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Gleichstrom-Bogenlampe Bei elektrischen Gleichstrom-Bogenlampen sind
in der Regel die Achsen der Anode und der Kathode entweder in einer Geraden, wie
z. B. bei den besonders lichtstarken Bogenlampen für kinematographische Projektion,
angeordnet, oder sie bilden miteinander einen Winkel, bei dem die Kathode unter
der waagerechten Anode in der durch diese gehenden lotrechten Ebene liegt und der
zwischen 125 und 180' oder sogar zwischen 90 und
180' je nach den Bedingungen des jeweiligen Anwendungsfalles schwankt.
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Die Anoden für Intensiv-Bogenlampen bestehen im allgemeinen aus einer
zylindrischen Hülse aus kohlenstoffhaltigern, bei hoher Temperatur gebranntem Material,
die an ihrer Außenseite verkupfert oder nicht verkupfert ist und in einem ebenfalls
zylindrischen Kanal mit glatter oder gekehlter Wandung eine Füllung aus eineT im
bestimmten Mengenverhältnis aus kohlenstoffhaltiger Masse und Mineralsalzen
zu-
sammengesetzten Dochtpaste enthält.
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Wenn der Lichtbogen zwischen der Anode und der Kathode gezündet ist,
verflüchtigen sich an dem auf hohe Temperatur gebrachten Ende der Anode die Mineralsalze
der D#ochtpaste, so daß sich dieses Anodenende mehr oder weniger tief unter Bildung
eines Kraters aushölt, von dem leuchtende Dämpfe ausgehen.,Diese Dämpfe sucht bei
Bogenlampen mit gleichachsigen Kohlen das kathodische Plasma um so kräftiger zurückzudrängen,
je stärker die Intensität des Lichtbo#gens zunimmt, was ein Ausbreiten der
leuchtenden Dämpfe außerhalb der Kanten des anodischen Kraters und damit einen Verlust
an Lichtenergie (Leuchtdichte) zur Folge hat. Um die leuchtenden Dämpfe an einem
Hinausströmen über die Ränder des anodischen Kraters zu verhindern, hat man schon
ihre Beblasung mit einem zur Anodenachse parallelen Luftstrom vorgesehen, der aber
durch Abkühlung des Anodenendes wiederum einen Energieverlust hervorruft und außerdem
durch starke Oxydierung der Anodenhülse die Verbrennungsgeschwindigkeit der Anode
beschleunigt.
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Andererseits zeigt sich, daß bei der normalen gleichachsigen Anordnung
von Bogenlampenkohlen das kathodische Plasma eine charakteristische Änderung erfährt,
wenn die Stromstärke 80 Ampere erreicht oder übersteigt, da dann eine kleine
Zunge in der Mitte des kathodischen Plasmas erscheint und dieses von da ab eine
solche Stärke, erreicht, daß es ihm gelingt, die leuchtenden Dämpfe zurückzudrängen,
womit eine starke Verminderung der Lichtausbeute verbunden ist. Die Verwendung von
Kathoden mit doppeltem Docht ermöglicht zwar eine günstige Wirkungsweise in den
Betriebsbereichen nahe oder über 80 Ampere ohne Auftreten dieser kathodischen
Zunge, aber die Verwendung derartiger Kathoden führt zu einer Verringerung der durch
das optische System erfaßten Lichtenergie, da der Querschnitt des Endes dieser Doppeldochtkathoden
größer als der Querschnitt der zylindrischen Eindochtkathoden ist.
