Über Eiselektrizität

A. B E C K E R U N D
194
schreiben können. Angenähert ergibt sich hierfür schließlich
«~(Ue/U,M5.
Der endgültige Ausdruck
spannung lautet dann:
0
oder
1/2
l 27
Nl
für die
z\V}
Oberflächen-
'
ö U 4 ' 35 = const.
(5)
I. S C H A P E R
ergeben sollte. Doch ist auch zu erwarten, daß
durch die im flüssigen Zustand vielfach auftretende Assoziation die Frequenz gegenüber der
nach Lindemann berechneten verkleinert wird.
Durchmustert man nun die nicht allzu große Zahl
jener Stoffe, deren spezifische Volumina für den
festen und flüssigen Zustand genügend genau bekannt sind, so findet man immerhin noch eine A n zahl von Substanzen, bei denen f befriedigend
konstant wTird, wie dies die folgende Tabelle zeigt:
Dies ist aber praktisch identisch mit der empirisch gefundenen, sogenannten MacLeodschen
Formel für die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung
o = const' (pi, — £>4
T
Anilin
Bromoform
Nitrobenzol
p-Xylol
Natrium
).
Bei tiefen Temperaturen, w o der Dampfdruck vernachlässigbar ist, geht dieselbe nämlich in
o V 4 = const
über.
Bei bekannter Frequenz der Oberflächenmoleküle wäre dann auch in (5) der Wert der Konstanten berechenbar. Da diese Kenntnis aber noch aussteht, wird man wieder die Lindemannsche F o r mel anwenden müssen, wobei sich ein universeller
Wert des Dimensionsfaktors
f
0
V
292,7 43,4 91,1
293,2 51
87,5
291,2 42.6 102,2
298,9 29.7 124,2
373,2 222
24,0
T
e
Fe
267,0 81.2
281,2 77,0
278,9 91,0
286,4 102,8
370,9 23,4
10- 12
2,51
2,67
2,65
2,53
2,62
!
Bei diesen Stoffen, deren Molekülform nicht
allzu stark von der Kugelgestalt abweicht, und
die somit auch ungefähr den würfelförmigen Zellen des Flüssigkeitsmodells entsprechen dürften,
nimmt f also einen Wert von etwa 2,6-IO 12 an,
während für die Schwingungen im Innern '2,8 • 10 1 2
gelten soll. Nun hat M a d e l u n g 8 bereits ausgesprochen, daß die Oberflächenfrequenz infolge
der geringeren Anzahl nächster Nachbarn kleiner
als die Frequenz im Innern sein muß, so daß das
gefundene Resultat auch in dieser Hinsicht durchaus plausibel ist.
' - f e v . ^ t a r
6
E. M a d e 1 u n g , Physik. Z. 14, 729 [1913].
Über Eiselektrizität
V o n A U G U S T BECKER u n d ILSEMARIE SCHAPER-I- 1
Aus dem Physikalischen Institut der Universität Heidelberg
(Z. N a t u r f o r s c h g . 4 a, 19-1—198 [1949]; e i n g e g a n g e n a m 11. A u g u s t 1948)
Es wird über einen unseres Wissens neuen elektrischen Effekt berichtet, der beim
Schmelzen von Eis im elektrischen Feld sich zeigt (Auftau- oder Schmelz-Effekt) und
im Auftreten elektrischer Ladungen besteht, die im Gasraum durch Elektrizitätsträger
fortführbar sind.
Anläßlich unserer gemeinsamen Untersuchun-Z~Vgen über die Temperaturabhängigkeit der
totalen Trägerbildung in L u f t 2 haben wTir die auffallende Beobachtung gemacht, daß sich die freie
Elektrode eines mit flüssiger Luft gekühlten K o n densators, dessen andere Elektrode auf konstanter Spännung gehalten wird, nach Entfernung der
Kühlung bei seiner allmählichen Erwärmung
1 Meine langjährige treue Mitarbeiterin, die in stets
unermüdlicher Einsatzbereitschaft sich an vielen meiner Untersuchungen als' zuverlässige und äußerst gewissenhafte Beobachterin beteiligt hat und daneben
den zahlreichen Praktikanten des Physikalischen In-
stituts in vielen Jahren mit bestem pädagogischen Erfolg eine wegweisende Beraterin gewesen ist, verschied
am 23. Mai 1948 nach kurzer Krankheit. A . B e c k e r .
