer unter hydraulischem Druck und glüht sie bei sehr hoher Temperatur. Die Temperatur des Lichtbogens beträgt bei Dochtkohle 3490°, bei Retortenkohle 3500–4100°. Zur Bildung des Bogens ist eine Spannung von 35 bis 40 Volt erforderlich. Da nun die Spannung in Beleuchtungsnetzen gewöhnlich 110 Volt beträgt, so müssen zwei Bogenlampen hintereinander angebracht und überdies noch ein Widerstand vorgeschaltet werden, der etwa 30 Volt Spannung verbraucht, d.h. in Wärme umwandelt. Obwohl diese Energie verloren geht, so ist der Vorschaltwiderstand, der sogen. Beruhigungswiderstand, doch unentbehrlich. Er läßt die Lampen ruhiger brennen, indem er Schwankungen in der Netzspannung nicht bis zu den Kohlen gelangen läßt. Die Geschwindigkeit, mit der die obere Kohle verbrennt, ist nach der angewendeten Stromstärke verschieden. Man rechnet auf 1 Amperestunde 0,75 g. Dabei wird freilich ein Teil der Kohle nutzlos in dem an ihr aufsteigenden Luftstrom verbrannt. Um dies zu vermeiden, tränkt die Firma Fr. Krupp in Essen die Kohle mit Natriumwolframat, einem Salze, das erst bei der Temperatur des Lichtbogens, aber noch nicht bei Weißglut das Verbrennen der Kohle zuläßt. Andre haben Dauerbrandlampen durch völligen oder teilweisen Abschluß des Sauerstoffes von den glühenden Kohlen hergestellt. Dazu legt Hardtmuth einen Ring aus isolierendem Stoff um die obere Kohle, aus dem diese langsam heraustritt, und verhindert dadurch, daß der vom Lichtbogen erhitzte Sauerstoff längs der Kohle emporsteigt und diese langsam verbrennt. Bei der Janduslampe und der ihr sehr ähnlichen Reginalampe sind die Kohlenspitzen in einen besondern Glasbehälter gebracht, der bei der letztgenannten nur durch eine kleine, unten befindliche Öffnung mit der äußern Luft in Verbindung steht. Der Bogen erhitzt die in dem Glasbehälter befindlichen Gase so stark, daß ein großer Teil infolge der starken Ausdehnung ausgetrieben wird, der Bogen somit in einem stark luftverdünnten Raume glüht und eine höhere Temperatur und größere Länge erhalten kann. Die ihn bildenden Stoffteilchen vergasen, und der Bogen wird so hell, daß er an der Lichtaussendung wesentlichen Anteil nimmt. Es zeigt sich dies an dem mehr violetten Lichte der Lampe, dessen Spektrum viel mehr brechbare Strahlen aufweist als das Licht der übrigen Bogenlampen, sogar ein Gasspektrum mit hellen Banden im violetten und ultravioletten Teile des Spektrums beobachten läßt und deshalb für photographische Aufnahmen sich in hohem Grad eignet. Der längere Lichtbogen bildet aber an der positiven Kohle keinen Krater, die Lampe strahlt also mehr Licht in horizontaler Richtung aus als eine in der Luft brennende Bogenlampe und kann deshalb niedriger aufgehängt werden. Endlich ist ihre Ökonomie, d.h. der Energieverbrauch für eine entwickelte Lichteinheit, kleiner. Sie stellt sich auf 1,075 W., während sie bei einer gewöhnlichen Bogenlampe etwa 1,75 W. ist. Die Brenndauer der Lampe beträgt 200 Stunden. Schließlich kann die Reginalampe auch bei größern Spannungen gebraucht werden, während der Stromverbrauch entsprechend geringer wird. Alle diese Vorteile gehen verloren, wenn man Luft von der Zimmertemperatur durch den Glasbehälter treibt. Wegen des mangelnden Kraters brennt aber die Lampe nicht sehr ruhig. Bremer hat eine Lampe mit sehr guter Ökonomie erhalten, indem er die Kohlen mit einer Lösung von Fluorcalcium tränkte und dadurch die Ausstrahlung sehr wesentlich erhöhte. Unterstützt wird sie noch durch einen oberhalb des Lichtbogens angebrachten Reflektor, auf dem sich das beim Brennen der Lampe bildende Calciumoxyd niederschlägt und so einen sich stets erneuernden, weißes Licht zurückstrahlenden Überzug bildet. Die Ökonomie dieser Lampe ist noch um ein Geringes besser als die der Reginalampe. Die Kohlen spitzen bringt Bremer in V-förmig gegeneinander geneigter Lage an und treibt den Lichtbogen durch einen in der Mitte befindlichen Elektromagneten nach unten. Dadurch ist der störende Schatten der untern Kohle vermieden. Die Lampen, deren Kohlenstäbe oder deren Dochte mit andern Stoffen getränkt sind, hat man Flammenbogenlampen genannt. Da durch die Wahl des zum Tränken angewendeten Stoffes ihr Licht gefärbt werden kann. so eignen sie sich auch zur Hervorbringung besonderer Lichteffekte (Intensivlampen, Effektlampen).

