LI. Ueber das elektromagnetische Chronoskop (Zeitmesser); von Wheatstone.

Aus den Comptes rendus, Mai 1845, Nr. 21.

Ich ersehe aus den Comptes rendus der (franz.) Akademie der Wissenschaften, daß in ihrer Sizung am 20. Januar d. J. eine Mittheilung des Hrn. Breguet vorgelesen wurde²¹⁾, in welcher er Hrn. Hauptmann Konstantinoff und sich selbst die Erfindung des elektromagnetischen Chronoskops zuschreibt, welches Instrument ich mehrere Jahre vorher erfunden und verfertigt hatte, um damit schnelle Bewegungen, namentlich die Geschwindigkeit der Projectile (geworfener Körper) zu messen. Ich habe nämlich dieses Instrument am Anfange des Jahres 1840 erfunden. Mein Chronoskop bestand damals aus einem Uhrwerk, welches auf einen Zeiger wirkte, der entweder sich in Gang sezte oder stehen blieb, je nachdem ein Elektromagnet auf ein Stük weichen Eisens wirkte, welches er anzog, wenn ein Strom durch die Spirale des Magnets ging, und wieder fahren ließ, wenn der Strom aufhörte, wie dieß auch bei meinem elektromagnetischen Telegraphen der Fall ist, als von welchem abgeleitet diese Erfindung betrachtet werden kann. Die Dauer des Stroms wurde so durch die von dem Zeiger des Chronoskops durchlaufene Kreisstreke gemessen.

Eine Beziehung zwischen der Dauer des Stroms und derjenigen der Bewegung des Projectils wurde auf folgende Weise hergestellt: ein Holzring umfaßte die Mündung einer geladenen Kanone, und ein gespannter Metalldraht verband zwei entgegengesezte Seiten dieses isolirenden Ringes, ging also vor der Mündung der Kanone vorüber. In geeigneter Entfernung wurde ein Ziel in der Art aufgerichtet, daß die geringste Bewegung, welche demselben mitgetheilt wurde, eine fortdauernde Berührung zwischen einer kleinen Metallfeder und einem andern Stük Metall bewirkte. Das eine Ende des Metalldrahts des Elektromagnets war an dem einen Pol einer kleinen galvanischen Batterie befestigt; am andern Ende des Elektromagnets waren zwei Metalldrähte befestigt, wovon der eine mit der kleinen Feder am Ziele in Verbindung stand, der andere aber mit dem einen Ende des vor der Mündung der Kanone gespannten Metalldrahts; von dem andern Ende der galvanischen Batterie gingen ebenfalls |187| zwei Metalldrähte aus, wovon einer mit dem am Ziele befestigten Metallstük, der andere aber mit dem entgegengesezten Ende des vor der Kanonen-Mündung vorübergehenden Metalldrahts communicirte. So war also vor dem Losgehen der Kanone zwischen der Kanone und dem Ziele eine ununterbrochene Leitung aus Metalldraht hergestellt, von welcher der Metalldraht quer über der Kanonenmündung einen Theil ausmachte. Sobald das Ziel von der Kugel getroffen war, war die zweite Leitung ergänzt; während des Laufes des Projectils aber durch die Luft, und zwar ausschließlich während desselben, waren beide Leitungen unterbrochen und die Dauer dieser Unterbrechung wurde vom Chronoskop angegeben.

Schon bei meinem elektromagnetischen Telegraphen habe ich dargethan, daß die Magnete, gehörig angeordnet, mit einer sehr schwachen Batterie zur Wirkung gebracht werden können, selbst wenn die Metalldrähte eine Streke von mehreren Meilen durchlaufen. Es können folglich auch die Kanone, das Ziel und das Chronoskop in beliebigen Entfernungen von einander aufgestellt werden. Bei der großen Schnelligkeit, womit sich die Elektricität fortpflanzt, wie dieß meine Versuche (Philosophical Transactions von 1834) bewiesen, kann kein merklicher Fehler aus ihrer successiven Uebertragung entspringen.

Im Jahre 1840 beschrieb ich diesen Apparat meinem Freunde Quetelet in Brüssel, wo ich zu Besuch war, welcher ihn am 7. Oktober der dortigen Akademie der Wissenschaften mittheilte, wovon im Bulletin jener Sizung Erwähnung geschah. – Später, im Mai 1841, erklärte ich ihn in Paris mehreren Mitgliedern der Akademie, theilte ihnen die Abbildung davon mit und hatte im College de France Gelegenheit, mehrere meiner Versuche vor ihnen zu wiederholen. Hr. Pouillet besizt Copien meiner Abbildungen.