2 A. B e c k e r u. I. S c h a p e r , Z. Physik 79, '186
[1932]; 91, 422 [1934].
Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschung
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ÜBER
EISELEKTRIZITÄT
elektrisch auflädt, wenn die in ihm eingeschlossene L u f t wasserdampfhaltig war. In seit 1934
durchgeführten größeren Reihen variierter Versuche haben wir feststellen können, daß keine der
älteren Deutungen einer „Eiselektrizität" 3 ' 4 in
unserem Fall zutrifft, sondern daß es sich offenbar um einen mit dem Schmelzen gebildeten Eises
verbundenen elektrischen Effekt handelt. Da unsere Versuche nur mit größeren Unterbrechungen
verfolgt und schließlich infolge technischer Behinderung gänzlich abgebroElektrometer
chen werden mußten, haben
'l|h|
i
wir leider nicht bis zu einer
voll befriedigenden Klärung
des Mechanismus der Erscheinung durchdringen können.
Möge die vorliegende Mitteilung daher vor allem eine A n regung für künftige Beobachter des Phänomens sein.
1. A u s der Reihe der verschiedenen Meßanordnungen,
die wir im Verlauf unserer
Versuche benutzt haben, sei
diejenige der Abb. 1 hervorgehoben.
Einem Metallstab S steht in
dem Glasgefäß G als GegenelekAbb. 1. Versuchstrode der mit einem Quadrantenanordnung.
elektrometer verbundene, isoliert eingebaute Käfig K gegenüber. Derselbe ist durch die metallische Hülle H, die
an einem ins Glas eingeschmolzenen Metallring E
hängt und mit diesem geerdet ist, elektrostatisch geschützt. Auf H kann nach Wunsch eine Netzkappe N
aufgesetzt werden. Die Glasröhre enthält im allgemeinen feuchte Luft und kann auch durch den Ansatz P hindurch bis auf die Dampfspannung des Wassers ausgepumpt, andererseits zu Vergleichszwecken
auch mit völlig trockener Luft beschickt werden. Es
ist hervorzuheben, daß infolge der durch den Erdungsring bewirkten Abtrennung von K von den übrigen
Teilen der Anordnung keinesfalls ein Übergang von
Ladungen auf K durch die festen Teile des Systems
oder durch infolge Bereifung oder Wasserbeschlag
etwa auftretende leitende Brücken von der spannungsführenden Elektrode her erfolgen kann. Wir haben
auch streng darauf geachtet, daß diese Abtrennung
nicht etwa durch einen Beschlag von E und des oberen
isolierenden Teils der Anordnung gefährdet wird.
3 Z. B. M. F a r a d a y ,
Exp. Res. Electricity 2,
2083; H. E b e r t u. B. A . H o f f m a n n , Ann. Physik 2, 706 [1900]; A. S t ä g e r , Ann. Physik 76, 49
[1925]; 77, 225 [1925]; B. V o d a r , J. Physique Radium
(8) 2, 73 [1941].
195
2. Enthält der Versuchsraum wasserdampfhaltige Luft, und wird der Metallstab S auf konstante
Spannung V gebracht und durch Eintauchen von
St in flüssige L u f t oder in ein anderes Kältemittel
tiefgekühlt, während der Käfig K mit dem Elektrometer enterdet ist und die Netzkappe N fehlt, so
findet vornehmlich an der Kuppe von S je nach
dem Wasserdampfgehalt in G mehr oder weniger
kräftige Reifbildung statt, ohne daß irgendein
elektrischer Effekt beobachtbar wird. Ebensowenig findet sich eine Elektrometeranzeige bei geerdetem Stab S. Die Reifbildung hat also in kei-
tb
1
I /\
300Vy>
SK
A
V
80V
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\\
l ' j 200V
Abb. 2. Messungen ohne Netz N. Abszisse: T am Stab S.
nem Fall eine beobachtbare elektrische
Wirkung
im Gefolge.
