Die Tantal-Lampe. Die Tantal-Lampe. Die enorme Verbreitung, die heutzutage die Kohlefadenglühlampe gefunden hat, ist eine Folge der grossen Bequemlichkeit, die das elektrische Glühlicht überhaupt besitzt, ein Vorzug, der über die hohen Stromkosten hinwegsehen lässt. Aber schon seit Jahren wird in aller Stille gar viel gearbeitet, um einen neuen besseren Faden zu finden, und diese Bestrebungen sind zum Teil mit grossem Erfolg gekrönt worden. Wohl alle Stoffe, die nur in Betracht kommen können, sind schon versucht worden, nicht einmal, sondern öfter, und unter den verschiedensten Versuchsbedingungen. Von den schwerschmelzenden Metallen diente Platin wohl zu den ersten Versuchen für Glühlampen; ganz neuerdings hat Auer von Welsbach die Metalle der Platinklasse untersucht und ist zur Konstruktion seiner Oslampe gekommen, deren grosse Vorzüge über den Nachteil der geringen Spannung in manchen Fällen hinwegtäuschen. Auch viele Verbindungen wurden versucht, so hörte man schon von einer Borstickstofflampe; hierher gehört auch die Nernstlampe, die jetzt gewaltige Verbreitung findet, und durch ihre Vorzüge den Nachteil der Vorwärmung überwindet. In dem Laboratorium der Firma Siemens & Halske hat nun seit Jahren Dr. W. von Bolton ein Material gesucht, dessen Schmelzpunkt höher liegt als die Temperatur, bei welcher die Stoffe ökonomisch leuchten, und sich besonders mit den Metallen der Stickstoffgruppe befasst, nachdem einmal erkannt war, dass das braune Vanadium Pentoxyd entgegen der Behauptung von Berzelius schon in der Kalte den elektrischen Strom leite. Im weiteren Verlauf der Untersuchung ergab sich aber, dass das Vanadium (Atomgew. 51) einen zu niedrigen Schmelzpunkt besitze. Weitere Versuche mit Niobium, einem Element, das nahezu das doppelte Atomgewicht (94) gegenüber Vanadium besitzt, ergaben, dass dieses Metall zwar einen bedeutend höheren, aber doch noch nicht genügend hohen Schmelzpunkt hat und ausserdem, dass es bei der Erhitzung durch den elektrischen Strom stark zerstäubt. Es blieb noch die Untersuchung des Tantals, welches wiederum beinahe das doppelte Atomgewicht (182) gegenüber Niobium besitzt. Zu den Versuchen mit Tantal wurde Tantalkaliumfluorid reduziert und das so erhaltene feine Metallpulver durch Walzen in die Form von Metallbändern übergeführt, daneben wurde nach bekanntem Muster Tantaloxyd mit einem Bindemittel versetzt, in Fadenform gepresst und in diesem Zustande reduziert. Hierbei erhielt man zum erstenmale ein kleines Kügelchen von geschmolzenem Tantal, das sich als bearbeitungsfähig, hämmerbar und ziehbar erwies. Infolgedessen versuchte man auch das Metallpulver in diesen Zustand überzuführen, indem es im Vakuum geschmolzen wurde, wobei es seinen Sauerstoff verlor. Man erhielt so die ersten metallischen Tantalfäden, die allerdings nicht gross waren, sich aber in Glühlampen als sehr brauchbar erwiesen. Im grossen stellt man nun das metallische Tantal auf folgende Weise her: Das Tantalkaliumfluorid wird zu einem metallischen Pulver reduziert, das noch Spuren von Oxyd enthält und ausserdem Wasserstoff aufnimmt. Indem man nun dieses Pulver im Vakuum schmilzt, verschwinden sowohl Oxyd wie Gasreste, und es bleibt ein Metallregulus, der durch sorgfältiges Umschmelzen völlig gereinigt wird. Die chemischen Eigenschaften des reinen Tantals sind so auffällig, dass es wahrscheinlich