Die Leuchtkraft von Scheinwerfern. Die Leuchtkraft von Scheinwerfern. Der grosse Scheinwerfer der Elektricitäts-Actiengesellschaft vorm. Schuckert und Co. auf der Ausstellung in Chicago hat in der fachwissenschaftlichen Presse zu Erörterungen Veranlassung gegeben, die nicht gerade alle klärend zum Kapitel „Beleuchtung mit Scheinwerfern“ gewirkt haben. Oberingenieur F. Nerz berichtet in einem längeren Aufsatze in der Elektr. Zeitschrift, 1894, über die von ihm bei der Elektricitäts-Actiengesellschaft vorm. Schuckert und Co. gebauten Scheinwerfer, dem wir folgende interessante Einzelheiten entnehmen: Prof. Silv. P. Thompson übt in The Electrician vom 29. September 1893 Kritik über die Angabe, dass der genannte Scheinwerfer entfernte Gegenstände mit einer Intensität von 190. 106 Normalkerzen beleuchte. Thompson kommt zu der Behauptung, dass hierzu eine Kraterfläche von 17,6 qm nöthig wäre, da bekanntlich ein Bogenlicht von nur 1 Million Normalkerzen ungefähr eine Kraterfläche von 0,093 qm erfordere. Wenn damit der Werth für die Zone grösster Intensität gegeben sein soll, so hat Prof. Thompson viel zu tief gegriffen; nach seinen Angaben gäbe 1 qmm Kraterfläche 11,1 Normalkerzen. Für eine gewöhnliche Lampe von 8 Ampere erhält man jedoch eine mittlere sphärische Leuchtkraft von rund 320 Normalkerzen, d.h. bei einem Kraterdurchmesser von etwa 4,5 mm rund 20 Normalkerzen für 1 qmm der Kraterfläche. Eine Lampe von beispielsweise 60 Ampere hat einen Kraterdurchmesser von ungefähr 12 mm. Diese Lampe ergäbe nach Thompson 1255 Normalkerzen, während durch ausgeführte Messungen eine mehr als zehnmal grössere Leuchtkraft gefunden wurde. Die zur Zeit hergestellten Glasparabolspiegel der Firma Schuckert und Co. nehmen das Licht einer Horizontallampe unter einem Empfangswinkel von rund 120° auf, schliessen also die werthvollsten Theile des vom Krater der positiven Kohle ausgesandten Lichtes ein. Die mittlere Leuchtkraft des vom Spiegel aufgenommenen Lichtes beträgt ungefähr 80 Proc. der maximalen Leuchtkraft der vom Krater ausgehenden Lichtstrahlen. Die Kritik Prof. P. S. Thompson's entsprang einer missverständlichen Auffassung der Angaben für die Leuchtkraft von Scheinwerfern. Letztere bezogen sich auf die Intensität der Beleuchtung, welche durch das vom Spiegel zurückgeworfene Lichtbündel hervorgerufen wird; Professor Thompson sprach aber offenbar lediglich von der Leuchtkraft der vom Krater der Bogenlampe auf den Spiegel fallenden Strahlen. Erstere Auffassung der Beurtheilung der Leuchtkraft von Scheinwerfern legen Schuckert und Co. ihren photometrischen Messungen zu Grunde; dieselben benutzen zu den Messungen sowohl der Lichtausstrahlung der im Scheinwerfer verwendeten Lampen selbst, als auch des von dem Scheinwerfer reflectirten Lichtes ein Weber'sches Photometer. Zur Bestimmung des von dem Scheinwerfer kommenden Lichtstrahles wird dasselbe in nicht unter 1000 m Entfernung aufgestellt. Die mittlere Lichtintensität der auf den Spiegel gelangenden Strahlen multiplicirt mit dem Verhältniss der Quadrate von Spiegel- und Kraterdurchmesser (nicht einfach Verhältniss der Durchmesser) muss dann die am Photometer abgemessene, vom Scheinwerfer ausgehende