Die Regulierung des Abstandes der Kohlenspitzen sowie die Eigenschaft, den Strom nicht zu unterbrechen, auch wenn dieser Abstand zu groß geworden ist. wird durch die Schaltung bedingt. Danach unterscheidet man Hauptstromlampen, Nebenschlußlampen und Differentiallampen. Zu den Hauptstromlampen gehören die oben erwähnten Regulatoren, auch die Reginalampe, deren Mechanismus in schematischer Weise Fig. 2 der Tafel I zeigt, gehört dazu. Bei L₁ tritt der Strom ein, durchläuft dann die Spule S, in welcher der Stab C aus weichem Eisen sich auf und ab bewegt. Der Strom geht dann durch die Kohlen K₁ und K₂, von denen K₁ zwischen den Rollen r hin und her gleiten kann, und durch den Widerstand W nach L₂. Eine Reihe solcher Lampen werden wie eine Reihe Glühlampen parallel geschaltet. Den Mechanismus der Nebenschlußlampe zeigt Fig. 3 der Tafel I. Sie ist von Lontin, Mersanne und Fontaine angegeben; a ist die negative, b die positive Kohle, deren Halter c an dem einen Arm eines ungleicharmigen Hebels hängt, dessen Drehungspunkt in F liegt, während der andre Arm den Stab e aus weichem Eisen trägt. Durch die Hemmung bei d ist die Bewegung des Hebels begrenzt, der bei g noch ein Gewicht trägt, das mit dem Halter c zusammen e im Gleichgewicht hält. e ist von einer Spule S umgeben, die im Nebenschluß zu der Hauptstromverbindung L₁FbaL₂ liegt. Wird nun der Abstand der Kohlen und damit der Widerstand des Bogens zu groß, so geht ein größerer Teil des Stromes um den Stab e, zieht ihn weiter in S hinein und nähert dadurch die Kohlenspitzen einander. Die Lampe kann also bei Stromschluß eine Stellung haben, welche sie will, die Kohlenspitzen werden zusammengeführt, und es wird dann durch das Gewicht des nunmehr sinkenden Eisenstabes der Lichtbogen gezogen. Unterbrechen kann die Lampe den Strom nicht, da dieser jederzeit seinen Weg durch die Spule nehmen kann. Die Differentiallampe (Schema s. Tafel I, Fig. 4) unterscheidet sich von der beschriebenen nur dadurch, daß zwei Spulen, R₁ und[650] R₂, vorhanden sind, die erste von wenigen Windungen dicken, die letztere von vielen Windungen dünnen Drahtes, in welche die beiden Hälften des Stabes von weichem Eisen S hineinragen. K₁ und K₂ sind die Kohlen, bei brennender Lampe nimmt der Strom seinen Weg durch L₁ d R₁ c K₁ K₂ L₂. c ist wieder der Drehungspunkt eines Hebels mit den Armen b und a, deren ersterer das Eisen S, deren letzterer die positive Kohle K, trägt. Bei d zweigt der Stromteil ab, der R₂ durchfließt und am Halter der untern Kohle e wieder in den Hauptstrom mündet.

Die Differentiallampe reguliert vortrefflich, doch ist ihr Mechanismus ziemlich empfindlich. Sie wird deshalb viel weniger verwendet als die derbern Nebenschlußlampen und hat dementsprechend auch zu viel weniger verschiedenen Konstruktionen Veranlassung gegeben. Die ihr von Hefner-Alteneck gegebene Form zeigt Fig. 5 der Tafel I. Durch die Klemme links tritt der Strom ein und teilt sich sogleich; der Hauptstrom geht durch die untere Spule aus dickem Draht, den die positive Kohle K₁ führenden, von den Trägern der negativen Kohle K₂ isolierten Mechanismus, die negative Kohle und deren Träger zur Klemme rechts, während der Zweigstrom durch die obere Spule und den um diesen Mechanismus geführten, punktiert gezeichneten Draht ebendahin gelangt. Um den Nachschub der positiven Kohle K₁ bei deren Abbrennen zu ermöglichen, ist sie nicht an dem Hebel c₁ c₂ befestigt. Dieser trägt vielmehr die Stange AA, an die bei e und x zwei um Bolzen drehbare Querstücke angebracht sind. Das untere ist ebenfalls drehbar auch am Träger ZZ befestigt, der K₁ bei a hält, das obere hat bei y eine Einkerbung und kann sich auf den an ZZ sitzenden Stift V auslegen. Der Kohlenträger findet seine Leitung in den unter e und unter V befindlichen Fortsätzen von A. Mit A hängt Z, das als Zahnstange ausgebildet ist, durch ein Getriebe zusammen, das auf der Achse des mit Sperrzähnen versehenen Steigrades SS sitzt. Die Zähne sind nur an den Stellen gezeichnet, wo Eingriffe stattfinden. In die von S greift die Hemmung E ein, die an der um die Achse von S gebogenen Stange n des Pendels P angebracht ist. In der gezeichneten Stellung ist das Pendel durch y arretiert. Wird nun aber mit dem Abbrennen der Kohlen der Lichtbogen länger, also sein Widerstand größer, so nimmt die Stromstärke im Hauptstromkreis ab, im Nebenschluß zu, der Eisenkern beider Spulen wird also gehoben, nimmt c₂ mit und drückt die Stange A herab, an der das Gewicht des Kohlenhalters wirkt. Ehe nun der Lichtbogen so lang geworden ist, daß er verloschen würde, gelangt das Querstück x auf den Stift V, der es so weit emporhebt, daß y die Pendelstange