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Ein anderer, sich aus der gleichachsigen Anordnung der Kohlen einer
Bogenlampe ergebender übelstand besteht darin, daß die von der Anode ausgehenden
metallischen Dämpfe an dem Ende der Kathode einen um so beträchtlicheren Niederschlag
von metallischem Karbid bilden, je näher einander die Kohlen sind, wodurch
der Kathodenfleck instabil wird und es sogar zu einer Explosion kommen kann. Die
Bildung dieses Niederschlages läßt sich zwar vermeiden, jedoch geht dies wiederum
auf Kosten der erzielbaren Lichtenergie. Eine Verminderung der Lichte.nergie ist
bei den für Filmaufnahnien benutzten Bogenlampe-n mit gleichachsigen Kohlen auch
dadurch bedingt, daß bei diesen Projektionslampen in dem mittleren Teil des Spiegels
eine, Öffnung mit in der Regel 70 mm Durchmesser zur Freilassung von genügendem
Platz für den Fortschalt- und Führunesmechanismus der Kathode ausgespart ist und
diese
Öffnung teilweise der Zone der Verdeckung des Anodenkraters durch die Kathode entspricht.
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Die Bogenlampen mit zur Anode geneigter Kathode, wie sie für Intensitäten
nahe oder über 100 Ampere im Gebrauch sind, weisen eine beträchtfliche Zunge
am Ende der Kathode im kathodischen Plasma auf, und dessen große kinetische Energie
ruft eine Formänderung des Strahls der leuchtenden Dämpfe hervor. Wenn man nämlich
die Verteilung der Leuchtkraft der Oberfläche des Kraters untersucht, ergibt sich,
daß längs der Achse des Kraters, welche durch seinen Schnitt mit der durch die Achsen
der Anode und der Kathode gebildeten Ebene bestimmt ist, die Änderung der Leuchtkraft
nicht symmetrisch zur Anodenachse erfolgt und ein Maximum zwischen dem Mittdpunkt
und dem der Kathode gegenüberliegenden Rand des Kraters aufweist. Da diese Formänderung
des Strahls leuchtender Dämpfe eine verhältnismäßig niedrige Lichtausbeute zur Folge
hat, sind bereits Vorrichtungen zur Konzentrierung der leuchtenden Dämpfe vor dem
Krater angewendet worden, wofür man insbesondere die Beblasung des leuchtenden Dampfstrahls
durch einen zur Anode konzentrischen zylindrischen Luftstrahl benutzt hat, was aber
ebenfalls sich lichttechnisch ungünstig auswirkt.
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Es sind auch bereits nicht niineralisierte Projektionskohlen bekannt,
die als Anoden gleichachsig zur optischen Achse mit schwacher Neigung zur Lotrechten
benutzt werden und bei denen daher die Lichtwirkung lediglich durch Erhöhung der
Temperatur des Anodenendes unter der Einwirkung der im kathodischen Plasma enthaltenen
Elektronen erzielt wird. Diese Elektronen rufen bei solchen Anodenkohlen unter Einhaltung
eines geeigneten Abstandes zwischen Anoden- und Kathodenende einen kleinen Krater
hervor. Das Vorhandensein der zugespitzten Enden der um die Anode schräg
zu dieser und nahe an und vor deren Krater angeordneten zwei oder mehr Kathoden
verdunkelt einen Teil der Strahlung, was die Lichtausbeute der Anode um so mehr
vermindert, wenn die Konzentration des Lichtstrahlenbündels mittels Kondenslinsen
erreicht wird.