ist, dass auf diese Weise zum erstenmale metallisches Tantal erzeugt wurde. In kaltem Zustande ist das Material ausserordentlich widerstandsfähig gegen chemische Einflüsse. Keine der starken Säuren und Basen, Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Königswasser und Kalilauge greifen es an, auch nicht beim Kochen; nur gegen Flussäure ist es empfindlich. Beim Erhitzen in der Luft läuft es bei 400° an wie Stahl, und wie dieser verändert es diese Farbe beim Erhitzen bis 600° von gelb nach dunkelblau. Dünne Drähte brennen, an der Luft angezündet, entwickeln aber keine starke Flamme. Bei geringer Rotglut nimmt es Wasserstoff und Stickstoff gierig auf, und bildet damit brüchige Verbindungen von metallischem Aussehen. Auch die Verbindungen mit Kohlenstoff, die sich sehr leicht bilden, haben metallisches Aussehen und sind hart und brüchig. Moisson hat wahrscheinlich nur ein solches Karbid erhalten und für reines Tantal gehalten. Da das Tantal in Pulverform, wie oben gesagt, Sauerstoff und Stickstoff enthält, so ist in diesem Zustand das spezifische Gewicht etwa 14; metallisch reine, gezogene Drähte dagegen haben das spezifische Gewicht 16,8. Tantal ist etwas dunkler wie Platin und etwa so hart wie weicher Stahl, besitzt aber grössere Zerreissfestigkeit. Es lässt sich zwar hämmern, erfordert aber eine sehr lange Bearbeitung für grössere Formänderungen, ferner lässt es sich walzen und in sehr feine Drähte ziehen. Seine Zerreissfestigkeit in Drahtform ist etwa 93 kg/qmm, also höher als die von gutem Stahl, die nur bis 80 kg/qmm beträgt. Der elektrische Widerstand ist bei gewöhnlicher Temperatur 0,165 Ohm für 1 m Länge und 1 qmm Querschnitt, seine spezifische Leitfähigkeit gegenüber Quecksilber also 6,06. Der Temperaturkoeffizient ist positiv und hat zwischen 0 und 100° einen Wert von 0,30; bei der Temperatur, die der Draht in der Lampe unter der Belastung von 1,5 Watt f. d. Kerze annimmt, ist der Widerstand 0,83 Ohm für 1 m Länge und 1 qmm Querschnitt. Nach den Versuchen der Kaiserlichen Normaleichungskommission ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen 0 und 60° : 0,0000079. Vor dem Schmelzen wird das Material innerhalb eines Bereiches von mehreren 100° ganz allmählich weich. Die spezifische Wärme ist 0,0365, die Atomwärme demnach in Uebereinstimmung mit dem Gesetz von Dulong und Petit 182 × 0,0365 = 6,64. Der Schmelzpunkt liegt über 2250°. Die Ausführung einer brauchbaren Glühlampe mit diesem Material ist das Verdienst von Dr. O. Feuerlein. Die ersten Versuche wurden mit Drähten von 0,03 mm Durchmesser angestellt und waren vielversprechend. Sie bestätigten, dass Tantal einen sehr hohen Schmelzpunkt hat und selbst bei hoher Strombelastung im Vakuum nur unbedeutend zerstäubt. Die erste Tantallampe, die billigen Ansprüchen genügte, indem sie genaue Messung der elektrischen und photometrischen Grössen gestattete und auch einige Zeit brannte, wurde vor zwei Jahren, am 28. Dezember 1902, fertiggestellt. Je mehr es gelang, die chemischen und mechanischen Verhältnisse zu bessern, desto besser wurden auch die Lampen, indem sie sich weniger schwärzten und längere Brenndauer erreichten. Gleichzeitig nahm der spezifische Widerstand ab und näherte sich dem Wert 0,165 für reines Metall. Um nun brauchbare Lampen bei den gewöhnlichen normalen Verhältnissen zu erreichen, musste man