W i r d die Kühlung von St entfernt, so daß eine
allmähliche Erwärmung und damit ein Verschwinden des gebildeten Reifs erfolgen kann, so
findet jetzt bei an S angelegter Spannung — es sei
wieder zunächst der Fall ohne Netz N betrachtet — eine mit der Zeit anwachsende und schließlich einen Endwert erreichende Aufladung des
Elektrometers statt, wie dies durch die gestrichelte
Kurve a der Abb. 2 veranschaulicht wird. W i r d
diese Aufladung nur in kurzen Intervallen mit
Zwischenerdung des Elektrometers verfolgt, so erhält man entsprechend Differentialkurven nach
Art der Kurven b der Abb. 2. Die Wirkung
wächst
mit der Spannung; sie fehlt völlig im feldfreien
Raum. Sie ist unabhängig davon, ob der Stab während der Reifbildung geerdet war oder auf Spannung lag. Sie ist auch unabhängig
vomVorzeichen
der für die Messung gewählten Spannung; wird
während einer Versuchsreihe das Spannungsvor4 Z.B.
P. G s c h w e n d , Jb. Radioaktiv. 17, 62
[ 1920]; A. G o c k e 1, Meteorol. Z. 40, 277 [ 1923], u. a. m.
A. B E C K E E
U X P I. S C H A P E R f
zeichen wiederholt gewechselt, so erhält man einen
einheitlichen Kurvenzug. Die Erscheinung bleibt
qualitativ unverändert, wenn der Versuchsraum
bis zur Dampfspannung des W a s s e r s ausgepumpt
wird. Aussagen über die quantitative Abhängigkeit vom Luftdruck begegnen der Schwierigkeit,
den Grad der ursprünglichen Bereifung, der die
Erscheinung überwiegend beherrscht, genügend
exakt zu reproduzieren. Im völlig trockenen
Versuchsraum,
in dem keine Keifbildung erfolgen
kann, fehlt die
Erscheinung.
Als Abszisse unserer Darstellung findet sich die
Temperatur von S, wie sie durch das mit der
Spannungszuführung verbundene Thermoelement
Th angezeigt wird; sie bezieht sich jeweils auf
die mittlere Zeit der betr. Beobachtung. Die A u f ladung wächst mit der Erwärmung und verschwindet in der Gegend des Nullpunkts. Da das
Maximum der Wirkung im betrachteten Fall bei
erheblich unter 0 ° liegenden Temperaturen auftritt. so mag es gewagt erscheinen, sie überhaupt
mit dem Verschwinden des Reifs bei der Erwärmung von S in Zusammenhang bringen zu wollen.
Es bedarf daher besonderer P r ü f u n g aller sonstigen Faktoren, welche vermutungsweise für
die beobachtete Erscheinung verantwortlich sein
könnten.
3. Da die Bildung und das nachfolgende Verschwinden des Keifs mehr oder weniger eine
Veränderung des elektrischen Kraftfeldes im Versuchsraum verursacht, läßt sich vor allem an die
Beteiligung einer Influenzwirkung
auf K denken.
Diese würde sich in der Weise äußern müssen,
daß zunächst beim Anwachsen der Keifbildung
eine Tnfluenzierung von K im Sinne der an S angelegten Spannung erfolgt, und daß dann mit dem
Abschmelzen der Eisnadeln das Zurücktreten der
inlluenzierenden Ladung eine Umkehr der W i r kung auf K bewirkt. Demgegenüber haben wir
bei der Reifbildung, wie oben bemerkt, keinen
nennenswerten Intluenzierungseinfluß beobachtet.
Auch haben wir mit dem gleichen negativen Ergebnis die Reifbildung am Stab dadurch nachgeahmt. daß wir diesen aus Eisen wählten, welches ein Teil des Kerns eines Elektromagneten
war. und an ihm Eisenfeilicht durch Einschalten des Magnetstroms sich in Kraftlinienrichtung
aufrichten ließen, während S auf Spannung lag
und das Elektrometer mit K isoliert w ar. Daß aber
immerhin bei offenbar besonders kräftiger Bereifung von S die Inlluenzierung sich gering-
fügig bemerkbar machen kann, ist wohl aus der
Andeutung der Ladungsumkehr der mitgeteilten
Kurven b beim Erwärmungsversuch zu entnehmen. Es wird aber auch hier ersichtlich, daß diese
erst nach Abklingen des Hauptvorgangs kenntlich werdende Erscheinung keine wesentliche
Rolle spielt. Ihre praktisch völlige Ausschaltung
zeigt die veränderte Gestalt der mit der eingefügten Netzkappe N aufgenommenen Kurven der
Abb. 3, die keinerlei Zeichenwechsel mehr aufweisen. Die Gesamtwirkung ist in diesem Fall
dem Kraftliniendurcligriff durch X* zuzuschreiben, auf den die Art der Bereifung naturgemäß
80
SK/t
60
W
20
Abb. 3. .Messungen mit Xetz X. A Kühlung in flüssiger
Luft, X Kühlung in fester Kohlensäure.