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Ebenso ist schon eine Gleichstrom-Bogenlampe. mit einer oder mehreren
zur Achse der mineralisierten Anode schräg ausgerichteten Kathoden bekannt, deren
Spitzen in einer parallel zur Kraterrandebene vor ihr verlaufenden Ebene angeordnet
sind und die gegenüber der Anode einen Winkel einnehmen, der jedoch eine Ausnutzung
der Energie des kathodischen Wasmas zur Konzentrierung der leuchtenden Dämpfe des
Anodenkraters keineswegs gewährleistet, da die vom Anodenkrater ausgehenden Dämpfe
vor diesem nicht gesammelt und zusammengehalten werden, weil eine solche Kathodenausrichtung
zu einer Ausbreitung dieser Dämpfe um den Krater führt und die Wirkung des kathodischen
Plasmas das Aussenden der anodischen Dämpfe bremst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den geschilderten Mängeln
der gebräuchlichen Bogenlampen abzuhelfen und eine praktisch vollkommene Ausnutzung
des Strahls leuchtender Dämpfe sowie eine Vergrößerung des Lichtstrouies und der
Lichtausbeute und zugleich eine, Verringerung des egektrischen Energieverbrauches
einer Kohlenbogenlampe zu erzielen. Diese Aufgabe ist nun bei einer Gleichstrom-Bogenlampe
mit einer oder mehreren zur Achse der Anode schräg ausgerichteten Kathoden, deren
Spitzen in einer zur Kraterrandebene parallelen Ebene angeordnet sind, dadurch gelöst,
daß erfindungsgemäß der Winkel zwischen den Achsen der Anodenkohle und Kathodenkohlen
0 bis 120', zweckmäßig unter 90', vorzugsweise 45 bis 60',
beträgt. Auf Grund dieser Winkelwahl, wird die Energie des kathodischen Plasmas
der Bogenlampe zum Zusammenfassen der von dem Krater der Anode ausgehenden Leuchtdämpfe
vor der Kathode im Innern eines zur Anodenachse konzentrischen Raumes herangezogen.
Das kathodische Plasma wird also dazu gezwungen, die anodischen Dämpfe vor dem Anodenkrater
zusammenzuhalten; außerdem wirken die aus den Kathoden austretenden Elektronen praktisch
in der Weichen Richtung wie die, anodischen Dämpfe, so daß eine Bremsung derselben
nicht auftreten kann. Bei einer so ausgebildeten Bogenlampe erscheint der Krater
der Anode, wenn man auf ihn in der Richtung der Anodenachse hinsieht, vollständig
frei gelegt, da sich die Spitzen der Kathoden auf einem zum Anodenkrater konzentrischen
Kreis befinden. Dabei können die Kathodenspitzen entweder in der durch den Kraterrand
gehenden Ebene oder in einer gegenüber dieser in der Anodenachsenrichtung etwas
-nach vor-oder nach rückwärts versetzten Ebene in symmetrischer oder nicht symmetrischer
und in regel- oder unregelmäßiger Verteilung auf dem zum Anodenkrater konzentrischen
Kreis angeordnet sein. Erst die mit der Erfindung vorgeschlagene Kathodenanordnung
ermöglicht, die Energie der von jeder der Kathoden abgegebenen kathodischen Plasmen
und die Energie der unter der Wirkung der im Innern des Kraters erreichten sehr
hohen Temperatur ausgesandten anodischen Dämpfe zu vereinigen, anstatt sie einander
entgegenwirken zu lassen.
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Weitere Merkmale der Erfindung und durch sie erzielte Vorteile gehen
aus der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung hervor, die eine Bogenlampe nach
der Erfindung beispielsweise in mehreren Ausführungsforinen in Fig. 1 bis
7 veranschaulicht, während Fig. 8 und 10 zwei Schaltanordnungen
zum Betrieb einer erfindungsgemäß ausgebildeten Bogendampe wiedergeben und Fig.
9 ein die Wirkungsweise einer derartigen Bogenlampe erläuterndes Kurvenbild
bringt.
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Fig. 1 und 2 lassen in Seitenansicht und in Draufsieht eine
Bogenlampe erkennen, bei welcher um eine Anode a drei Kathoden c angeordnet sind,
deren Spitzen auf einem zur Anode konzentrischen Kreis liegen und deren Achsen eine
mit der Anode achsgleiche Dreikantpyramide bestimmen. An jeder Kathode c entsteht
ein kathodisches Plasma p und vom Krater der Anode a geht ein Strahl
i von leuchtenden Dämpfen aus. Die Verteilung der Kathoden c um die Anode
a kann regelmäßig oder unregelmäßig, symmetrisch oder unsymmetrisch gewählt werden.
Auch die Neigung der Achsen der Kathoden c zur Achse der Anode a kann beliebig angenommen
werden und je
nach den einzuhaltenden Betriebsbereichen und den jeweiligen
baulichen Erfordernissen zwischen 0 und 1201 schwanken. Ebenso können die
durch Achsen je zweier benachbarter Kathoden gebildeten Winkel voneinander
abweichen oder einander gleich sein.