Tantaldrähte in entsprechender Länge und einem Durchmesser von 0,05–0,06 mm herstellen können. Im Juli 1903 wurde die erste Lampe fertiggestellt, deren Faden 0,05 mm Durchmesser bei 5 cm Länge. Bei 9 Volt Spannung und 0,58 Ampere Strom gab die Lampe 3,5 Kerzen, hatte also einen spezifischen Verbrauch von 1,5 Watt f. d. Kerze. Entsprechend musste dann eine Lampe für 110 Volt einen Faden von 65 cm Länge haben und ungefähr 43 Kerzen geben. Es entstand nun die Schwierigkeit, diesen langen Faden von mehr als 60 cm Länge in einer Glasglocke von der gebräuchlichen Grösse unterzubringen. Wie alle bisher verwendeten Metalldrähte, erweicht auch Tantal bei der hohen Temperatur in der Glühlampe, die einer Belastung von 1,5 Watt f. d. Kerze entspricht; die Verwendung von Schleifen oder Spiralen, wie bei den Kohlefäden, war daher ausgeschlossen. Man hätte wohl nach dem Vorbilde der Oslampe freihängende Bügel verwenden können, aber dann hätte die Lampe wie die Auersche, nur senkrecht brennen können, und die einzelnen Bügel hätten verankert werden müssen. Auch Lampen mit Bügeln aus gewelltem Draht (Fig. 1) oder aus glattem oder gewelltem Metallband genügten nicht, obgleich die Bügel erheblich kürzer wurden. Textabbildung Bd. 320, S. 252 Fig. 1. Textabbildung Bd. 320, S. 252 Fig. 2. Textabbildung Bd. 320, S. 252 Fig. 3. Der einzig aussichtsvolle Weg war der, den Faden in eine Anzahl kurzer Stücke zu unterteilen. In dieser Weise wurde im September 1903 die erste brauchbare Lampe für 110 Volt (Fig. 2) hergestellt. Wie man aus der Figur ersieht, trägt ein in der Mitte befindlicher Draht zwei Glasstücke, in die je zwölf Arme aus dünnen Drähten mit Häckchen an den Enden eingeschmolzen sind. Ueber diese 24 Halter war der dünne Tantaldraht aufgewickelt und man erhielt so eine Lampe, die in jeder beliebigen Stellung brennen konnte. Bei 94 Volt Spannung und 1,5 Watt f. d. Kerze ergab sie 30 Kerzen und eine Brenndauer von 260 Stunden, während welcher Zeit die Lichtstärke um 9½ v. H. abnahm. Auch andere Versuche wurden angestellt; so wollte man statt eines langen Fadens eine Anzahl von kurzen Stücken verwenden, die hintereinander geschaltet waren, bis sie die erforderliche Länge ergaben. Solche Lampen, wie sie Fig. 3 zeigt, die 16 Stücke zwischen den zwei isolierten Trägern aufweisen, hatten den Vorteil, dass man auch Bruchstücke von Drähten verwenden konnte, allerdings nur, wenn diese völlig gleichen Durchmesser hatten. Schliesslich aber kam die Konstruktion von Fig. 4 zur endgültigen Annahme, die bei 110 Volt 25 Kerzen ergab bei einer Belastung von 1,5 Watt f. d. Kerze. Der mittlere Teil besteht aus einem kurzen Glasstück mit zwei Verdickungen, in welche die schirmartig nach oben und unten gebogenen Halter eingeschmolzen sind. Der obere Stern hat elf, der untere zwölf Arme, und jeder obere Arm sitzt in der Mitte zwischen zwei unteren. Zwischen diesen 23 Haltern ist über die an den Enden befindlichen Häkchen der Tantalfaden im Zickzack geführt. Seine Enden gehen an zwei untere Halter und sind hier mit den Strom zuführenden Platindrähten verbunden. Die normale Ausführung, die, wie schon erwähnt bei 110 Volt Spannung 25 Kerzen Lichtstärke bei 1,5 Watt Belastung ergibt, hat einen Faden von 65 cm Länge und 0,05 mm Durchmesser. Das Gewicht dieses Fadens ist 0,022 gr, so dass aus 1 kg Tantal etwa 45000 Lampen hergestellt