Als ich nach England zurükkam, wünschte Hr. Artillerie-Capitän Chapman ²²⁾, von der Nüzlichkeit dieses Instruments überzeugt, dessen praktische Einführung bei der Artillerie zu Woolwich, und gab sich sehr viel Mühe, sie durchzusezen. Wir kamen zu diesem Zwek mit dem verstorbenen Lord Vivian, damaligem Generalgeschüzmeister, zusammen und am 17. Julius 1841 erklärte ich dem Institut der königlichen Artillerie die Construction des Instruments und dessen verschiedene Anwendungen. 22 Officiere waren bei dieser Sizung |188| zugegen, in deren Protokoll (von welchem ich eine Abschrift besize) bemerkt ist, daß „mein Chronoskop 1/7300 Secunde angebe“ und daß meine Absicht sey, „dessen Anwendung zum praktischen Gebrauch der Artillerie zu zeigen“, d.h. die Zeit zu bestimmen, welche ein Projectil braucht, um die verschiedenen Abschnitte seiner Laufbahn zu durchfliegen, so wie auch seine anfängliche Geschwindigkeit. In derselben Sizung zeigte ich auch „ein Chronoskop, welches zur Messung der Geschwindigkeit des Blizes, auch des durch Entzündung von Schießpulver hervorgebrachten, diente.“ Dieses Instrument, das einzige, welches Hr. Breguet mir zuschreibt, hat aber mit den elektrischen Strömen nichts gemein, wie er es voraussezt; es war dieß nur eine Reihe von Rädern, welche auf Achsen drei leichte Papierscheiben, jede von etwa 1 Zoll Durchmesser tragen. Da die Zeiten ihrer respectiven Umdrehungen sich wie 1,10 und 100 verhielten, machte die Scheibe, deren Bewegung die schnellste war, 200 Umdrehungen in der Secunde; auf jeder Scheibe war ein Radius gezogen; wurden sie nun durch einen elektrischen Funken erleuchtet, so schienen alle diese Radien sich in Ruhe zu befinden in Folge der außerordentlich kurzen Dauer dieser Art Licht (wie dieß in meiner Abhandlung: Ueber die Geschwindigkeit der Elektricität und die Dauer des elektrischen Lichtes in den Philosophical Transactions von 1834 erklärt ist); wurden sie aber durch einen 1/200 Secunde andauernden Bliz erleuchtet, so erschien die dritte Scheibe gleichmäßig gefärbt, während die zweite Scheibe einen schattigen Kreisausschnitt von 36 Graden zeigte; dauerte der Bliz nur 1/2000 Secunde, so erschien ein ähnlicher Sector auf der dritten Scheibe.

Aus mehreren Gründen wurden die Versuche mit meinem elektromagnetischen Chronoskop zu Woolwich nicht fortgesezt. Im J. 1842 lernte ich Hrn. v. Konstantinoff, Artillerie-Hauptmann der russischen Garde und Attache des Generalstabs des Generals v. Winspaer, kennen. Derselbe interessirte sich lebhaft für diesen Gegenstand und auf sein Verlangen besorgte ich ihm einen ähnlichen Apparat, weil er die Versuche in Nußland fortzusezen wünschte. Nur machte ich zur Bedingung, daß er keine Beschreibung desselben veröffentliche, bis eine solche von mir selbst ausgegangen sey. Das Instrument, welches ich ihm im Januar 1843 nach Paris schikte, war, wenn auch nach demselben Princip, doch von dem oben beschriebenen verschieden construirt.