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Die Zahl der um die Anode vorzusehenden Kathoden kann je nach
Bedarf vergrößert oder verkleinert werden. Man kann auch mit lediglich zwei Kathoden
oder auch mit nur einer bei erfindungsgemäß zur Anode getroffener Anordnung eine
wirksame Ausnutzung
der kinetischen Energie des kathodischen Plasmas
für das Sammeln und Zusammenhalten der vom Anodenkrater kommenden leuchtenden Dämpfe
erreichen. Dabei sind die Kathoden, wie Fig. 3 und 4 für eine Kathode c zeigen,
oberhalb der waagerecht auszurichtenden Anode a unter entsprechendem Schrägwinkel
zu haftern und bei Verwendung von zwei Kathoden diese symmetrisch beiderseits der
durch die Anode, gehenden lotrechten Ebene vorzusehen. Das oberhalb der Anode entstehende
kathodische Plasma hält dem Einfluß der aufsteigenden Luftströme auf den Strahl
der vom Krater der waagerechten Anode ausgehenden leuchtenden Dämpfe das Gleichgewicht.
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Die Anode kann bei einer Bogenlampe nach der Erfindung einen kreisförmigen
Querschnitt oder auch einen Querschnitt von beliebiger anderer Form zur Anpassung
der Abmessungen der Lichtquelle an die Ausdehnung erhalten, welche das Lichtstrahlenbüschel
unter Berücksichtigung der benutzten optischen Vorrichtung erhalten soll. Beispielsweise
kann bei der kinematographischen Projektion die Anode einen rechtwinkligen oder
einen eIliptischen oder sonstwie begrenzten Querschnitt haben. Der Querschnitt des
Dochtes kann die gleiche Form wie der Anodenquerschnitt oder auch einen davon geornetrisch
verschiedenen Umriß aufweisen. Aus Fig. 5, 6 und 7 sind einige für
die Zwecke der Erfindung geeignete Ausführungsbeispiele für den Anodenquerschnitt
e in runder und rechteckiger oder teils runder und teils rechteckiger Form für den
Fall eines rechteckigen Dochtquerschnittes m ersichtlich.
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Für die Speisung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Bogenlampe mit
elektrischer Energie kann man einen Generator oder einen Gleichrichter üblicher
Art verwenden, wenn man für eine günstige Verteilung des Stromes in den Kathoden
dadurch Sorge trägt, daß man in den Stromkreis zwischen der negativen Klemme der
Stromquelle und den einzelnen Kathoden je einen Ausgleichsiwiderstand vorsieht.
Dieser Widerstand verbraucht aber einen nicht vernachlässigbaren Teil der elektrischen
Energie. Nach der Erfindung wird die aus diesem Energieverlust sich ergebende erhebliche
Verminderung der Lichtausbeute durch eine besondere Ausbildung des elektrischen
Speisungssystems der Bogenlampe vermieden, indem bei dem für diese den Gleichstrom
liefernden Generator nur eine einzige positive Ausgangsklemme und eine der Zahl
der Kathoden gleiche Anzahl von negativen Ausgangsklemmen vorgesehen wird.
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Der Speisegenerator kann durch eine aus einem Asynchromnotor und einer
Dynamo bestehende umlaufende Maschinengruppe gegeben sein, bei welcher die Dynamo
eine dem Doppel der Zahl der Bogenlampenkathoden gleiche NEndestzahl von Polen besitzt
und ihre positiven Bürsten miteinander zur Erzielung einer einzigen positiven Anschlußklemme
für die Anode. verbunden und die negativen Bürsten je
an eine der Kathoden
angeschlossen sind. Auf diese Weise kann z. B. eine Dynamo mit sechs Polen zur Speisung
einer Bogenlampe mit drei Kathoden dienen.