n freigibt und das Pendel einige Schwingungen vollführen kann. Dabei sinkt K₁ so weit herab, bis der durch den nunmehr verringerten Widerstand des Bogens erstarkende Hauptstrom den Eisenstab wieder herunterzieht, A hebt und y das Pendel wieder arretiert. Eine neuere von Siemens u. Halske eingeführte Form der Differentiallampe, die Seillampe, zeigen die Fig. 6 u. 7 der Tafel I in perspektivischer und geometrischer Ansicht, soweit ihre Teile hier in Betracht kommen. In die Nute der in dem dreiarmigen Hebel CC gelagerten Seilscheibe ist das Kupferseil BB gelegt, das an seinem rechts gezeichneten Ende die obere positive Kohle, an seinem links liegenden die untere negative Kohle trägt. Das Übergewicht des erstern würde die Scheibe A so lange im Sinne des Uhrzeigers drehen, bis die Kohlen zur Berührung kämen, wenn sie nicht mit einem Räderwerk in Verbindung stände, dessen oberstes Rad, das Sternrädchen D für gewöhnlich durch die Blattfeder E festgehalten wird. Der Hebel CC ist in F drehbar gelagert, und sein sich wagerecht nach rechts erstreckender Arm trägt den Stab aus weichem Eisen, dessen oberes Ende in die Hauptstromspule, dessen unteres in die im Nebenschluß liegende reicht. Wird nun die Entfernung der Kohlenspitzen zu groß, so wird der Eisenstab heruntergezogen, der Hebel C folgt, und die Feder E gibt das Sternrad D frei. Die Kohle sinkt dann so lange herab, bis infolge des nun verringerten Widerstandes des Bogens E wieder D festhält. Die beiden einander entgegenwirkenden Spiralfedern H₁ und H₂, von denen die stärkere H₁ der Bewegung von C im Sinne des Uhrzeigers entgegenwirkt, während sie die schwächere befördert, haben den Zweck, die Reibungswiderstände soviel wie möglich aufzuheben. Um zu verhindern, daß namentlich beim Ziehen des Lichtbogens die Bewegung der obern Kohle zu rasch vor sich geht, ist das Ende des horizontalen Armes von C mit der Stellschraube M versehen, die dabei gegen den Stift N stößt. N trägt im Zylinder O den gut schließenden Kolben L, der ein sich nach innen öffnendes Ventil besitzt. Ihn muß der Hebel C heben und dabei die Luft zusammendrücken, die sich dann wieder auszudehnen bestrebt ist. Wenn nötig durch Vermittelung des Ventils kehrt der Kolben L also stets wieder in seine Ruhelage zurück, und der Größe der Bewegung von C ist durch Stellung der Schraube M leicht das richtige Maß zu erteilen.

Eine verbesserte Nebenschlußlampe von Körting u. Matthiesen zeigt Fig. 2 der Tafel II in perspektivischer Ansicht, Fig. 4 in schematischer Darstellung. Es ist bei ihrer Konstruktion dafür Sorge getragen, daß der beim Erwärmen der Spule im Nebenschluß sich vergrößernde Widerstand eine Schwächung der Wirkung des Magneten bei unveränderter Klemmenspannung nicht hervorruft. Bei den Nebenschlußlampen wendet man vielfach zwei voneinander unabhängige Elektromagneten an, der eine dient zum Regulieren, der andre, der Lichtbogenbildner, dagegen hat einen nur begrenzten Hub und dient dazu, den Lichtbogen zu ziehen. Bei + (Fig. 4) tritt der Strom ein, an der entgegengesetzten Seite, nachdem er die Kohlen durchflossen hat, wieder aus. Doch gehen von ihm zwei Zweigströme ab, von denen der eine den horizontalen a, der andre den vertikalen Elektromagneten b umfließt. Die Kohlenhalter hängen an einer Kette d, die über die Rolle c läuft und bei deren Drehung durch Reibung mitgenommen wird. Angetrieben wird die Rolle durch das Schneckenrad e und dieses wieder durch das Sperrrad k, das um einen Zahn weiter fortrückt, wenn der Anker a des horizontalen Elektromagneten angezogen wird und den auf k liegenden Sperrkegel weiterschiebt. In den diesen Elektromagneten umfließenden Strom ist nun ein Kontakt gelegt, der jedesmal unterbrochen wird, wenn der Magnet seinen Anker anzieht. Dann zieht diesen die Spiralfeder p sofort wieder zurück und unterbricht so den Strom wieder. Der Sperrkegel rückt nun um einen Zahn zurück, der zurückgehende Anker schließt wieder den Strom, f abermals um einen Zahn weiterschiebend, und das geht so fort, bis die Kohlenspitzen in Berührung kommen, der Hauptstrom geschlossen u. dadurch der Elektromagnet stromlos geworden ist. Je stärker nun die Feder p gespannt ist, um so stärker muß der Strom werden, der den Elektromagneten seinen Anker a anzuziehen befähigt. Sie wird also nur zur Wirkung kommen, wenn die obere Kohle den größten Abstand von der untern, den sie annehmen darf, erreicht hat. Ehe dies aber geschehen[651] ist, wird der Elektromagnet b in Wirksamkeit treten. Dabei zieht er seinen Anker h, der drehbar um l gelagert ist, zu sich herüber, indem er die Kraft der Feder i überwindet. Ihm folgt das Stengelchen m, das den auf der