Ich hatte durch Versuche gefunden daß, wenn ein Stük weiches Eisen von einem Elektromagnet angezogen wurde und der Strom dann aufhörte, wenn gleich das Eisen sogleich zurükzufallen schien, |189| doch seine Berührung noch eine Zeit lang fortdauerte, welche mehreremale einem bedeutenden Bruchtheil einer Secunde gleichkam. Die Dauer dieser Adhärenz nahm mit der Kraft des elektrischen Stromes und der Schwäche der Reactionsfeder zu. Um sie auf ein Minimum zu reduciren, mußte man sich eines sehr schwachen Stromes bedienen und den Widerstand der Leitung Verstärken, bis die Anziehungskraft des Magnets so vermindert war, daß sie die Reactionskraft der Feder nur um ein sehr Geringes übertraf; allein dann hatte der Magnet nicht mehr die nöthige Kraft, um das Eisen anzuziehen, wenn das Projectil das Ziel traf. Auf folgende Weise jedoch besiegte ich diese Schwierigkeit. Ich führte die Leitungsdrähte so daß, ehe die Kugel aus der Kanone geschleudert wurde, nur der Strom eines einzigen Elementes von sehr kleinen Dimensionen, welcher mittelst des zwischen die Leitung eingeschalteten Rheostats²³⁾ auf den geeigneten Grad reducirt wurde, auf den Elektromagnet wirkte; wenn aber die Kugel am Ziele anlangte, wirkten gleichzeitig sechs Elemente, ohne den Widerstand des Rheostats, auf den Magnet. Allein auch bei diesen Vorsichtsmaaßregeln geht noch immer etwas Zeit verloren, sowohl während der Anziehung des Eisens durch den Magnet, als während seiner Adhärenz, nachdem der Strom aufgehört hat. Die Differenz dieser beiden Fehler würde Annäherungen von 1/500 oder 1/1000 Secunde ganz unsicher machen. Doch kann der aus dieser Quelle entspringende Fehler sich leicht auf weniger als 1/60 oder 1/100 Secunde reduciren und, wie ich glaube, ist ein Chronoskop, welches die Secunde in 60 Theile theilt und erweislich niemals einen, eine einzige dieser Abtheilungen überschreitenden Fehler gibt, einem Instrumente vorzuziehen, welches zwar mehr Abtheilungen darbietet, aber Fehler zuläßt, die eine hübsche Anzahl dieser Abtheilungen einschließen. Von diesen Erfahrungen geleitet, versuchte ich ein sehr einfaches und wirksames Chronoskop zu construiren. Eine sehr einfache Hemmung wurde durch ein Gewicht in Bewegung gesezt, welches an dem Ende eines Fadens aufgehängt war, der über einem Schraubengewinde lief, welches in einem auf der Achse eines Hemmungsrades befestigten Cylinder ausgeschnitten war. Auf dieser Achse war auch ein Zeiger angebracht, welcher folglich bei jeder Hemmung um eine Abtheilung weiterrükte. Wenn es nöthig war, die Zeit des Versuchs zu verlängern, so wurden das Hemmungsrad und der Cylinder auf andere Achsen gesezt und ihr Eingreifen durch ein Rad und ein Getriebe |190| bewerkstelligt; in diesem Falle wurden zwei Zeiger angewandt. Mittelst dieser Construction wird die Beschleunigung der Bewegung vermieden, welche ohne Hemmung stattfinden würde und der Zeiger (Inder) durchschreitet jede Abtheilung in gleicher Zeit. Das Gewicht war so angebracht, daß es sich reguliren konnte und der Werth einer einzigen Abtheilung wurde durch Division der zum gänzlichen Fall erforderlichen Zeit mit der Anzahl der in diesem Zeitraum durchlaufenen Abtheilungen erhalten; es können indessen noch genauere Verfahrungsweisen angewandt werden.

Mittelst dieses Instruments maß ich die Zeit, deren eine Pistolenkugel zum Durchstiegen verschiedener Schußweiten mit verschiedenen Pulverladungen bedurfte. Die Wiederholung dieser Versuche gab ziemlich constante Resultate, indem sich nur selten eine Differenz von mehr als einer Abtheilung des Chronoskops herausstellte. Auch maß ich den Fall einer Kugel aus verschiedenen Höhen und die Ergebnisse entsprachen mit mathematischer Genauigkeit dem Gesez der beschleunigten Geschwindigkeiten. Mit dem Apparate, dessen ich mich zu lezterm Versuche bediente, konnte ich den Fall einer Kugel von einem Zoll Hohe herab noch messen. Es wäre ohne Beihülfe von Zeichnungen schwierig, die verschiedenen Anordnungen zu erklären, welche ich traf, das Instrument zu verschiedenen Versuchen anwendbar zu machen; ich beabsichtige damit auch die Geschwindigkeit des Schalls durch die Luft, das Wasser und Felsenwände zu messen.

Außer dem Instrument, welches ich im April 1843 Hrn. v. Konstantinoff lieferte, ließ Hr. Professor Christie eines im physikalischen Cabinet der Militär-Akademie zu Woolwich deponiren, und um dieselbe Zeit wurde eines für Hrn. R. Addams verfertigt, welcher sich seitdem desselben beständig in seinen Vorlesungen am United service Museum bedient.

Einer für gewisse Versuchsreihen wichtigen Modification des Apparats muß ich noch erwähnen: statt nämlich die Continuität der Leitung zu unterbrechen und sie nachher wieder herzustellen, wird der Elektromagnet mittelst zweier gleicher, entgegengesezter Ströme in Gleichgewicht erhalten; wenn man nun die erste Leitung unterbricht, so wird das Gleichgewicht gestört, und unterbricht man die zweite, so hört der durch die Störung des Gleichgewichts verursachte Strom auf. Die zweite Leitung wird durch eine Kugel auseinandergerissen, die durch einen Rahmen dringt, über welchen ein sehr feiner Metalldraht in sehr enggeschlossenen Parallellinien gespannt ist, der einen Theil der Leitung ausmacht. Zwei Pendel, einer von halben Secunden, der andere von etwas schnellerer Bewegung, werden jeder |191| an den Enden ihrer Schwingungsbögen durch einen Elektromagnet festgehalten. Beim Entweichen der Kugel aus der Flinte wird der eine Pendel befreit und der andere ebenfalls, wenn die Kugel den Metalldraht am Nahmen durchbricht. Man zählt dann die Schwingungen des einen Pendels, bis die Bewegung der zwei Pendel coincidirt und bestimmt darnach leicht die Zeit zwischen den Anfängen der ersten Schwingungen der beiden Pendel.