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Wie die Schaltanordnung nach Fig. 8,erkennen läßt, kann als Speisegenerator
für eine Bogenlampe nach der Erfindung auch ein Mehrphasentransformator mit einem
angeschlossenen Gleichrichter mit einer einzigen positiven Ausgangsklemme und mit
einer der Zahl der Kathoden gleichen Anzahl von negativen Klemmen vorgesehen sein.
Gemäß Fig. 8 erfolgt die Speisung der Bogenlampe mit der Anode a und den
drei diese umgebenden Kathoden c durch einen Dreiphasentransforinator, dessen Sekundärwicklungen
S
mit einem statischen Gleichrichter R verbunden sind, der eine positive Ausgangsklemme
für den Anschluß der Anode a und drei je einer Kathode c zugeordnete negative
Ausgangsklen:unen aufweist. Der die einzelnen Kathoden durchfließende gleichgerichtete
Strom hat eine Dauer von etwa l/.. Sekunde für jede Periode, eine-s Speisewechselstromes
mit der Frequenz von 50 Perioden in der Sekunde.
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Durch Änderung der Gleichrichterschaltung kann man die Dauer der in
jeder Wechselstromperiode die einzelnen Kathoden durchlaufenden Stromimpulse erhöhen
oder vermindern. Während bei einer Impulsdauer von nahe oder etwas unter 1/1.. Sekunde,
die Verwendung eines Gleichrichters mit einem einzigen Polwechsel eine so weitgehende
Abkühlung des Endes der Kathode zur Folge hätte, daß die erforderliche Spannung
für die jeweils neuerliche Zündung bei jedem Impulsbeginn und für jede Kathode zu
hoch würde, wirddagegen bei einer Impulsdauer von nahe oder etwas unter 1/,50 Sekunde
die bei jedem Impulsbeginn und bei jeder Kathode für die Wiederzündung notwendige
Spannung infolge geringerer Abkühlung des Kathodenendes vermindert, wenn man Gleichnchter
bei jeder Phase an den Ausgangsklemmen des mehrphasigen Speisetransformators einschaltet.
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Da in den Speiseschaltungen mit Dreiphasentransformatoren und Gleichrichtern
die, Stromimpulse in Aufeinanderfolge von einer zur nächsten Kathode wechseln, wird
durch die Impulsfolge und die entsprechenden Lichtbogenzündungen an den Kathoden
ein schwaches Geräusch hervorgerufen -, welches in bestimmten Fällen störend sein
kann. Zur Vermeidung dieses Geräusches kann die gleichzeitig auch den Wirkungsgrad
der elektrischen Energieübertragung verbessernde Schaltanordnung nach Fig.
10 verwendet werden, bei welcher die Speisung der Anode a und dreier diese
umschließender Kathoden c mit Hilfe von drei zu einem Dreiphasentransformator vereinigten
Einphasentransformatoren erfolgt, bei denen die Sekundärseiten je drei Wicklungen
sl, S2, s. und sl s',' s3/ sowie si s.," und s." aufweisen, während die Äusgangsseiten
die'ser Wicklungen derart gruppenweise an drei Gleichrichter rl, r2 und r. angeschlossen
sind, daß die Wicklungen sl, S, und s, an ihren einen Klemmen miteinander
und an ihren anderen Klemmen mit dem Gleichrichter ri verbunden sind und in gleicher
Weise die Wicklungen s., s2', s2" bzw. s#., s 3 s 3 miteinander
und dem Gleichrichter t#, bzw. r. in Verbindung stehen. Die sämtlichen positiven
Ausgangskleminen der drei Gleichrichter rl, r2 und r" sind gemeinsam an die Anode
a und die negativen Ausgangsklemmen nl, n., n. unabhängig voneinander
an je eine Kathode c angeschlossen.
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Die wesentliche Verbesserung der Leuchtdichte, die bei einer Bogenlampe
nach der Erfindung durch eine natürliche Konzentration der leuchtenden Dämpfe an
und vor dem Anodenkrater auf Grund einer vorteilhaften Ausnutzung der Lenkwirkung
des kathodischen Plasmas mehrerer Kathoden erreicht wird, ist in Fig.
