Edisons Wunderlampe

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Der große Erfinder Thomas Alva Edison (1847-1931) hat einmal in eine Glühlampe einen dritten Draht eingeschmolzen. So konnte er beobachten, dass Elektronen durch das Vakuum der Lampe hindurch vom heißen Glühfaden zu dieser zusätzlichen Elektrode gelangten, aber nur dann, wenn eine positive Spannung angelegt wurde. Deshalb wurde dieser Anschluss Anode genannt. Nun war klar, dass Elektronen negativ sind. Und außerdem war das der Anfang der Elektronenröhren.

Von Reinhard Fenger kam die folgende Idee: Eine Bremslicht-Glühlampe mit zwei Glühwendeln müsste als Edisonlampe funktionieren, wenn einer der beiden Glühfäden durchgebrannt ist. Denn dann ist alles da, was eine Röhre braucht: Direkt geheizte Kathode, Anode und das Vakuum. Das musste ich sofort ausprobieren! Eine gebrauchte Lampe mit 12V/5W/21W war zufällig da. Zwar war keiner der beiden Glühfäden durchgebrannt, aber da konnte ein Netzteil mit 40 V helfen. Der dickere Faden ist jetzt sauber durchgeschmolzen.

Und nun geht´s los: Heizspannung 12 V anlegen, Anodenspannung aus zwei 9-Volt-Blöcken, Strom messen. Hurra, es klappt! Der Anodenstrom ist allerdings recht klein: ca. 100 nA. Wie man so kleine Ströme messen kann? Kein Problem, man nimmt ein Digitalvoltmeter im Spannungsmessbereich. Der Innenwiderstand eines einfachen DVM beträgt 1 MOhm. Wenn das Messgerät 1 Millivolt anzeigt, fließt ein Strom von einem Nanoampere.

Jetzt könnte einer sagen, so ein kleiner Strom, der kommt bestimmt nur von irgendwelchem Schmutz auf dem Isolator. Stimmt aber nicht, denn wenn man die Anodenspannung umpolt, fällt die Stromstärke auf Null. Also sind freie Elektronen dafür verantwortlich. Zur positiven Anode werden sie angezogen, aber eine negative Spannung stößt sie ab.

Eine kleine Messreihe sollte das Verhalten dieser Röhre genauer untersuchen. Die Heizspannung wurde auf 6 V reduziert, das reicht anscheinend auch. Hier die Ergebnisse:

  Uf     Ua      Ia
6 V 0 V 0,5 nA
6 V 10 V 3 nA
6 V 20 V 17 nA
6 V 30 V 40 nA
6 V 40 V 64 nA

Der Anodenstrom ist von der Anodenspannung abhängig, wie es sich für eine Röhre gehört. Aber er ist insgesamt relativ klein. Das liegt vor allem am Heizfaden, denn Wolfram hält seine Elektronen besonders stark fest. Große Senderöhren verwenden zwar ebenfalls direkt geheizte Wolfram-Kathoden, aber mit einem Zusatz von Thorium, das in dieser Beziehung freigiebiger ist.

Von Anfang an fielen bei der Messung merkwürdige Schwankungen auf. Und tatsächlich, der Anodenstrom lässt sich von außen steuern! Wenn man mit dem Finger das Glas berührt (heiß!), ändert sich der Anodenstrom. Heureka, soeben wurde die Triode erfunden. Mit einem Kragen aus Aluminiumpapier funktioniert es noch besser. Das "Gitter" ist zwar außen eigentlich falsch platziert, aber es funktioniert. Nun kann man eine Spannung anschließen und den Anodenstrom steuern, und zwar zwischen Ia=3nA bei Ug=0V und Ia=200nA bei Ug=+40V. Der Anodenstrom ist allerdings nicht ganz konstant. Vermutlich wirkt die Innenseite des Glaskolbens als Steuerelektrode, die aber ist mit dem Metallkragen nur kapazitiv gekoppelt.

Kann man diese Röhre noch verbessern? Von Anfang an bestand der Verdacht, dass der nach außen zugängliche Anodenanschluss nur die kurze Seite des durchgeschmolzenen Fadens war. Offensichtlich führen aber vier Drähte durch den Glaskolben, im Sockel sind dann zwei verbunden. Also musste der Sockel weichen. Tatsächlich kamen vier Drähte zum Vorschein. Nur brach beim Ausbauen einer ab, und zwar genau einer von denen zum intakten Heizfaden. Da war leider nichts mehr zu machen. Ade, du wundersame Röhre.

Wer nie einen Fehler gemacht,
hat nichts Neues zustande gebracht.
(Dietrich Drahtlos)


Nachtrag: Doch kein Vakuum?

Benedikt Kullmann schrieb zu diesem Versuch: "Ich habe mit Autoscheinwerfern schon viele Versuche gemacht, und dabei folgendes rausgefunden: Eine reine Röhrenfunktion ist ziemlich unmöglich wegen der Hochdruck-Gasfüllung. Die Füllung ist nicht wirklich Hochdruck, aber deutlich höher als bei 230V Lampen. Ab etwa 40-60V Anodenspannung kommt es zu einer Glimmentladung mit Diodeneffekt. Solange der Strom unter einem bestimmten Wert bleibt, fließen nur Elektronen zur Anode und nicht umgekehrt. Damit habe ich schon einen kleinen 230V DC Motor betrieben. Nur sobald der Strom über ein paar 100 mA geht, gibt es einen Lichtbogen, der in der Lage ist, in beide Richtungen zu leiten, und die Glühwendel durchzubrennen. Ich habe aus 5 Lampen die beste ausgesucht. Bei anderen ging es selbst bei Spannungen von 300V nicht. Den Grund für den Gleichrichteffekt kann ich mir folgendermaßen erklären: Früher gab es Glimmgleichrichter mit einer spitzen Metallelektrode und einer Grafitkugel. Grafit emittiert nicht, so dass dies die Anode war. An spitzen Stellen entsteht ja sehr schnell ein Lichtbogen, während bei Kugeln eine hohe Spannung benötigt wird. Die Glühlampe war mit etwa halber Spannung geheizt. Ab etwa 4V setzte der Gleichrichteffekt ein. Da bei der Glühlampe die Gleichrichtwirkung bei zu hoher Spannung sehr schnell wegfällt, könnte es sein, dass der Glühdraht, der sowieso gerne Elektronen emittieren möchte, und außerdem dünn ist, leichter Elektronen aussendet, und damit eine Glimmentladung leichter zündet als der kalte, meist zu einer Kugel geschmolzene Rest der anderen Glühwendel. Die Glimmentladung bildet sich so nur bei einer Halbwelle. Und selbst da werden 50V in der Lampe verbraucht."

Hat etwa auch die Bremslichtlampe eine Gasfüllung? Sie lag zwar schon im Papierkorb, musste aber für einen Gasentladungstest noch einmal in Dienst genommen werden. Das Ergebnis ist eindeutig: Bei hoher Spannung zündet tatsächlich eine Glimmentladung. Durch den Lichtbogen kommt es zusätzlich zu einem Glühen an der Spitze des Fadens.

Und dann wurde auch noch der Wassertest gemacht und brachte ein überraschendes Ergebnis. Unter Wasser bricht man dazu mit einer Zange das zugeschmolzene Glasröhrchen ab. Wenn ein Vakuum in der Lampe ist, muss sie sich mit Wasser voll saugen. Aber hier drang nur wenig Wasser ein. Das heißt, die Lampe stand fast unter Normaldruck. Prinzipiell braucht man anscheinend kein Hochvakuum für den Edisoneffekt. Oder war es doch nur ein Ionenstrom?


Nachtrag: Gasgefüllte Röhren

Anmerkungen von a-freak (http://people.freenet.de/a-freak): Zum Edinson-Effekt in der Glühlampe möchte ich anmerken dass es viele Arten von Gleichrichterröhren gab, die eine Gasfüllung hatten. Der Sinn der Sache war daß die positiven Gasionen die bremsende Wirkung negativer Ladungen neutralisierte, und somit die Röhre nur noch wenige 10V Spannung benötigte um bis zu 1A fliesen zu lassen. In den 1930er Jahren gab es als bekanntestes Beispiel die Ramar-Serie von Gleichrichterröhren (aus Wolf_ram&Ar_gon).