Lichtintensität ergeben, natürlich unter Berücksichtigung der in der Atmosphäre erfolgten Absorption. Der Leuchtwinkel bei dem grossen Scheinwerfer in Chicago beträgt rund 2°; diesen zu Grunde gelegt und den Spiegeldurchmesser, hier 1500 mm, mit d bezeichnet, würde die theoretische einzuführende Lichtquelle um \frac{d}{2}\,:\,tg\,1^{\circ}=\frac{0,75}{0,01746}=43 hinter dem Spiegel liegen, statt 1000 m wären also 1043 m in der Rechnung zu setzen. Diese geringe Aenderung der Entfernung wird man unberücksichtigt lassen dürfen, solange den photometrischen Messungen Fehler anhaften, die das Resultat mehr beeinflussen als die Vernachlässigung der Entfernung zwischen dem theoretischen und wirklichen Punkte, von welchem die Lichtstrahlen ausgehen. Herr Blondel weist in seiner Arbeit Théorie photométrique des projecteurs in L'Industrie électrique nach, dass die in Chicago gemachten Angaben über den grossen Scheinwerfer richtig sein werden, wenn der Parabolspiegel mit der nöthigen Genauigkeit hergestellt ist. Das Bestreben des Verfertigers von Glasparabolspiegeln muss deshalb vor allem dahin gehen, die grösstmogliche Annäherung an die geometrische Form des Spiegels zu erreichen. Es gibt verschiedene Prüfungsmethoden, welche Aufschluss über die genaue Ausführung von Glasparabolspiegeln geben. Die wichtigsten seien hier angeführt: 1) Photometrische Messungen im Lichtstrahl selbst. Das Photometer wird in etwa 1000 m Entfernung vom Scheinwerfer aufgestellt und die an jenem Platze bestehende Intensität der Beleuchtung bei grösstmöglicher Concentration des Lichtstrahles bestimmt. Der erhaltene Werth mit dem Quadrat der Entfernung multiplicirt, gibt die Intensität jener gleichmässig ausstrahlenden kugelförmigen Lichtquelle, die an Stelle des Scheinwerfers aufgestellt am Photometerplatz die gleiche Beleuchtung, wie jene durch den Scheinwerfer erzielte, hervorruft. Das gefundene Resultat ist beeinträchtigt durch die in der Atmosphäre stattfindende Absorption des Lichtes, die so verschieden sein kann, dass ein einwandsfreies Ergebniss durch photometrische Messungen nicht leicht zu erzielen ist. Sehr brauchbar wird diese Methode dann, wenn zwei Systeme von Scheinwerfern verglichen werden sollen. Sind beide dicht neben einander in gleicher Entfernung vom Photometer aufgestellt und mit Blendvorrichtungen versehen, so dass der nicht zu beobachtende Apparat stets abgeblendet wird, so können die Beobachtungen sehr rasch auf einander folgen und das Licht von beiden hat die gleiche Atmosphäre zu durchdringen; die Ergebnisse werden dann ohne weiteres vergleichbar. 2) Bestimmung des Verhältnisses der praktisch gefundenen Streuung zur theoretischen Streuung. Bezeichnet d den Kraterdurchmesser, δ den Spitzenwinkel des Schattenkegels, der beim Parabolspiegel mit Anwendung einer Horizontallampe durch die negative Kohle entsteht, und ρ den Krümmungshalbmesser des Parabolspiegels unter dem Einfallswinkel \frac{\delta}{2}, so ergibt sich der Winkel für die theoretische Streuung des Spiegels aus tg\,\frac{\alpha}{2}=\frac{d\,cos\,\frac{\alpha}{2}}{2\,\rho} oder für ρ den gleichen Werth \frac{2\,f}{1+cos\,\frac{\alpha}{2}} gesetzt, wobei f die Brennweite des Spiegels bezeichnet, aus