Kohlebogenlampe

Die Kohlen einer Bogenlampe

Eine Kohlebogenlampe ist eine künstliche Lichtquelle mit einem in Luft brennenden Lichtbogen zwischen Graphit-Elektroden.

Geschichte

Bogenlampe von Halle 1792

Bei der Geschichte der Bogenlampe gibt es Widersprüche, was nun als erster Vorreiter der Bogenlampe angesehen werden darf. In einem Buch von Professor Johann Samuel Halle aus dem Jahr 1792 wird eine Bogenlampe beschrieben, die aus einer fast luftleer gepumpten Glaskugel (A), einem gebogenen Messingdraht innerhalb der Kugel (C), sowie einem Messingdeckel besteht. Dabei sollen Funken aus dem Messingdraht die ganze Kugel und somit auch das ganze Zimmer erhellt haben. Allerdings ist es nicht erwiesen, ob diese Bogenlampe funktioniert hat und ob sie Halle selbst erfunden hat.

Deshalb wird in den meisten Quellen die Entdeckung von Lichterscheinungen zwischen zwei Kohlestäben, die der Brite Humphry Davy 1800 in einem Brief erwähnt, als Grundstein der Bogenlampe geschildert. Diese Lichtbögen waren die ersten elektrischen Lichtquellen. In den 1840er Jahren entwickelten William Edwards Staite und William Petrie eine Reihe verbesserter Bogenlampen. Die ersten systematischen Untersuchungen von Niederdruckentladungen (aus denen später Leuchtstofflampen hervorgingen) durch die Deutschen Plücker und Geißler begannen erst um 1856.

Installation einer elektrischen Lichtbogenlampe in Berlin, 1890; stereoskopisches Foto (Doppelfoto) mit zwei Kameras aus leicht unterschiedlicher Perspektive zur Erzeugung von Räumlichkeit in den Kaiserpanoramen des August Fuhrmann

Am 1. März 1879 verwendete der Ingenieur Werner von Siemens die 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.^[1]

Heinrich Beck hat 1906 die regelwerklose Bogenlampe erfunden, was zur Gründung der Deutsche Beck-Bogenlampengesellschaft in Frankfurt am Main führte. Nachdem er sich bereits 1909 aus dem operativen Geschäft zurückgezogen 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. 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.

Als der 1. Weltkrieg ausbrach, versuchte Heinrich Beck, nach Deutschland zurückzukehren. Er wurde jedoch im Ärmelkanal von der Britischen Marine gefangen genommen, bei Liverpool interniert und vor die Wahl gestellt, entweder als Kriegsgefangener in Großbritannien zu bleiben oder in die damals noch neutralen USA zurückzukehren. Er entschied 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 Sperry zu Wehr setzen, das 1917 als vermeintliche 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 Weltkrieges als Flak-Scheinwerfer zum Einsatz kam.

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

Aufbau und Funktionsweise

Abgebrannte Kohlen aus der Lampe eines Filmprojektors

Bogenlampe in Suchscheinwerfer um 1915

Bogenlampen-Scheinwerfer bei Filmaufnahmen 1964

In einer Kohlebogenlampe befinden sich zwei stabförmige, justierbare Elektroden aus Graphit. Hergestellt werden sie durch Sintern bei 1200 °C aus Kohle und Bindemitteln.

Gezündet wird die Kohlebogenlampe durch kurzzeitiges Zusammenführen der Elektroden: Durch Widerstandsheizung an der kleinen Kontaktstelle und die hohe Feldstärke beim Trennen bildet sich ein Lichtbogen aus, der die Elektroden auf etwa 3000 °C erhitzt. Bis in die 1920er Jahre gab es nur Reinkohlelampen, bei denen die Kohleelektroden den Großteil des Lichtes liefern. Das Plasma des Bogens ist zwar mit etwa 10.000 °C viel heißer, aber nahezu transparent. Eine solche Kohlebogenlampe war daher im Wesentlichen ein thermischer Strahler, der ein leicht gelbliches Licht abgab.

Die Lichtausbeute und Farbtemperatur wurde mit der Entwicklung der Beck-Kohlen stark erhöht: Seltene Erden (Yttrium, Cer-Fluorid u. ä.), als Docht in der Mitte der positiven Kohle oder dem Elektrodenmaterial zugesetzt, emittieren im Plasma sichtbares Licht. Das dichte Linienspektrum besitzt aber auch einen erheblichen Ultraviolettanteil.

Kohlebogenlampen lassen sich sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung betreiben. Mit Gleichspannung brennen sie gleichmäßiger, allerdings brennen die Elektroden dann unterschiedlich schnell ab. Die Brennspannung beträgt etwa 40 Volt, Kohlebogenlampen waren daher auch am früher üblichen 110-Volt-Gleichstromnetz betreibbar.

Der Elektronenbeschuss erzeugt auf der Anode (positive Elektrode) einen kleinen Krater, während die positiven Ionen die Kathode kegelförmig abtragen. Die Anode heizt sich stärker auf als die Kathode. Wegen der höheren 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 Gasentladungslampe, eine Strombegrenzung. Die Strombegrenzung wurde bei Gleichspannungsbetrieb mit einem Widerstand und bei Wechselspannung mit einer Drossel erreicht.

Anwendung

Kohlebogenlampen waren lange Zeit die intensivsten künstlichen Lichtquellen. Sie wurden in Scheinwerfern (z. B. als Projektionslampen, auch als Flak-Scheinwerfer und Show-Anwendungen; „Lichtdom“), in der Spektroskopie und der Mikroskopie, insbesondere der Mikrophotographie eingesetzt. Die sehr kleine Lichtquelle der Elektrode hilft den bestmöglichen Abbildungsstrahlengang herzustellen als Köhlersche Beleuchtung.

Die elektrischen Leistungen betrugen teilweise über 10 Kilowatt.

Kohlebogenlampen wurden aber nicht nur für Scheinwerfer eingesetzt, sondern sie 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 ihrer Elektroden und der 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.

Nachstellen der Kohlen

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.

Der Kohlenbogen brennt nach 30 bis 60 Sekunden lichttechnisch stabil.

Literatur

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

Einzelnachweise

1. ↑ „Märkische Allgemeine“ vom 28. Februar 2009, abgefragt am 28. Februar 2009

Weblinks

 Commons: Kohlebogenlampe – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien