Kohlebogenlampe

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Lichtbogenlampe)
Wechseln zu: Navigation, Suche
Die Elektroden einer Bogenlampe im Betrieb

Eine Kohlebogenlampe, kurz auch Bogenlampe genannt, ist eine künstliche, elektrische Lichtquelle mit einem in Luft brennenden Lichtbogen zwischen zwei Elektroden aus Graphit.

Geschichte[Bearbeiten]

Bogenlampe von Staite und Petrie

Die erste Kohlenbogenlampe wurde von dem Briten Humphry Davy um 1802 entwickelt. Die Elektroden waren horizontal ausgerichtet und der sich bildende Lichtbogen wurde durch die aufsteigende heisse Luft noch oben hin gebogen. Auf dieser Beobachtung basiert die Bezeichnung Lichtbogen und die im englischen übliche Bezeichnung arc-lamp.[1] Da Anfang des 19. Jahrhunderts noch keine leistungsfähigen elektrischen Generatoren verfügbar waren und der Abbrand der Kohlestäbe nur einen kurzen Betrieb im Bereich weniger Minuten erlaubte, blieb die Kohlenbogenlampe in den folgenden Jahrzehnten ohne wesentliche praktische Bedeutung.

In den 1840er Jahren entwickelten William Edwards Staite und William Petrie eine Reihe von verbesserter Bogenlampen. Unter anderem wurde der Abbrand der Kohleelektroden durch eine mechanische Konstruktion, welche den Kohlestab kontinuierlich nachschob, kompensiert. Damit konnte die Betriebsdauer von nur wenigen Minuten durch entsprechend lange Kohlestäbe deutlich gesteigert werden. Um die Nachschiebung zu erleichtern, wurde die Elektroden in vertikaler Richtung montiert. Wegen des komplexen Aufbaus der Nachführung beschränkte sich der praktische Einsatz auf wenige Installationen in England.[2]

Die erste kommerziell erfolgreiche Kohlebogenlampe wurde von dem Russen Pavel Yablochkov entwickelt. Die Lampe war so ausgeführt, dass die komplizierte Mechanik zur Nachführung der Kohleelektroden entfiel. Yablochkov verwendete für die Stromversorgung einen damals neuartigen Generator von Gramme welcher gemeinsam mit der Bogenlampe auf der Weltausstellung Paris 1878 vorgestellt und von Zénobe Gramme vermarktet wurde.[3]

Am 1. März 1879 verwendete der Werner von Siemens eine von ihm entwickelte elektrische Bogenlampe erstmals zum Zwecke der Straßenbeleuchtung an seinem Haus. Die Stadt Berlin ließ kurze Zeit später im Zentrum Unter den Linden und Friedrichstraße die Gasbeleuchtung durch Kohlebogenlampen ersetzen.[4]

Heinrich Beck erfand 1906 die "regelwerklose Bogenlampe", was zur Gründung der Deutschen Beck-Bogenlampengesellschaft in Frankfurt am Main führte. Nachdem sich Beck bereits 1909 aus dem operativen Geschäft zurückgezogen hatte und sich seinen Anteil hatte ausbezahlen lassen, gelang ihm 1912 im neu gegründeten Physikalisch-technischen Laboratorium in Meiningen die Konstruktion des seinerzeit leistungsstärksten Marine-Scheinwerfers (siehe auch Suchscheinwerfer). Nachdem sich die deutsche Marine nicht zu einem Einsatz dieser Technologie hatte entschließen können, wurde der Beckscheinwerfer im August 1914 in New York im Beisein des Erfinders getestet.

Bei Ausbruch des Ersten Weltkriegs versuchte Heinrich Beck nach Deutschland zurückzukehren, wurde jedoch im Ärmelkanal von der Royal Navy gefangen genommen und bei Liverpool interniert. Vor die Wahl gestellt, entweder als Kriegsgefangener in Großbritannien zu bleiben oder in die damals noch neutralen USA zurückzukehren, entschied er sich für letzteres und verkaufte seine Patente schließlich an General Electric (GE), nachdem entsprechende Verkaufsverhandlungen mit Sperry Gyroscope gescheitert waren. Zwischen 1917 und 1919 musste er sich zusammen mit GE in einem aufwändigen Patentverletzungsprozess gegen ein offensichtliches Plagiat von Elmer Ambrose Sperry zu Wehr setzen, das 1917 als angebliche Eigenentwicklung auf den Markt gekommen war. Der GE/Beckscheinwerfer wurde ab 1917 auf allen Kriegsschiffen der US-Marine eingesetzt.