tg\,\frac{\alpha}{2}=\frac{d\,\left(cos\,\frac{\delta}{2}+cos^2\,\frac{\delta}{2}\right)}{4\,f} Hat man so die theoretische Streuung ermittelt, so sucht man durch Messung des Leuchtwinkels die Streuung, die der Scheinwerfer wirklich gibt, und hat aus dem Verhältniss beider ein Bild für die genaue Form des Paraboloids. Das Verhältniss beider Streuungen ist für die jetzt in den Verkehr gebrachten Glasparabolspiegel der Firma Schuckert und Co. 1 : 1,08, die Abweichung von der geometrischen Form ist also sehr gering. Vorstehende Methode der Beurtheilung eines Scheinwerfers zeichnet sich durch grosse Einfachheit aus; auf grosse Genauigkeit kann sie keinen Anspruch machen, weil schon die genaue Bestimmung der Grösse des leuchtenden Kraters nicht sehr leicht ist. Ausserdem ist auch der Leuchtwinkel des Scheinwerfers nicht ohne Schwierigkeit zu ermitteln, da der Uebergang der Beleuchtung vom Hellen ins Dunkle nicht durch eine scharfe Grenze gekennzeichnet ist, vielmehr in gleicher Weise stattfindet, wie es bei der Kohle, die im Scheinwerfer brennt, der Fall ist. Ausserdem kommen noch Formfehler des Spiegels hinzu; es muss derselbe deshalb auch noch in Bezug auf seine Form untersucht werden. Dies kann geschehen durch Beobachtung des Spiegelbildes eines langen Lineals oder anderer gerade Kanten enthaltenden Gegenstände. Der geringste Fehler des Spiegels, der durch genaue Messinstrumente gar nicht nachgewiesen werden kann, gibt dann Verzerrungen in den Bildern. Genauere Anhaltspunkte über diese Formfehler liefert 3) die Methode von Tschikoleff. Der Glasparabolspiegel in seiner Fassung wird vor einem mit grober Theilung versehenen Schirm so aufgestellt, dass die Spiegelachse senkrecht auf diesen Schirm zu stehen kommt. Letzterer erhält centrisch zur Spiegelachse angeordnet eine Oeffnung, in welche das Objectiv eines Photographenapparates eingesetzt ist. Der Schirm ist schwarz gestrichen und durch 5 mm breite weisse Längs- und Querstreifen in Felder von 50 mm Breite oder Quadrate von 50 mm Seitenlänge eingetheilt. Wird der Schirm durch seitlich aufgestellte Bogenlampen beleuchtet, so erscheint bei bestimmter Entfernung des Schirmes vom Spiegel in der Camera des Photographenapparates ein Bild von dem Liniensystem des Schirmes, welches photographisch vervielfältigt werden kann. Bei einem Spiegel von genau geometrischer Form müssen sämmtliche Linien als stetige Curven erscheinen; der geringste Formfehler gibt Verzerrungen dieser Curven. Die Stetigkeit der Curven auf den Bildern gibt nur Aufschluss über den allmählichen Uebergang der Krümmungshalbmesser der Spiegelfläche, nicht aber über die richtige Form des Spiegels. Es müssen deshalb noch andere Proben nebenherlaufen. Zunächst empfiehlt Tschikoleff, für die Brennweite eine genaue Schablone machen zu lassen, mit welcher im Groben die richtige Form erprobt wird. Dann wird der Spiegel in ein passendes Gehäuse gebracht, eine Bogenlampe für geringe Stromstärken (10 bis 15 Ampère) in den Brennpunkt gesetzt und das vom Spiegel zurückgeworfene Licht auf einem in einigen Meter Entfernung aufgestellten Schirm aufgefangen. Das hier erhaltene Lichtbild soll eine möglichst gleichmässige Beleuchtung aufweisen; sind