Achse n der Rolle c gelagerten Winkelhebel in Bewegung setzt und dadurch das Röllchen o senkt. Da dies aber Leitrolle für die Kette ist, senkt sich diese mit ihr, und die Kohlen werden genähert. Das Umgekehrte findet statt, wenn ihr Abstand zu klein geworden ist, die Feder i zieht dann die Kohlen wieder auseinander. Der Lichtbogenbildner b reguliert also bei geringern Längen- und damit Spannungsänderungen des Lichtbogens, der Nachschubmagnet a, wenn die Spannung den größten zulässigen Wert erreicht hat. Der Feder p wirkt nun die Feder s (Fig. 2) entgegen, deren Halter r von der Zugstange q verschoben werden kann; q wird von dem Wärmekompensator beeinflußt, der in dem Rohre k angebracht ist. Er besteht aus einer Anzahl ineinandergeschobener Eisen- und Zinkrohre, die so aneinander befestigt sind, daß das äußere, auf der Grundplatte stehende Eisenrohr mit seinem obern Rand ein Zinkrohr, dieses wieder mit seinem untern Rand ein Eisenrohr etc. trägt. Das innerste Eisenrohr trägt die Stange q. Mit der Spule erwärmen sich diese Rohre, deren Verlängerungen durch die Ausdehnung summiert werden. Um so viel mehr wird nun die Feder s angespannt, also p geschwächt, als der Magnet durch die infolge des größern Widerstandes der Spule bei ihrer Erwärmung verminderte Stärke seines Erregerstromes schwächer geworden ist. Um der Notwendigkeit überhoben zu sein, in einem Stromnetz von 110 Volt Spannung immer zwei Bogenlampen hintereinander schalten zu müssen, haben Körting u. Matthiesen sie in ihrer Doppelbogenlampe, deren obern Teil Fig. 1 der Tafel II darstellt, vereinigt. Sie ist nichts andres als eine Verdoppelung der in Fig. 2 u. 4 gegebenen Lampe. Die Regelwerke beider Kohlenspitzenpaare w und w₁ sind auf einer gemeinschaftlichen Platte angebracht und hängen an Ketten, die über Scheiben gehen; a und a₁ sind die Elektromagnete, deren Spulen sich im Nebenschluß befinden, b und b₁ die Laufwerke, die durch die Zugstange o mit dem an einer Seite des Elektromagneten befindlichen Anker m verbunden sind. Die der Bewegung des Ankers entgegenwirkende Kraft liefert die Spiralfeder n. Das Laufwerk wird, wie bei der Seillampe von Siemens u. Halske, gehemmt oder ausgelöst durch das Flügelrad p (p₁), das frei wird, wenn der Anker m bei zu stark werdendem Zweigstrome die an dem zweiarmigen Hebel v (v₁) sitzende Zunge q (q₁) von p (p₁) zurückzieht. Diese Einrichtung tritt also an Stelle des Nachschubmagneten der in Fig. 2 u. 4 dargestellten Nebenschlußlampe. Damit das Zurückziehen der Zunge stets bei der nämlichen Länge des Lichtbogens erfolgt, auch wenn durch Erhitzung der Spule a deren Widerstand größer geworden ist, wird q und q₁ durch Wirkung des hinter m sichtbaren Wärmekompensators, dessen Einrichtung die bei der Nebenschlußlampe beschriebene ist, etwas nach dem Flügelrad hin, im andern Falle von ihm weggeschoben. Die Laufwerke sind mit den Luftdämpfern t versehen, die jede stoßweise Bewegung unmöglich machen. Endlich kann durch die Schraube s der Träger r der Feder n etwas zurückgezogen und dadurch die Feder starker gespannt werben, wodurch die zur Regulierung führende Spannung des Lichtbogens nach Bedürfnis geändert werden kann. Die Betriebskosten der Doppeltbogenlampe sind höher, die Lichtstärke bei gleichem Energieverbrauch geringer als bei der Einbogenlampe, trotzdem sind die Vorteile, die ihre Schaltungsweise bietet, groß genug, um sie bei Zentralen mit hoher Spannung einzuführen.

Auch mit Wechselstrom können Bogenlampen betrieben werden. Doch müssen bei ihnen die Kohlen gleich stark sein, da sie gleich rasch abbrennen. Fig. 3 u. 5 der Tafel II zeigen eine solche von Schuckert u. Komp. schematisch und das Regelwerk in perspektivischer Ansicht. Die Kohlen hängen an einer Schnur, und es geht die obere und der Halter g f der untern durch die beiden Specksteinringe D und d des Reflektors c, der das Licht nach unten wirft. Die die Schnur haltende Rolle b steht durch Zahnradübersetzung mit der Aluminiumscheibe a in Verbindung und gerät mit dieser in Drehung. In solche wird a versetzt, wenn der Magnetismus einer der beiden Elektromagnete E oder e, von denen jener sich im Hauptstrom, dieser im Nebenschluß befindet, geändert wird. Der Magnetismus erregt dann in a Ströme, auf die die Magnete anziehend oder abstoßend wirken. Die Stärke von E nimmt aber beim Abbrennen der Kohle ab, während zugleich die von e zunimmt. Ist also der Abstand der Kohlen über eine gewisse Größe hinausgegangen, so drehen beide Magnete die Scheibe a so, daß er wieder kleiner wird. Die Klemm schrauben, an welche die Leitungsdrähte angelegt werden, sind durch Punkte, die Drahte durch punktierte Linien bezeichnet.