Aufgrund der Bestimmungen des Versailler Vertrages war es nach dem Ersten Weltkrieg in Deutschland nur noch Siemens-Schuckert und der AEG erlaubt, Scheinwerfer herzustellen. Das Institut in Meiningen wurde nach der Rückkehr von Heinrich Beck und seiner Familie im Jahr 1921 in die AEG eingegliedert. Dort arbeitete Heinrich Beck dann zusammen mit seinen beiden Söhnen bis zu seinem Tod 1937 an einer Verbesserung seiner Erfindung, die schließlich während des Zweiten Weltkriegs als Flak-Scheinwerfer zum Einsatz kam.

Der Beck- oder Hochintensität-Kohlenbogen war weltweit die Lichtquelle in Kinoprojektoren bis in die sechziger Jahre hinein. Die leuchtenden Farben von Technicolor hängen damit zusammen.

Aufbau und Funktionsweise[Bearbeiten]

Abgebrannte kupferummantelte "Kohlen" aus der Lampe eines Kinofilmprojektors
Nachglühende Elektroden in einer Kohlebogenlampe eines Filmprojektors

In einer Kohlebogenlampe befinden sich zwei stabförmige, justierbare Elektroden aus Graphit, im üblichen Sprachgebrauch "Kohlen" genannt. Hergestellt werden sie durch Sintern bei 1.200 °C aus Kohle und Bindemitteln. Zur Erreichung besserer Lichtausbeute werden sie auch mit Metall umhüllt.

Gezündet wird die Kohlebogenlampe durch kurzzeitiges Zusammenführen der Elektroden: Durch Widerstandsheizung in der kleinen Kontaktstelle und die hohe Feldstärke beim Trennen bildet sich ein Lichtbogen, der die Elektroden auf etwa 3.000 °C erhitzt.

Bis in die 1920er Jahre gab es nur Reinkohlelampen, bei denen die Elektroden den Großteil des Lichtes liefern. Das Plasma des Bogens ist zwar mit etwa 10.000 °C viel heißer, aber nahezu transparent. Eine solche Kohlebogenlampe ist daher im Wesentlichen ein thermischer Strahler, der ein leicht gelbliches Licht abgab. Die Lichtausbeute und Farbtemperatur wurden mit der Entwicklung der Beck-Kohlen stark erhöht: Seltene Erden (Yttrium, Cer-Fluorid u. ä.), entweder als Docht in der Mitte der "positiven Kohle" oder feinverteilt dem gesamten Elektrodenmaterial zugesetzt, emittieren im Plasma sichtbares Licht. Das dichte Linienspektrum besitzt außerdem einen erheblichen Ultraviolettanteil.

Kohlebogenlampen lassen sich sowohl für Gleichspannung als auch für Wechselspannung auslegen. Als Brennspannung genügen 25 bis 50 Volt, so daß die Geräte in den damals üblichen 110-Volt-Gleichstromnetzen verwendbar waren.

Bei Gleichspannung brennt der Lichtbogen gleichmäßiger, allerdings brennen die Elektroden dann unterschiedlich schnell ab: Elektronenbeschuss erzeugt auf der Anode (positiven Elektrode) einen Krater, während die positiven Ionen die Kathode kegelförmig abtragen. Die Anode heizt sich auch stärker auf als die Kathode. Wegen dieser erhöhten Belastung ist sie oft massiver ausgeführt als die Kathode. Für größtmögliche Helligkeit sollte die Anode im Brennpunkt des Reflektors der Lampe angeordnet sein.

Bogenlampen erfordern, wie jede Entladungslampe, eine Strombegrenzung. Bei Gleichspannungsbetrieb wurde dies durch einen Widerstand und bei Wechselspannung durch eine Drossel realisiert.

Nachstellen der Kohlen[Bearbeiten]

Schematische Darstellung einer Differential-Bogenlampe (nach Hefner-Alteneck). Im oberen Teil ist der Nachstellmechanismus zu erkennen.

Weil die Kohlen während des Betriebs abbrennen, ist das Nachschieben der beiden Kohlestifte erforderlich. Ist dieses bei so genannter Reinkohle (Kohlematerial mit relativ wenigen Beimischungen von die Leuchtkraft verstärkenden Salzen) dem Bediener noch von Hand möglich (etwa zweimal pro Minute), muss bei Einsatz von so genannter Effektkohle (Kohlematerial mit relativ hohen Anteilen leuchtkraftverstärkender Salze) der Kohlevorschub automatisiert werden: Ein Uhrwerk- oder Schrittmotor bewegt die beiden Kohlestifte während des Lampenbetriebs kontinuierlich aufeinander zu.

In FlaK-Scheinwerfern wurde die automatische Nachstellung über einen Bimetallschalter realisiert, auf den mit einer Linse das Leuchtzentrum abgebildet wurde. Bei fortschreitendem Abbrand aktivierte dieser einen Stellmotor.

Um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Kinobildwand zu erreichen, muss der Vorführer die genaue Brennlage während der Vorführung überprüfen und nachregeln. Durch unterschiedliche Zugverhältnisse des Abzugkamins, der die entstehenden Rauchgase ins Freie leitet (Sommer/Winter), können die Kohlen schief abbrennen, was durch die Lageregelung der Achse der Minuskohle auszugleichen ist. Ungleichmäßig schneller Abbrand der Kohlestifte, beispielsweise durch unterschiedliche Restfeuchte beim Lagern, lässt den Kohleabstand bei kontinuierlicher Nachsteuerung größer oder kleiner werden bzw. den Pluskrater aus dem Spiegelbrennpunkt auswandern, was ebenfalls von Hand nachgeregelt werden muss.

Zum Zünden des Lichtbogens führt der Vorführer die Kohlestifte per Handrad auf Berührung zusammen und wieder auseinander. Nach 30 bis 60 Sekunden brennt der Kohlenbogen lichttechnisch stabil.

Anwendung[Bearbeiten]

Kohlebogenlampen waren lange Zeit die intensivsten künstlichen Lichtquellen mit elektrischen Leistungen bis über 10 Kilowatt. Sie wurden in Scheinwerfern (zum Beispiel als Projektionslampen, auch als Flak-Scheinwerfer und Show-Anwendungen; „Lichtdom“), in der Spektroskopie und der Mikroskopie, insbesondere der Mikrophotographie eingesetzt. Im Regelfall ist ein Wärmeschutzfilter notwendig, um die sehr intensive UV- und Infrarotstrahlung zu reduzieren. Die sehr kleine Lichtquelle der Elektrode hilft den bestmöglichen Abbildungsstrahlengang herzustellen als Köhlersche Beleuchtung. Heutzutage werden Bogenlampen in jeder Hinsicht von Xenon-Gasentladungslampen übertroffen, die keinen Abbrand zeigen.

Kohlebogenlampen waren in vielen Städten die erste elektrische Beleuchtung. Die Leipziger Firma Körting & Mathiesen entwickelte und produzierte ab 1889 Bogenlampen für Straßen- und Saalbeleuchtung, bevor sie ab 1897 auch Bogenlampen-Scheinwerfer baute.

Wegen des Abbrands der Elektroden und der dadurch notwendigen mechanischen Abstandsregulierung sind Kohlebogenlampen wartungsintensiv und werden, trotz ihrer einfachen Konstruktion, nur noch für Sonderaufgaben eingesetzt. Noch heute werden Kohlebogenlampen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften beispielsweise in Experimentalvorlesungen zur Herstellung von Schattenprojektionen verwendet. In der quantitativen Spektroskopie hat der Kohlebogen darüber hinaus lange Zeit für einen großen Wellenlängenbereich (Infrarot bis Ultraviolett) als Strahlungsstandard gedient.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Johannes Abele: Die Lichtbogenlampe. Deutsches Museum, München 1995, ISBN 3-924-18331-7.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Kohlebogenlampe – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. William Slingo, Arthur Brooker: Electrical Engineering for Electric Light Artisans. Longmans, Green and Co, London 1900, S. 607. OCLC 264936769
  2. Ian McNeil: An Encyclopedia of the History of Technology. Routledge, London 1990, ISBN 0-415-14792-1, S. 360–365.
  3.  David O. Woddbury: A Measure for Greatness Edward Weston. McGraw-Hill Book Company, 1949, S. 83 (Online).
  4. Rückblick – Vor 130 Jahren – Berlin elektrisch beleuchtet. In: Märkische Allgemeine. 28. Februar 2009, archiviert vom Original am 21. November 2009, abgerufen am 24. Juli 2014.