scharf abgegrenzte Ringe im Bild vorhanden, so zeigen diese an, dass die spiegelnde Fläche nicht ganz genau ist. Eine vollkommen gleichmässig beleuchtete Fläche würde man, abgesehen von der Form des Kraters, nur durch eine geometrisch vollkommene Form der Spiegelfläche erhalten. Geringe Verschiedenheiten in der Beleuchtung wird man also auch hier zulassen müssen. Greift man aus der unten angefügten Zusammenstellung den Werth der Lichtstärke für einen Spiegel von 60 cm Durchmesser mit 40 Ampere heraus, so trifft man auf den Werth von 24900000 Normalkerzen. Bei Versuchen des Militärcomités in Oesterreich wurden dafür 20000000 Normalkerzen gefunden, bei einer Entfernung des Photometers von 2050 m vom Scheinwerfer. Bestimmt man daraus die Absorption in der Atmosphäre, so rechnet sich dieselbe auf ungefähr 10,4 Proc. für das Kilometer, einen Werth, der durchaus in den Grenzen der Wahrscheinlichkeit liegt. Auch anderwärts stattgefundene Versuche bestätigen die ungefähre Richtigkeit der Angaben in der gegebenen Tabelle. Es könnte fraglich erscheinen, ob es denn nöthig ist, dass für die Leistung von Scheinwerfern mit Glasparabolspiegeln die Intensität des vom Spiegel ausgehenden Lichtes als Maasstab eingeführt würde, ob nicht vielmehr die bisher gebräuchlichen Angaben der Leistungen von Scheinwerfern genügt hätten. Bis vor wenigen Jahren war für Scheinwerferconstructionen allein die französische Firma Sautter, Lemonnier et Cie. tonangebend; dieselbe nahm die Intensität der Lichtquelle, welche nach dem Spiegel ausgestrahlt wird, als Maasstab für die Leistung des Scheinwerfers an. Oft wurde noch die verstärkende Wirkung des Scheinwerfers angegeben, im Allgemeinen blieben aber die Bezeichnungen: Scheinwerfer von 600, 2000, 4000 Carcels oder Scheinwerfer von 40000 Normalkerzen u.s.w. fortbestehen. In der Regel wurde noch für jede Grösse die Sichtweite angegeben, diese galt dann als weiteres Maass für die Beurtheilung der Leistung des Scheinwerfers. Stetige Voraussetzungen waren bei diesen Angaben: Klare Nacht ohne Nebel und Dunst, helle Farbe für die zu sehenden Gegenstände, häufig auch für letztere eine gewisse Grosse, ausserdem ein geübter Beobachter und ein passend gewählter Platz für letzteren; man kann daher für den gleichen Scheinwerfer und den gleichen zu beobachtenden Gegenstand in 100 Versuchsnächten 100 verschiedene Werthe erhalten, die so von einander abweichen, dass aus denselben nicht einmal mittlere Werthe abgeleitet werden können. Die Ursache der Nichtübereinstimmung liegt in erster Linie in der verschiedenen Durchsichtigkeit der Atmosphäre an den verschiedenen Versuchsabenden. Um hierin zu einem Urtheil zu gelangen, muss man näher auf die Umstände eingehen, unter denen das Sehen von beleuchteten Scheinwerfer-Tabelle. Textabbildung Bd. 293, S. 276 Spiegeldurchmesser D in Millimeter; Stromstärke in Ampère; Spannung in Volt; Watt; Normalkerzen erhalten durch 1 Watt; Intensität der auf den Spiegel fallenden Lichtstrahlen in Normalkerzen; maximale; mittlere; Mittlere Intensität der vom Spiegel zurückgeworfenen Strahlen in Normalkerzen; Kraterdurchmesser d; Verstärkungszahl des Spiegels; Intensität des vom Spiegel ausgehenden