9 durch ein Kurvenbild veranschaulicht, das die Verteilung der Leuchtdichte
L längs der senkrechten Achseeiner Anodenkohle bei gleicher Stromstärke zwischen
zwei Punkten B und H in zwei Vergleichskurven darstellt, von denen der in voll ausgezogener
Linie wiedergegebene Kurvenzug für eine in bisher
üblicher Weise
angeordnete negative Kohle und der durch eine gestrichelte Linie angedeutetr- Kurvenzug
für mehrere erfindungsgemäß um die Anode vorgesehene Kathoden gilt.
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Vergleichsversuche, welche zur Ermittlung der Lichtausbeute,
d. h. des Verhältnisses des erzielten Lichtstronies in Lumen zu der aufgewendeten
elektrischen Leistung in Watt zwischen einem durch zwei gleichachsige Kohlen und
einem durch erfindungsgemäß angeordnete und stromgespeiste Kohlen erzeugten Lichtbogen
angestellt worden sind, haben für die gleiche Art von Anodenkohle mit Kreisquerschnitt
und für die gleiche zugeführte Stromstärke von
60 Ampere unter Benutzung
eines kinerriatographisehen Aufnahmeschirmes mit normalem Tonfihnfenster und dem
Objektiv
f11,9 ohne Blende und Filter ergeben:
| Lichtstrom Elektrische Licht- |
| Kohlenanordnung in Lumen Leistung ausbeute |
| in Watt |
| Gleichachsige |
| Kohlenanordnung 12080 1960 6,16 |
| Kohlenanordnung |
| nach der Erfindung 13730 1740 7,89 |
Damit kann mit einer Lampe nachder Erfindung eine Steigerung der Lichtausbeute um
etwa 26% erzielt werden.
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Die Erfindung eignet sich mit der gleichen lichttechnisch und elektrisch
vorteilhaften Wirkung nicht nur für zur kinematographischeil Projektion verwendete
Lichtquellen, sondern auch für Bogenlampen für andere Zwecke, wie z. B. für kinematographische
Aufnahmen, städtische Beleuchtung, Beleuchtung von großen Flächen oder Monumenten,
Beleuchtung in photographischen Ateliers und für militärische Scheinwerfer.
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Eine erfindungsgemäß ausgebildete Bogenlampe, kann, wenn sie bei einem
optischen System von kurzer Brennweite benutzt wird, auch mit einer Absaugdüse für
die heißen Dämpfe versehen werden, die, in der Mitte des optischen Systems angeordnet
sein kann, ohne daß die durch sie angesaugte Luftmenge merklich die Konvektionsluftströme
in der Nähe des Lichtbogens beeinflußt. Unter Berücksichtigung des erforderlichen
therinischen Gleichgewichtes ermöglicht diese Saugdüse auch die Abführung eines
erheblichen Teils des von dem Lichtbogen ausgehenden Wärmeflusses, wodurch die sonst
hierfür vorgesehenen thermischen Filter an Bedeutung verlieren und sogar weggelassen
werden können,. Für eine Bogenlampe nach der Erfindung eignen sich auch die verschiedenen,
Pulsströme liefernden Speiseschaltungen, wie z. B. die Schaltanordnungen, welche
einen Pulsstromerzeuger darstellen, dessen Frequenz ein Vielfaches der Projektionsfrequenz
der kinematographischen Projektion ist. Dabei gelingt die beste Ausnutzung der anodischen
Leuchtwirkung, wenn die Stromstärke 80 Ampere im Maximum erreicht oder überschreitet.
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DieWirkung der kinetischen Energie des Kathodenplasmas kann bei ihrer
erfindungsgemäß erfolgenden Ausnutzung auch durch magnetische Verfahren bekannter
Art, z. B. mit Hilfe eines Dauermagneten oder eines Solenoides beeinflußt und verändert
werden. Ferner ist die Verwirklichung der Erfindung vollkommen unabhängig von der
Zusammensetzung der Paste des Dochtes, der Anodenkohle.