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Anwendungen - Probleme Bei
einer Glimmlampe handelt es sich um eine Gasentladungsröhre geringer
Abmessung, d.h. die Elektroden liegen dicht nebeneinander, so dass
wegen E = U/d (s.
Kondensator) die elektrische Feldstärke schon
bei geringen Spannungen (ca. 100 V) sehr hoch sein kann. In der
Glimmlampe befindet sich bei niedrigem Druck ein Leuchtgas, meist
Neon. Dieses Leuchtgas wird durch Stoßionisation
zum Leuch- ten
gebracht. Bei einer anliegenden Netzspannung
leuchten die Elektroden auf jeden Fall auf. Man benutzt dies z.B. zur
Prüfung von Netzspannungen
in Form des Spannungsprüfers.
Leuchtet er auf, liegt
eine Spannung an; bleibt er dunkel, ist keine Netzspannung vor- handen
und man kann gefahrlos an der Leitung arbeiten. Die
folgenden Abbildungen zeigen den Aufbau und die Funktion eines solchen
Spannungsprüfers.
Aus den
Bemerkungen ist zu entnehmen, dass die Funktion der Glimm- lampe
zunächst nichts mit Selbstinduktion zu tun hat. Dies wurde erst bei unserem Versuch zum
Ausschalten relevant, bei dem die Glimmlampe beim
Ausschalten des Stromkreises mit Spule aufleuchtete. Für uns
wird die Glimmlampe in diesem Kapitel noch einmal beim Ein- schalten
von Leuchtstofflampen
interessant. Problem−Ausschaltfunke,
Schaltlichtbogen Man hat
ja normalerweise keine Glimmlampe in einem Stromkreis vor- liegen,
dafür gibt es aber praktisch immer einen Schalter. Wenn man diesen
Schalter in einem Stromkreis mit Induktivität öffnet, kann es wie beim Versuch
mit der Glimmlampe zu hohen Spannungen kommen, die dann
einen Funken oder sogar Lichtbogen am Schalter bilden. Dies
passiert praktisch immer beim Öffnen eines Schalters, da strom- durchflossene
Leiter immer ein Magnetfeld erzeugen. Es ist aber be- sonders
ausgeprägt bei hohen Induktivitäten, wie bei eingebauten Spu- len,
Motoren und Transformatoren. In
folgenden Videos sieht man den Funken beim alten Unterbrecher- kontakt
im Verteiler und beim Kommutator
eines Motors als Bürstenfeuer.
Das
Problem ist, dass durch die Funkenbildung ein Kontaktabbrand
statt- findet
und somit der Schalter verschleißt. Es gibt
hierzu elektronische Lösungen wie Freilaufdioden und Zündkon- densatoren.(s.
hierzu: Video 6, Video 7 und Video 8 aus der Videoliste) Hinweis: Ich gehe hierauf zunächst nicht weiter ein, weil
der Bereich „Elektronik“ leider nicht zum Stoff der Oberstufenphysik zählt, sorry. Leuchtstofflampe Das
häufigste Anwendungsgebiet für den Abschaltvorgang mit hohen Induktionsspannungen
findet man bei der Leuchtstofflampe. Die
Leuchtstofflampe zählt auch wie die Glimmlampe zu den Gasent- ladungsröhren. Im Gegensatz zur Glimmlampe
sind die beiden Elektro- den aber
sehr weit voneinander entfernt, so dass für das Zünden der Lampe
eine höhere Spannung als die Netzspannung (ca. 1000 V) nötig sind.
Der Dauerbetrieb nach der Zündung lässt sich mit der Netzspan- nung
bewerkstelligen. Typische
Leuchtstofflampen haben folgende Aussehen:
Die folgende
Abbildung zeigt den schematischen Aufbau einer Leucht- stofflampe
Die
Leuchtstofflampe besteht im Wesentlichen aus einer längeren Glas- röhre,
die mit Quecksilberdampf gefüllt ist. An den Enden gibt es Glüh- wendeln,
die bei Erwärmung über Glühemission Elektronen emittieren. Die
Glasröhre ist mit einer Leuchtschicht beschichtet, die UV-Strahlung in
sichtbare Strahlung umwandelt. Die Glühwendel befinden sich in einem
Stromkreis, der noch eine Glimmlampe, eine Spule (Drossel) und einen
Schalter enthält. Das Ganze wird an die Netzspannung ange- schlossen.
Man kann sich den Aufbau als Parallelschaltung vorstellen. Oberer
Stromkreis: Glimmlampe und Leuchtstofflampe Unterer
Stromkreis: Spule, Schalter, Quelle und Leuchtstofflampe Betrieb einer Leuchtstofflampe 1.
Schritt: Der
Schalter wird geschlossen. Die Netzspannung liegt an dem Strom- kreis
an. Es kommt zunächst nicht sofort zu einem Stromfluss, da der Stromkreis an der Glimmlampe unterbrochen ist. Durch die Spannung baut sich
ein elektrisches Feld auf, welches über Stoßionisation zu einer Glimmentladung
führt. Es fließt ein geringer
2.
Schritt: Durch
die Glimmentladung werden die Elektroden erwärmt (freie Elektronen und Ionen treffen auf die Elektroden). Da es sich um Bimetallstreifen
handelt, ver- biegen
sich die Elektroden bis sie aufeinandertreffen. Beim dem Zu- sammentreffen der Elektroden bricht die Glimmladung zusammen. Es entsteht ein einfacher geschlossenen Stromkreis mit einer höheren Stromstärke wendeln zu erwärmen, so dass durch Glühemission Elektronen aus- treten können. Dies
3.
Schritt: Da die Elektroden
der Glimmlampe nicht mehr erwärmt werden, kühlen sie sich
wieder ab. Die Elektroden trennen sich. Der Stromkreis wird unterbrochen,
was zu einer sehr hohen Induktionsspannung durch die Spule
führt. Diese Spannung reicht aus, um die Leuchtstofflampe zu zünden.
Es können jetzt Elektronen und Ionen zwischen den Elektroden der
Leuchtstofflampe fließen.
4.
Schritt: Es bilden
sich wegen der Wechselspannung zwei
positive Säulen mit angeregtem
Quecksilberdampf aus. Die Leuchtschicht wandelt die UV- Strahlung
des Quecksilbers in sichtbares Licht um. Der Betrieb der Leuchtstofflampe
ist nach dem Zünden mittels der Wechselspannung der
Quelle möglich. Wird der Schalter geöffnet, liegt keine Betriebs- spannung
mehr vor und die Lampe erlischt.
Zusatzmaterial Hier
sieht man im Video noch einmal sehr schön, wie der Startvorgang erfolgt;
außerdem wird die Funktion der Leuchtschicht gut sichtbar.
Wikipedia bietet zwei Animationen zum Thema an. Einmal die Funktion des Glimmlampenstarters und dann die verschiedenen Phasen des Startvorgangs. Hinweis:
die Animationen laufen unabhängig voneinander und sind nicht aufeinander
abgestimmt! Link zur
Videoliste: Anwendungen Selbstinduktion gehe zu:
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