Aus: "Die Akkumulatoren" von Prof. Dr. W. Bermbach (1929)

Der Glimgleichrichter auf dem Foto hat einen Kohlestab als Anode, der von einem gewelltem Eisenblech als Kathode umgeben ist. Da das Grafit sowohl chemisch sehr edel ist als auch hier eine recht kleine Oberfläche, kann es - wenn überhaupt - nur äußerst schlecht als Kathode arbeiten. Die Kathode aus dem großen und recht unedlem Eisenblech hingegen gibt leicht und gerne Elektronen ab so dass ein guter Gleichrichtereffekt auftritt.

Außerdem gab es in der Anfangszeit der Radiotechnik einmal eine "Außengitterröhre" für Audionzwecke. Bei dieser Röhre war der Glaskolben ein ganz flaches Oval, in dessen einer Krümmung der Heizfaden aufgespannt war, während in der anderen der Anodenstab lief. Außen um die Röhre herum war eine Metallfolie die mit dem Schwingkreis verbunden wurde, das schwach leitfähige Glas ersetzte die RC-Kombination die man sonst noch extra dem Gitterkreis vorschalten musste. Wegen eines hohen Heizstromverbrauches und einer recht instabilen Funktion wurde aber nur eine ganz geringe Stückzahl dieser Röhre hergestellt.

Das Füllgas von Glühlampen ist übrigens ganz einfach Stickstoff, da dieser billig und fast inert ist. Da kein Sauerstoff die freien Elektronen abfangen kann genügen trotz fast vollem Atmosphärendruck relativ geringe Spannungen um bereits Gasentladungen auszulösen. Bei Haushaltsglühlampen genügen bereits wenige 100V um eine schöne blassviolette Glimmentladung zu zünden. Wird hochfrequente Hochspannung (Spannungswandler einer LCD-Hintergrundbeleuchtung) an den Fuß einer Glühlampe mit hinreichend großem Kolben angeschlossen so können die Entladungen durchaus als dünne Fäden von den Elektroden zum Glaskolben verlaufen - wie in käuflichen Plasmakugeln, bloß viel billiger.

Am interressantesten ist aber, dass der Stickstoff nach dem Abschalten der Spannung ein u.u. sekundenlanges gelbliches Nachleuchten zeigt. Am besten ist es die Lampe in einem weitgehend verdunkeltem Kellerraum zu betreiben, und dabei mit der Hand abzudecken die zugleich einen Stecker für die Spannungsversorgung hält. Zieht man die Hand weg so bekommt man den Glaskolben zu sehen in dem sich ein ganz schwach nachleuchtender Nebel ausbreitet.


Nachtrag: Doppelfadenlampe als Gleichrichter

Andreas Dähn schrieb: Nachdem ich eine alte Autobirne mit 2 Glühfäden gefunden hatte, habe ich mich daran gemacht, Ihre Forschungen zu vertiefen / wiederholen. Dabei habe ich, anders als Sie, zunächst die Fassung aufgesägt. Dabei habe ich es geschafft, alle Drähte heil zu lassen. Danach habe ich den größeren (den helleren) Draht mit 18V geheizt (1,2A). Ich habe den doppelt gewickelten Draht genommen, weil ich mir von einem längeren Draht eine größere Elektronenemission erwarte. Als Anodenspannung wird zwischen einen Draht der Heizung und einen Draht der kalten Wendel eine Spannung von 160V angelegt (Zwar nur schlecht stabilisiert, aber was soll's...).

Ergebnisse: Es ergab sich ein Kurzschlussstrom von 220mA bzw. eine Spannung von 81V. Es muss sich wohl um eine Diode handeln, denn der Strom fließt nur, wenn der negative Pol der Anodenspannung an der Kathode liegt.

Probleme der Versuchsanordnung: Die Anodenspannung war kaum stabil: Sie entstammt einem Eisenbahntrafo (16V) mit einem weiteren nachgeschalteten Trafo, dem ein integrierter Gleichrichter (Graetz-Brücke) folgte. Die Anodenspannung waren also "nach oben geklappte" Sinuswellen mit der Gesamtfrequenz von 100Hz (2*50Hz).


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