Bogenlampen eumen sich zur Beleuchtung von Plätzen, Sälen etc., doch ist das Licht des Bogens zu blendend und besonders deshalb von unangenehmer Wirkung, weil es von einem Punkt ausgeht. Man schließt deshalb die Kohlenspitzen immer in matte Glasglocken ein, die allerdings das erzeugte Licht in sehr merklichem Grade schwächen. Sollen Zeichensäle oder Arbeitsräume beleuchtet werden, so nimmt man die positive Kohle nach unten und laßt das Licht der durch einen Schirm verdeckten Lampen auf die geweißte Decke oder geweißten Wände fallen, die es dann gleichmäßig in dem Raum verteilen.

Wie bei der Dauerbrandlampe wird auch bei der Quecksilberdampflampe von Hewitt der Lichtbogen als Lichtquelle benutzt, aber er wird zwischen zwei Quecksilberelektroden oder einer Quecksilber- und einer Eisenelektrode gebildet, und sein Träger ist glühender Quecksilberdampf, der unter einem Druck einer Quecksilbersäule von etwa 2 mm Höhe steht. Man hatte mit solchem bereits früher vielfach Versuche angestellt. Hewitt hat jedoch die Lampe, mit der er 1901 vor die Öffentlichkeit trat, zuerst technisch verwendbar gemacht. Sie besteht, wie Fig. 8 der Tafel I zeigt, aus einem Glasrohr, in das Platindrähte eingeschmolzen sind, welche die Elektroden tragen, und das vollkommen luftleer gepumpt ist. Die untere negative Elektrode besteht aus Quecksilber, die obere positive ist eine Eisenelektrode, die aus einem dünnwandigen Tiegel oder einer in Tiegelform gebogenen Drahtspirale gebildet wird. An geeigneter Stelle ist an die Röhre eine kugelförmige Ausbuchtung angeschmolzen, dieKühlkammer a. Die negative Elektrode erhält außen einen Metallbelag b, der zur Verstärkung der Wirkung durch einen Draht mit dem positiven Pol verbunden ist. Geht nun ein Strom durch, so strahlt der gebildete Quecksilberdampf ein sehr helles, aber dem Auge doch wohltätiges Licht aus, das fast gar keine roten Strahlen enthält. Eine bestimmte Stromstärke muß für jede Lampe eingehalten werden, wenn sie vorteilhaft arbeiten soll, auch muß ein Ballastwiderstand vorgeschaltet werden; wie bei der Bogenlampe ändert sich die Spannung der Hewittlampe nicht wesentlich[652] mit der Stromstärke. Auch die Temperatur muß einen dieser Bedingung entsprechenden Wert erhalten, und die Kühlkammer soll dies bewirken, indem sie für die günstigste Dichte des Gases sorgt. Die Lampen werden für Zimmertemperatur hergestellt; sollen sie bei niedern Temperaturen brennen, so müssen sie mit Glasmänteln umgeben werden, die verhüten, daß die von der Lampe abgegebene Wärme entweicht. Um sie in Gang zu setzen, muß man zunächst einen Stromstoß hoher elektrischer Spannung durch sie hindurch gehen lassen. Dazu schaltet man eine Spule mit weichem Eisenkern in ihren Stromkreis, der für einen Augenblick durch einen kleinen Widerstand mit dem andern Pole der Leitung verbunden wird. Dabei magnetisiert ihn die Spule und erzeugt durch die nun in ihm aufgespeicherte Energie eine so hohe Spannung, daß der Anfangswiderstand der Lampe überwunden, sie »angezündet« wird. Die Ökonomie der Lampe ist sehr gut, ihre Lebensdauer die einer guten Glühlampe. Im kleinen Maßstab ist sie bereits in die Praxis eingeführt worden.

Glühlampen. Die Teilung des elektrischen Lichtes durch Verwendung glühender Drähte als Lichtquelle zu erreichen, ist in den 40er Jahren des 19. Jahrhunderts auf die mannigfachste Weise versucht worden. Man fand bald, daß nur ein Kohlefaden die zur Ausstrahlung hellen Lichtes nötige Temperatur aushielt, und Edison gelang es im Anfang der 1860er Jahre, praktisch brauchbare Glühlampen herzustellen. Zuerst nahm er Streifen verkohlten Postpapiers, dann verkohlte Bambusfaser, jetzt stellt man die Kohlefäden meist künstlich aus Zellulose her. In Gegenwart von Luft kann man freilich die Kohle nicht glühen lassen, ohne sie sofort zu verbrennen, man bringt sie also in kugel- oder birnförmigen Glasgefäßen an, die völlig luftleer gepumpt werden, und läßt den Kohlefaden eine oder mehrere Schlingen bilden. Zur Zuleitung des Stromes schmilzt man kurze Platindrähte in die Glaswand ein und verbindet ihre Enden mit denen des Kohlefadens. Ein Ersatz des Platins konnte bisher nicht gefunden werden, da Platin das einzige Metall ist, das sich ebenso stark wie Glas in der Wärme ausdehnt. Gewöhnliche Kohle hat einen sechsmal größeren Widerstand als die zweite Modifikation des Kohlenstoffes, der Graphit. Da man diesen aber nicht in Drahtform herstellen kann, so überzieht man den Kohlefaden damit, man karbonisiert ihn. Man preßt zunächst künstlich erhaltene Zellulose durch eine Düse und zerschneidet den so erhaltenen und auf Spulen gewickelten Faden in kleinere Stücke, die in die gewünschte Form gebogen und dann durch Glühen bei Luftabschluß verkohlt werden. Die so erhaltenen Fäden erhitzt man mittels eines durch sie hindurch geleiteten Stromes in einer Kohlenwasserstoffatmosphäre auf etwa 2000°, wobei sich graphitischer Kohlenstoff auf ihnen niederschlägt, dadurch ihre Oberfläche glatt und dicht, ihre Dicke gleichmäßig macht und ihre Glastizität vergrößert. Mittels galvanoplastisch niedergeschlagenen Kupfers oder auf chemischem Weg aus kohlenwasserstoffreichen Stoffen abgeschiedenen Kohlenstoffes werden nun ihre Enden mit den in den Glasfuß der Lampe eingeschmolzenen Platindrähten verbunden, darauf wird die Glasbirne angeschmolzen. Die Menge des niedergeschlagenen Graphits richtet sich nach der Länge des Fadens. Um sie hinreichend groß zu erhalten, muß man den Faden also recht lang machen, und das erreicht man, indem man ihn in eine oder mehrere Schlingen legt (Tafel I, Fig 9) Nimmt man mehr als eine Schlinge, so muß man den Faden freilich durch Glasstäbchen, die an der Birne angeschmolzen werden, stützen. Doch kann man statt des einen Fadens auch zwei nehmen, die durch einen in das Glas dicht eingeschmolzenen Draht in leitender Verbindung stehen. Lampen dieses Doppeltypus können nie durch Verbiegung der Schlinge Kurzschluß geben. Die kürzern Fäden dürfen auch zur Herstellung des Graphitüberzuges höhern Temperaturen ausgesetzt werden, wobei der Überzug besonders dicht, hart und dauerhaft wird. Während er den Widerstand eines Fadens gewöhnlicher Form auf ein Drittel seines Wertes herabdrückt, tut er dies beim Doppelfaden um ein Viertel. Jeder Faden liefert dabei bei halber Spannung die halbe Kerzenstärke. Die Glasbirne läuft an ihrem dicken Ende in ein seines Röhrchen aus, mittels dessen sie luftleer gepumpt, und das dann zugeschmolzen wird. Früher bediente man sich zu diesem Zwecke der Quecksilberluftpumpe, jetzt hat man sie durch die Ölpumpe ersetzt. Während die Birne ausgepumpt wird, erhält ein durchgeschickter Strom den Faden auf Rotglut und treibt dadurch alle noch in ihm etwa enthaltenen Gase aus. Zurückbleibende Reste von Sauerstoff entfernt die Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft in Berlin, indem sie in das Ansatzrohr der Birne vor dem Zuschmelzen eine geringe Menge roten Phosphors bringt. Dieser nimmt allen Sauerstoff auf, die sich bildende Phosphorsäure aber schlägt sich als durchsichtige Schicht auf der Glaswand nieder. Nach ihrer Herstellung wird die Lampe auf die Spannung geprüft, die für eine bestimmte Helligkeit der Lampen (ausgedrückt in Kerzen) nötig ist, und die Anzahl Watt festgestellt, die für die Lichteinheit verbraucht wird. Zur Prüfung des Fadens erhitzt man ihn langsam zur Rotglut und beobachtet, ob einige Stellen heller als die übrigen glühen. Diese setzen dann dem Strom einen größern Widerstand entgegen als die andern, sind also dünner. Davon, daß die Lampe völlig luftleer ist, überzeugt man sich, wenn man durch Erschütterung der Birne den Faden in Schwingungen versetzt. Seine Schwingungen müssen so rasch erfolgen, daß er gänzlich unsichtbar wird. Die gebräuchlichen Lampen geben Lichtstärken von 10, 16, 25 und 32 Hefnerkerzen und bedürfen dazu Spannungen von 60–70 oder 95–125 Volt. Die einer jeden Lampe zukommenden Werte müssen nach den vom Verband deutscher Elektrotechniker gegebenen Bestimmungen auf ihr bemerkt sein. Zulässig ist eine Abweichung von 2 Proz. Neben diesen größern Lampen sind auch noch kleinere bis zur Größe einer Erbse im Gebrauch, die von Trockenbatterien oder kleinen Sammlern gespeist werden. Sie dienen als Beleuchtungskörper für Grubenlampen, zu Theatereffekten oder auch als Ersatz von Handleuchtern. Die Trockenbatterie ist bei diesen in einer dem innern Teil einer Zigarrentasche gleichenden Hülle, an der zwei Blechstreifen befestigt sind, mit denen die Pole in Verbindung stehen. Zu dem einen Streifen geht ein Draht vom einen Ende des Kohlenbügels des Lämpchens, das in dem überzuschiebenden Teil der Tasche angebracht ist, der andre kann durch Herabdrücken eines federnden Drahtes den Kontakt mit dem andern Ende des Kohlenbügels herstellen. Ist das Trockenelement, was freilich nach kurzer Zeit eintritt, erschöpft, so kann es leicht gegen ein andres ausgewechselt werden. Auch Tischlampen werden in der nämlichen Weise hergestellt, die zu leuchten beginnen, wenn man auf einen an ihnen befindlichen Knopf drückt.