Lichtstrahles in grösserer Entfernung ohne Rücksicht auf Absorption in der Atmosphäre; Brennweite des Spiegels f in Millimeter; Streuung a; Durchmesser des Feldes in 100 m Entfernung in Meter; Helligkeit in Meterkerzen bei einer Absorption von 10,4 Proc. für das Kilometer; in 1000 m Entfernung; in 2000 m Entfernung Gegenständen von bestimmten Punkten aus erfolgt. Die Intensität J1 der Beleuchtung entfernter Gegenstände durch einen Scheinwerfer ergibt sich näherungsweise aus J_1=\frac{C\,J\,D^2\,\pi}{4\,e^2}, wobei CJ die mittlere Intensität des von der Flächeneinheit des Spiegels ausgesandten Lichtstrahles, D den Durchmesser des Spiegels und e die Entfernung des beleuchteten Gegenstandes darstellt. Hat der beleuchtete Gegenstand, senkrecht zur Visirlinie des Beobachters betrachtet, eine Flächenausdehnung von x qm und ist der Reflexionsfähigkeit durch den Factor R Rechnung getragen, so ist die vom beleuchteten Gegenstand ausgehende Lichtmenge L=\frac{C\,J\,D^2\,\pi\,x\,R}{4\,e^2} und die Helligkeit des im Auge des Beobachters entstehenden Bildes H=\frac{C\,J\,D^2\,\pi\,x\,R}{4\,e^2\,{e_1}^2} wenn e1 die Entfernung des Beobachters vom beleuchteten Punkte bezeichnet. Bis jetzt wurde die Absorption noch nicht berücksichtigt; dieselbe ist unter Umständen sehr gross, schwankt zwischen 2 und 50 Proc. und beeinflusst die Resultate ganz wesentlich. Sollen daher zwei Scheinwerfer aus den erzielten Sichtweiten verglichen werden, so dürfen sie zeitlich und örtlich nicht getrennt sein. Dass die Sichtweite überhaupt ein sehr ungenaues Mittel zur Beurtheilung der Leistung von Scheinwerfern ist, geht aus folgender Betrachtung hervor. Setzt man bei dem Vergleiche der Scheinwerfer die Helligkeit des Bildes auf der Netzhaut des Beobachters gleich, d.h. leitet man das Maass für die Leistung derselben aus der Entfernung ab, in welcher das gleiche Object die gleiche Lichtmenge ins Auge des Beobachters sendet, so wird in obigen Formeln aus H, x und R eine Constante und es ist e^2{e_1}^2=\frac{C\,J\,D^2\,\pi}{4}\,.\,K oder wenn e = e1 e^2=\frac{C\,J\,D^2\,\pi}{4}\,.\,K. Der Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung stellt den Beleuchtungswerth eines Scheinwerfers in Bezug auf die mit demselben zu erreichende Sichtweite dar und möge der Einfachheit halber in der Folge mit A bezeichnet werden. Es ist also e4 = A, woraus e= ∜A. Die Sichtweite ist also der vierten Wurzel des Beleuchtungswerthes des Scheinwerfers proportional. Um die Sichtweite von 3000 auf 3300 m, also um 10 Proc. zu erhöhen, muss die Leistung des Scheinwerfers schon um rund 50 Proc. höher sein. Es ist sehr schwierig, Unterschiede von Entfernungen, die 10 Proc. nicht übersteigen, in der Nacht festzustellen, ebenso schwierig ist es deshalb, bei Beleuchtung eines entfernten Gegenstandes Helligkeitsunterschiede von selbst 30 Proc. mit dem freien Auge zu beurtheilen. Viel genauer sind deshalb photometrische Messungen, die am beleuchteten Orte vorgenommen werden. Das Licht hat nur den einfachen Weg zu machen, ist also nur proportional dem Quadrate der Entfernung geschwächt. Fehler, die beim directen Beobachten durch Ermüden oder zufällige Blendung des Auges vorkommen, sind hier ausgeschlossen.