werden können. Die Glasglocke ist dem Gerüst angepasst und überschreitet nicht die Maximalmasse für die gewöhnlichen Glühlampen gleicher Helligkeit. Textabbildung Bd. 320, S. 253 Fig. 4. Diese Anordnung besitzt bemerkenswerte Vorzüge. Vor allem ist sie sehr widerstandsfähig und nimmt nicht leicht Schaden. Lampen, die zur Erprobung über See geschickt waren, kamen unverletzt zurück, obgleich sie ohne besondere Sorgfalt nur wie gewöhnliche Glühlampen verpackt waren. Ferner können diese Lampen in jeder Stellung verwandt, und ohne weiteres in jeden Beleuchtungskörper eingesetzt werden. Das Licht ist angenehm weiss und wirkt besonders in mattierten Glocken. Zahlreiche Versuche während langer Zeit mit den verschiedensten Belastungen zwischen 1,0 und 3,0 Watt f. d. Kerze haben ergeben, dass die Tantallampe bei der nämlichen Spannung etwa 50 v. H. weniger Strom verbraucht wie die Kohlefadenlampe, bei gleicher Helligkeit und gleicher Lebensdauer; oder dass sie doppelte Helligkeit besitzt bei gleichem Strom, oder bei gleicher Belastung grössere Lebensdauer. Bei einer anfänglichen Belastung von 1,5 Watt f. d. Kerze hat die Tantallampe eine genügend lange Lebensdauer für alle praktischen Bedürfnisse, so dass dieser Wattverbrauch für die 110 Volt-Lampe als normal festgesetzt wurde. Zwar gaben die Lampen auch bei einer Belastung von 1,0 Watt f. d. Kerze noch eine Lebensdauer von mehreren hundert Stunden, jedoch zeigten sich in diesem Falle die Lampen gegen Spannungsschwankungen empfindlich und ergaben oftmals eine frühzeitige Abnahme der Helligkeit. Gewöhnlich brennt eine Tantallampe 400 bis 600 Stunden bei 1,5 Watt f. d. Kerze, bis sie 20 v. H. Lichtstärke verloren hat; diese „Nutzbrenndauer“ erreicht bei einzelnen Lampen sogar 1200 Stunden. Die absolute Lebensdauer ist viel grösser und liegt im Durchschnitt bei 800–1000 Stunden. Im allgemeinen schwärzt sich die Lampe sehr wenig, wenn sie nicht aus später angegebenen Gründen teilweise stark überlastet wird. Was das Verhalten der Tantallampe während des Betriebes betrifft, so ist zunächst zu erwähnen, dass sie wie die Kohlefadenlampe am Anfang eine Steigerung der Helligkeit aufweist; meist schon nach wenigen Stunden nimmt die Helligkeit um 15–20 v. H. zu, gleichzeitig wächst der Strom um 3–6 v. H., während der spezifische Verbrauch auf etwa 1,3–1,4 Watt f. d. Kerze zurückgeht. Später nimmt die Lichtstärke langsam, aber stetig ab, während der spezifische Verbrauch zunimmt. Die mittleren Verhältnisse von 25 Kerzenlampen für 110 Volt während ihrer Brenndauer zeigt folgende Tabelle: Brenndauerin h. Lichtstärke inHefnerkerzen Stromin Ampere Wattf. d. Kerze.      0 25 0,36 1,5      5 28 0,37 1,3   150 25 0,36 1,5   300 22 0,36 1,6   500 20 0,36 1,9 1000 18 0,35 2,1 Die anfängliche Zunahme der Helligkeit ist zweifelsohne auf eine Strukturveränderung des Fadens zurückzuführen, die den Widerstand des Fadens verringert und damit die obigen Erscheinungen hervorruft. Schon mit blossem Auge kann man die bedeutenden Aenderungen am Faden erkennen. Während der neue Faden eine völlig glatte zylindrische Oberfläche besitzt, verändert sich diese während der Brenndauer und zeigt ein eigentümliches glitzerndes Aussehen. Unter dem Mikroskop betrachtet hat der Faden merkwürdige Einschnürungen, die tropfenförmige Gebilde hervorrufen. Fig. 5 zeigt ein Stück Draht in frischem Zustande und nach 1000 Stunden Brennzeit in hundertfacher Vergrösserung. Auch an der allmählichen Verkürzung des Fadens kann man seine Brennzeit abschätzen. Textabbildung Bd. 320, S. 253 Fig. 5. Textabbildung Bd. 320, S. 253 Fig. 6. Die Verkürzung gibt sich darin zu erkennen, dass der Halbmesser der Bogen, in welchem der Draht ursprünglich über die einzelnen Träger geführt ist (s. Fig. 6), mit dem Strafferwerden des Drahtes nach und nach sich verringert. Während bei allen Glühlampen mit dem Durchbrennen des Fadens die Lampe unbrauchbar geworden ist, kann eine Tantallampe öfter durchbrennen und nimmt mit jedem solchen Durchbrennen an Helligkeit zu. Jeder gebrochene Draht kommt nämlich mit dem benachbarten Stück in Berührung und stellt so den Stromschluss mit Ausschaltung eines kleinen Zwischenstückes wieder her. Die Lampe ist also wieder brauchbar und brennt heller, weil der Widerstand abgenommen hat. Diese selbsttätige Reparatur hilft allerdings nur für kurze Zeit, doch haben schon Lampen, bei denen nach kurzer Zeit ein solcher Bruch erfolgte, noch 1000 Brennstunden erreicht. Nach etwa 200–300 Brennstunden verliert das Tantal einen grossen Teil seiner mechanischen Festigkeit. Während nach den Untersuchungen von Dr. Bolton neue Tantaldrähte eine grössere Zerreissfestigkeit haben als Stahl, werden sie nach einiger Brenndauer brüchig. Es ist daher nicht ratsam, alte Lampen aus ihren Fassungen zu schrauben, um sie an anderer Stelle zu benutzen. Neue Lampen sind dagegen auch beim Brennen völlig unempfindlich gegen heftige Erschütterung. Tantallampen sind auch bei beträchtlichen Ueberlastungen untersucht worden und haben sich auch hier den Kohlefadenlampen überlegen gezeigt. Eine Lampe für 110 Volt, 25 Kerzen und einen spezifischen Verbrauch von 1,5 Watt f. d. Kerze brennt bei langsamer Spannungssteigerung erst bei 260–300 Volt durch. Textabbildung Bd. 320, S. 254 Fig. 7. Ampere; Volt Wie wenig die Tantallampe gegenüber der Kohlefadenlampe die Glaswand schwärzt, lässt sich durch einen Versuch bei 30 v. H.-Ueberlastung in wenigen Stunden zeigen. Als weiterer Vorteil der Tantallampe ist anzuführen, dass ihr Widerstand, wie bei allen Metallen, mit steigender Temperatur stark zunimmt, während bekanntlich die Kohlefadenlampe beim Brennen ihren Widerstand verringert. In Fig. 7 ist der Widerstand der Tantal- und der Kohlefadenlampe als Funktion der Lampenspannung graphisch aufgetragen, und zwar derart, dass bei einer Belastung von 1,5 Watt f. d. Kerze Spannung und Widerstand zu 100 angenommen sind, aus der Kurve also die prozentualen Verhältnisse abgelesen werden können. Wie man aus der Figur entnehmen kann, steigt der Widerstand des Tantals vom kalten Zustand bis zu einer Belastung von 1,5 Watt f. d. Kerze auf den fünffachen Wert und nimmt nach weiterer Spannungssteigerung noch zu, während der Widerstand der Kohle im gleichen Intervall auf die Hälfte abnimmt und bei weiterer Spannungssteigerung noch mehr abnimmt. Bei Spannungsschwankungen wird die Lichtstärke und Stromstärke beim Tantal nur wenig sich verändern und sich dagegen überhaupt wenig empfindlich zeigen. Vorläufig, bis eine grössere Einrichtung für die Herstellung von Tantal getroffen ist, werden nur Lampen für 100–120 Volt, die bei 110 Volt 25 Kerzen und je nach der höheren oder niederen Spannung mehr oder weniger Licht geben, hergestellt.