erheblich weniger Einfluß haben kann als auf das
ursprüngliche Feld.
A u s dem Vergleich der Kurven der Abb. 2 und 3
werden nun auch weitere Schlüsse über den für
das beobachtete Phänomen maßgebenden Temperaturbereich ermöglicht. Die Tatsache, daß die
Kurven der Abb. 3 auf ein engeres Gebiet der
Thermoelement-Anzeige begrenzt sind, und daß
das Maximum im Falle der Vorkühlung durch
feste Kohlensäure bei erheblich höherer (dem EisSchmelzpunkt gtit benachbarter) Temperatur liegt
als bei Vorkühlung durch flüssige Luft, nötigt zu
der Annahme, daß der elektrische Effekt offenbar
wesentlich solchen Raumstellen zugeordnet warden kann, die in der Erwärmung gegenüber den
Anzeigen des Thermoelements merklich fortgeschritten sind. Danach dürfte nichts unserer V o r stellung entgegenstellen, daß der Effekt dem A b schmelzen der gebildeten Eisnadeln auf S und,
bei benutzter Netzkappe X. vielleicht auch auf X.
ÜBER
EISELEKTRIZITÄT
ferner wohl auch dem Verschwinden des Eisnebels innerhalb des Versuchsraums zuzuschreiben ist. Die Frage nach dem Mechanismus des
Vorgangs bleibt dabei zunächst ungelöst. Es ist
insbesondere nicht entschieden, ob die offenbar
für die Überführung der Ladungen auf K unentbehrlichen Spannungsdifferenzen zugleich notwendige Vorbedingung für die Entstehung der
freien Ladungen selbst sind. Man möchte diese
Frage bejahen, nachdem die stets im elektrischen
197
beschränken, sind die Teile R und Z durch Hartgummi gegen starke Wärmeleitung abgeschirmt. K. R
und Z befinden sich ständig auf ± 500 Volt, während
die Innenelektrode von K auf beliebige Spannung V'
gebracht werden kann.
Unsere Beobachtungen ergaben folgendes: Wird
bei gekühltem, innen bereiftem K völlig trockene
Luft durch den Apparat geleitet, so ist in Z keine
elektrische W i r k u n g zu finden. Ein ..Zerreißeffekt", wie er in der Literatur mitgeteilt und auf
ein Zerreißen von Eisnadeln durch einen Luftstrom
zurückgeführt worden ist, beeinflußt
fluss. Luft
Elektrometer
also das Ergebnis unserer Versuche bei
{ Thermometer
A\
-0
den absichtlich klein gehaltenen Strö^ J L J
mungsgeschwindigkeiten nicht merklich. Wird dagegen feuchte Luft eingeführt. so treten kräftige Aufladungen
fl
in Z auf. Man wird in diesem Fall Eisnebelbildung in K mit nachfolgendem
SK/t
i
f>
Auftauen in R und Z als Ursache der
i
i
X
i
/
Wirkung
ansehen müssen. Wird trok/
i
12
kene Luft eingeleitet und die Kühi
K
/
\
1
\ t/
lung von K entfernt, so erhält man
1
\ /
I
A
1
ohne Vorfeld in K die in Abb. 4 ausl
\
X
\
1
gezogenen Aufladungskurven. Mit Vor\
1
X
feld dagegen ergeben sich die von diecr—^
sen wesentlich verschiedenen, gestri>3\
->fXy-K-90
1
1
I
I
0
chelten Kurven. Das in Abb. 4 a ver0
0
0
-10
-60
-20
-20°
0"
-60
T am Thermometer
anschaulichte Bild gibt das bei zwei
voneinander unabhängigen Versuchen
Abb. 4. Strömungsversuche. O V o r f e h l V ' K = 0,
beobachtete Verhalten wieder, während
X V o r f e l d V ' K = 20 V .
im Falle der Abb. 4 b eine einheitFeld beobachtete Auftauwirkung eine starke Zuliche. fortlaufende Versuchsreihe, abwechselnd
nahme mit der Stärke des Feldes und eine Unmit und ohne Vorfeld, unter sonst gleichen
abhängigkeit vom Vorzeichen gezeigt hat.
Bedingungen durchgeführt wrorden ist. Bei tiefen Temperaturen, bis in die Gegend von un4. W i r haben versucht, dem Problem dadurch
gefähr — 2 0 ° , fehlt jeder wesentliche Einfluß des
näher zu kommen, daß wir ein
StrömiuigsverVorfelds. W i r schließen daraus, daß die unter
fahren anwandten, um die Ladungsträger aus
diesen Bedingungen nachweisbaren Ladungsträihrem Entstehungsort zu entnehmen und danach
ger offenbar nicht im Raum K, in dem das V o r erst zum Zweck ihrer Messung einem elektrischen
feld wirkt, entstanden sind, was auch insofern
Feld auszusetzen. Gleichzeitig war es dadurch
nach unserer allgemeinen Auffassung verständmöglich, nach Belieben auch den Einfluß eines
lich ist, als die dort vorhandenen Temperaturen
Feldes im Entstehungsraum selbst zu prüfen.
erheblich unter den vom Thermometer angezeigten
Die benutzte Anordnung zeigt Abb. 4. D e r Kondenliegen müssen und daher kein erhebliches A u f satorraum K wird mit etwas W a s s e r beschickt und
tauen zulassen. Daß jetzt die Gesamterscheinung,
dann durch Eingießen von flüssiger L u f t in den A u f satz A tiefgekühlt. Ein bei L e i n g e f ü h r t e r , durch
verglichen mit der zunächst betrachteten VerQuarzwolle filtrierter L u f t s t r o m durchströmt K, eine
suchsanordnung, den viel näher beim Eisschmelzangesetzte Metallröhre R und den zur T r ä g e r m e s s u n g
punkt liegenden Temperaturen zugeordnet ist.
dienenden Zylinderkondensator Z, dessen Innenelekdarf ohne Zweifel als eine direkte Stütze unserer
trode zum Elektrometer führt. Die L u f t t e m p e r a t u r
A
u f f a s s u n g von einer Auftauwirkung betrachtet
wird durch das' in R befindliche Thermometer gemessen. Um die Kühlung möglichst auf den Raum K zu
werden. Als Entstehungsort der durch die aus-
f\
A
/
\
V,
V
E. S C H W A R T Z
198
gezogenen Kurven nachgewiesenen Träger kommt
entweder die Röhre R oder auch noch der Raum Z
in Betracht, falls ursprünglich die Reifbildung bis
dahin fortgeschritten war. Im letzteren Fall wäre
allerdings auch durch diese Versuche nicht bewiesen. daß die Entstehung der Ladungsträger im
feldfreien Raum möglich ist.
Daß oberhalb — 2 0 ° ein beträchtlicher Vorfeldeinfluß vorhanden ist, weist darauf hin, daß jetzt
offenbar überwiegend oder nahezu ausschließlich
Ladungsträger aus K zur Messung kommen. Daß
die Kurven in diesem Fall bis zu kleinen positiven
Temperaturwerten vorschreiten, ist nicht so auffallend, da diese Werte ja die Verhältnisse in R
und nicht in K anzeigen. Es ist auch verständlich,
daß der Effekt hierbei auf erhebliche Höhe ansteigen kann, da der Raum K der Ort bevorzugter
Eisbildung ist. Man sollte aber erwarten, daß die
aus K entweichende Trägerzahl durch das angelegte Vorfeld gegenüber der Feldfreiheit eine
Verringerung erfahren müßte, während gerade
das Gegenteil offensichtlich ist. Diese Tatsache,
daß aus K überhaupt nur dann Träger meßbar
5 Bei
meteorologischen Vorgängen solcher Art
würde ein vorhandenes atmosphärisches Spannungsgefälle die Rolle des elektrischen Felds übernehmen.