Die Form des Sockels und der Fassung, die Edison der Glühlampe gegeben hat, ist jetzt wohl allgemein[653] angenommen, zugleich ist erreicht, daß man jede Lampe in jede Fassung setzen kann. Die fertige Lampe zeigt Fig. 10 der Tafel I. Die Birne A ist mit Gips in eine aus Messingblech gepreßte, mit Schraubengewinde versehene Hülle B eingekittet und zugleich unten in den Gips D das Messingplättchen C gelegt. Die Fassung B steht durch einen Draht mit dem einen Ende des Kohlefadens, das Plättchen C durch einen ebensolchen mit dem andern in Verbindung. Der Sockel besteht aus einem hohlen Gewinde, in das B paßt, und besitzt in seinem Grund eben falls ein Messingplättchen, auf das C beim Einschrauben gedrückt wird. Das Gewinde des Sockels steht aber mit dem einen, seine Platte mit dem andern Leitungsdraht in Verbindung. Schraubt man also die Lampe in den Sockel, so schaltet man sie in den Strom ein, sie beginnt zu leuchten. Vielfach erhält aber die Lampe noch einen besondern Schalter, der sie durch Umdrehung eines kleinen Handgriffs in den Strom ein- und aus ihm auszuschalten erlaubt. Der Handgriff dreht dabei einen aus nicht leitendem Stoff bestehenden Zylinder, dessen beide Stirnflächen mit je zwei Einkerbungen versehen sind, deren Ränder an der einen Seite steil, an der andern nach und nach abfallen, und von denen je zwei mit Messingblechen ausgekleidet sind, die mit den beiden Enden des Kohlefadens in leitender Verbindung stehen. Der Zylinder befindet sich in einer Fassung aus demselben nicht leitenden Stoffe, der zwei Messingfedern trägt, an welche die beiden Zuleitungsdrähte des Stromes aus dem Netz gehen. Der Handgriff wird nun stets so gestellt, daß die Federn in zwei gegenüberliegende Einkerbungen des Zylinders eingeschnappt sind und so entweder den Strom schließen, wenn sie in den mit den Messingblechen ausgekleideten Kerben liegen, oder ihn geöffnet halten, wenn sie sich in den andern befinden. Die Form der Einkerbungen erlaubt den Zylinder nur in einem Sinne zu drehen und hält ihn in den beiden bezeichneten Stellungen fest. Die bisher üblichen Glühlampen werden für 110 Volt eingerichtet, neuerdings fängt man freilich auch an, sie für 220 Volt zu konstruieren. Da man aber bei Lampen für hohe Spannung auf den Graphitüberzug, wegen dessen zu guten Leitungsvermögens, verzichten muß, so ist ihre Ökonomie schlechter, ihre Lebensdauer geringer als die der Lampen für niedrige Spannung. Glühlampen verbrauchen für 1 Kerze etwa 3 Watt, ihre Lebensdauer kann bis zu 1000 Brennstunden gehen, doch ist es nicht vorteilhaft, sie vollständig auszunutzen. Je länger, je mehr überzieht sich das Innere der Birne mit einem bräunlichen Beschlag, der aus Kohleteilchen besteht, die vom Faden weggeschleudert worden sind. Dadurch wird der Faden zugleich dünner, al so seine Leuchtkraft wegen des verstärkten Widerstandes geringer, bis er endlich an der dünnsten Stelle durchbricht. Da dies meist in der Nähe der Austrittsstelle des Stromes, also an der Kathode geschieht, so hat dies Zerstäuben nach Starks wohl zutreffender Ansicht dieselbe Ursache wie das Zerstäuben des Kathodenmaterials in Geißlerschen Röhren. Wie diese ist ja auch die Birne völlig luftleer. Mannigfache Mittel sind von verschiedenen Firmen in Anwendung gebracht, um die Konsumenten zum rechtzeitigen Auswechseln der Lampen zu veranlassen. Man hat an der Lampe Einrichtungen getroffen, die sie mich einer bestimmten Anzahl Brennstunden untauglich macht (Schuckert u. Komp. in Nürnberg), man hat die günstigsten Umtauschbedingungen gestellt (Chemnitz, England), aber man hat noch nicht erreicht, daß der Konsument eine Lampe umtauscht, sobald er eine Abnahme der Lichtstärke bemerkt.

Bei dem verhältnismäßig hohen Preis des Glühlichtes konnte es das Gaslicht namentlich in größern Städten nicht völlig verdrängen. Bei seiner Einführung durch Edison freilich schien es ganz sicher, daß ihm das Gaslicht weichen müsse, und der amerikanische Elektrotechniker glaubte diesen Vernichtungskampf beschleunigen zu können, wenn er alle Einzelheiten an den Lampen und Leitungen den vom Gase gewohnten Hähnen etc. nachbildete. Die Einführung der Auerschen Glühstrümpfe setzte aber die Preise des Gaslichtes so bedeutend herunter, daß nunmehr die Beleuchtung mit Glühlicht vor die Existenzfrage gestellt wurde. Tarifänderungen, welche die Kosten des Verbrauchs der elektrischen Energie bei Tage erniedrigten, halfen nicht viel, denn die Gasfabriken setzten ebenfalls die Preise für Heizgas herab; man mußte darauf sinnen, den Energieverbrauch des Glühlichtes zu vermindern, und schlug zu diesem Zwecke verschiedene Wege ein. Man stellte Bogenlampen für geringere Helligkeiten her, wie die neuerdings von Siemens u. Halske in den Handel gebrachte Liliputlampe, die Fig. 11 der Tafel I zeigt, häufiger ersetzte man die Kohle des Glühfadens durch andre Stoffe. Als solche boten sich gewisse Oxyde und das sehr schwer schmelzbare Osmium, weil diese Körper bei gleichem Energieverbrauch helleres Licht ausstrahlen als die Kohle. Ein weißglühendes Stäbchen aus einem Gemisch von Metalloxyden, vorwiegend Thor- oder Zirkonoxyd, wendet Nernst in seiner Lampe an, die von der Allgemeinen Elektrizitäts-Gesellschaft auf den Markt gebracht worden ist. Da dieses Oxydgemisch aber erst im erhitzten Zustand leitend wird, so bedarf die Lampe einer besondern Erhitzungsvorrichtung, um sie zu entzünden. Die Form, in der sie in jede Glühlampenfassung eingeschraubt werden kann, zeigt Fig. 12 der Tafel I mit weggelassener Glashülle, m ist der Glühstift, gg ein Porzellanröhrchen mit eingeschmolzenem Platindraht, das m in Schraubenwindungen umgibt. M ist das Schraubengewinde der Lampenfassung, G das Plättchen, das mit dem positiven Ende der Leitung in Verbindung gesetzt wird. Der Strom geht dann zunächst durch den bei F beweglichen Anker A des Elektromagnets E, durch den Kontakt bei D, den Draht H, durch g, k und L nach M, bis durch die von g ausgestrahlte Wärme m so weit erhitzt worden ist, daß es den Strom leitet. Dann nimmt er seinen Weg über E, den Vorschaltswiderstand N, das Stäbchen m nach L und M. Da dadurch E erregt wird, so zieht sein Pol P den Anker A an, indem er den Widerstand der Blattfeder F überwindet, und öffnet dadurch den Kontakt bei D. Nun wird g stromlos, und es ist nur Strom in E. N, m, f und M vorh anden. Der Widerstand N hat den Zweck, die Netzspannung auf die für die Lampe entsprechende Größe zu bringen. Für eine Kerzenstärke verbraucht die Lampe nur 1,5 Watt, welche Zahl für die Liliputlampe nur auf 1 Watt, für eine neuerdings von Rignon ausgeführte ähnliche Konstruktion gar auf 0,6 Watt angegeben wird. In Verbindung mit dem Kohlefaden haben Auer v. Welsbach und Edison die Leuchtkraft glühender Oxyde benutzen wollen. Der Vorschlag, den Faden mit einem dünnen Glühstrumpfe vor dem Einsetzen in die Birne zu umhüllen, ist wohl nicht durchzuführen gewesen. Auer hat ihn auch so zu verwirklichen gesucht, daß er einen Platindraht mit Thoroxyd umhüllen und zur Glut bringen wollte. Der Draht würde dann über seinen Schmelzpunkt erhitzt werden[654] können, weil das hohe Ausstrahlungsvermögen der Hülle dem Draht immer Wärme entzöge, es würde aber auch ein Schmelzen des Drahtes nicht bedenklich sein, da ihn die schwer schmelzbare Hülle zusammenhielte. Edison stellt die Glühfäden aus einer Mischung von Kohle mit den nichtleitenden Oxyden des Zirkons und Thors her und taucht den fertigen in ein Salz der im Oxyd enthaltenen Körper. Der Strom soll dann von Kohle- zu Kohleteilchen überspringen und die dazwischen liegenden Oxydteilchen zur Weißglut bringen. Dieser Faden kann nur in der luftleer gemachten Birne glühen, während das Gefäß der Nernstlampe nicht luftleer gemacht zu werden braucht. Das würde auch nicht nötig sein mit dem Gefäß, in dem ein Osmiumfaden glüht, dessen Herstellung Auer v. Welsbach geglückt ist. Die Osmiumlampe bedarf für eine Hefnerkerze 1,5 Watt und hat eine Brenndauer von 700–1000 und mehr Stunden. Während des Gebrauchs schwärzt sich zwar die Glasumhüllung, doch hat es keine Schwierigkeit, den Überzug wegzuwischen. Nur hat sie den Übelstand, daß sie in ihrer bisherigen Form nur Spannungen von 25–50 Volt verträgt, daß also bei den jetzt üblichen Spannungen stets eine Anzahl Lampen hintereinander geschaltet werden müssen. Für Sammlerbetrieb würde sich die Lampe gut eignen, doch dürfte sie wegen der Seltenheit des Osmiums sich nicht lange behaupten können. Auch aus Titankarbid will man Glühfaden herstellen. Die Temperatur des Kohlefadens beträgt etwa 1300°, die des Glühstiftes der Nernstlampe 2200 bis 2450°. Die Art der Lichterzeugung mit sehr hohen elektrischen Spannungen, wie sie Tesla angegeben hat, eignet sich nicht für die Anwendungen und hat nur wissenschaftliches Interesse. Vgl. Urbanitzky, Die elektrischen Beleuchtungsanlagen (3. Aufl., Wien 1898); Heim, Die Einrichtung elektrischer Beleuchtungsanlagen für Gleichstrombetrieb (3. Aufl., Leipz. 1898); Herzog und Feldmann, Handbuch der elektrischen Beleuchtung (2. Aufl., Berl. u. Münch. 1901); Grünwald, Bau, Betrieb und Reparaturen der elektrischen Beleuchtungsanlagen (u. Aufl., Halle 1901); Fischer, Elektrische Licht- und Kraftanlagen (Wiesbad. 1898); Peschel, Hilfsbuch für die Montage elektrischer Leitungen zu Beleuchtungszwecken (2. Aufl., Leipz. 1903).