8 Unsere nächstliegende Absicht, die Erscheinung
okular in einem Eisnebel zu verfolgen, wie er beispielsweise beim Eingießen von flüssiger Luft in
einen mit Wasser beschickten Raum erhältlich ist,
konnten wir leider nicht mehr verwirklichen.
werden, wenn sie im elektrischen Feld entstanden
sind (vgl. die Ordinaten der gestrichelten und der
ausgezogenen Kurven in der Nähe der Abszisse
0
ist zweifellos eine erste eindeutige und sichere
Andeutung dafür, daß die Entstehung des von uns
nachgewiesenen Effekts an die Gegenwart
eines
elektrischen
Felds gebunden ist5. Die Richtung
des Feldes an der Oberfläche des schmelzenden
Eises scheint aber ohne Bedeutung zu sein.
W e n n uns durch diese Versuche eine Einschränkung der Deutungsmöglichkeiten des Phänomens gelungen ist, so bedarf es weiterer variierter Untersuchung, um zu vollem Verständnis des
Mechanismus desselben vorzuschreiten, zumal anzunehmen ist, daß es sich um einen Vorgang handelt, der nicht ausschließlich auf Eis bzw. Wasser
beschränkt sein wrird8. Es wäre noch zu prüfen,
ob die Erscheinung an einer glatten Eisoberfläche
überhaupt auftritt, oder ob die Gestalt der Oberfläche (Eisnadeln, Eisnebel), und dann etwa deren
Influenzierung eine Rolle spielt, nachdem wir eine
solche bisher nur bezüglich ihres direkten Einflusses auf die Auffangelektrode als unwesentlich
festgestellt haben. Dann bliebe immer noch die Bedeutung des Übergangs der influenzierten Teilchen
in Tröpfchenform zu klären. Die etwaige Notwendigkeit einer solchen Fragestellung würde allerdings das Interesse an der Erscheinung vielleicht
mehr nach der praktischen Seite hin verschieben.
Zur Elektronenoptik des Betatrons
Von
ERICH S C H W A R T Z *
(Z. N a t u r f o r s c h g . 4 a, 198—204 [1949]; e i n g e g a n g e n a m 19. A u g u s t 1948)
Es werden die Bahnkurven im Betatron ermittelt, -indem ein divergent in die Entladungsbahn eintretendes Elektronenstrahlbüschel zugrundegelegt wird. Das Magnetfeld wird als konstant angesehen; die Untersuchung bezieht sich auf die Bahnkurvengestalt bei den ersten Umläufen, die für die Elektronenbeladung des Betatrons besonders wichtig sind. Es ergibt sich, daß ein um so längeres Zeitintervall für den Einschuß von Elektronen verfügbar ist, je höher deren Voltgeschwindigkeit ist und je
flacher das Magnetfeld innerhalb der Entladungsbahn nach außen hin abklingt. Die Einschußintervalle liegen bei 500-periodigem Erregerstrom ohne Vormagnetisierung in der
Größenordnung von 0,01 bis 0,1 Mikrosekunden; sie erreichen die Größenordnung einer
Mikrosekunde beim Betrieb mit Gleichkomponente. Die nutzbaren Divergenzwinkel der
Elektronenstrahlen schwanken während des Einschußintervalles zwischen Null und
einem Maximalwert. Die Maximaldivergenz beträgt etwa 5°. Sie wird größer, wenn das
Feld flacher absinkt, und ist unabhängig von der Einschußenergie, während die verwertbare Stromstärke mit der Einschußenergie wächst.
U
•
•
ber die Stabilität der Bahnkurven beim Betatron liegt eine Reihe älterer Arbeiten vor.
Schon W i d e r ö e 1 hat die Bedingung ermittelt,
1
R. W i d e r ö e . Arch. Elektrotechn. 21. 387 [1928].
die auf der Entladungsbahn erfüllt sein muß. damit die zeitlich anwachsende Elektronengeschwindigkeit und das zeitlich anwachsende magnetische
* Z. Zt. (24 a) Hamburg-Langenhorn 1, Höpen 21.