Die von mir wirklich construirten Instrumente hatten keinen andern Zwek, als die Zeit zwischen dem Anfang und dem Ende der Bewegung einer ihre Fluglinie durchlaufenden Kugel zu bestimmen. Hr. v. Konstantinoff aber wünschte ein Instrument, welches die den verschiedenen Abtheilungen der Fluglinie entsprechenden Zeiten mißt. Obwohl ich damals sowohl dachte, als noch jezt der Meinung bin, daß es besser sey, sie mittelst aufeinanderfolgender Abfeuerungen zu bestimmen, sann ich doch einen Apparat zu diesem Behufe aus, unternahm aber dessen Ausführung nicht, wegen der größern Kosten und Complicirtheit desselben. (Als sich Hr. v. K. später in Paris aufhielt, bestellte er ein Instrument dieser Art bei Hrn. Breguet, ohne jedoch, wie ich überzeugt bin, sich diese Erfindung zueignen zu wollen.)

Breguet's Instrument ist weniger genau, viel complicirter und kostspieliger als irgend eines der von mir vorher erfundenen. Ist dasselbe ausschließlich dazu bestimmt, den Anfang und das Ende der Bewegung einer Kugel anzugeben, so ist es schon mit fünf Elektromagneten, deren jeder wieder seinen Mechanismus hat, versehen, während das meinige denselben Zwek mit einem einzigen Elektromagnet erreicht; sollen aber die verschiedenen Abtheilungen einer und derselben Fluglinie erforscht werden, so gibt Hr. Breguet noch einen Ergänzungsmagnet hinzu und macht für jede Abtheilung, welche die Kugel zu durchstiegen hat, noch andere Zusäze. Folgendes war mein Plan:

Ein Cylinder macht eine Rotations-Bewegung um eine Schraube in der Art, daß er bei jeder Umdrehung um einen Viertelszoll weiter rükt; an dem einen Ende des Cylinders ist ein gezahntes Rad von einem etwas größern Durchmesser als der Cylinder angepaßt, welches in ein Getriebe eingreift, dessen Länge gleich ist dem ganzen Achsentheil, welchen der Cylinder bei seinen successiven Umdrehungen zu durchlaufen hat; dieses Getriebe communicirt mit einem Räderwerk, welches durch ein Gewicht in Bewegung gesezt wird, das am Ende eines um einen Cylinder sich drehenden Fadens aufgehängt ist; dieses Räderwerk ist mit einem Regulator versehen, der seine Bewegung |192| gleichförmig macht; ein am Ende eines kleinen Elektromagnets angebrachter Bleistift wird im Contact mit dem Cylinder geführt und zeichnet eine Spirallinie darauf, die unterbrochen wird so oft der Strom aufhört. Die Idee des chronoskopischen Theils dieses Apparats ist einem zur Messung sehr kleiner Zeit-Intervallen von dem verstorbenen Dr. Young erfundenen und in seinem „Cursus der Physik“ beschriebenen und abgebildeten Instrument entlehnt. Hienach ist leicht einzusehen, auf welche Weise der Anfang und das Ende der Bewegung eines Projectils durch dieses Instrument angezeigt werden. Die Zwischenperioden werden auf folgende Weise aufgezeichnet: an den gewünschten Punkten der Fluglinie des Projectils werden mit Metalldrahtnezen umspannte Rahmen aufgerichtet; das Projectil zerreißt im Fluge durch die Nahmen die Drähte derselben; man benuzt eben so viele galvanische Batterien, als Paare von Rahmen vorhanden sind, deren Drähte mit den Polen dieser Batterien und mit dem Draht des Elektromagnets in Verbindung stehen, so daß der elektrische Strom durch den Spiraldraht des Elektromagnets geht, oder aufhört hindurch zu gehen, je nachdem durch das successive Zerreißen der Metalldrähte in den Nahmen das Gleichgewicht abwechselnd aufgehoben oder wiederhergestellt ist. Um dieses Resultat zu erhalten, muß der Widerstand der verschiedenen Metalldrähte gehörig proportional seyn.

Schließlich muß ich bemerken, daß die Anwendung meines elektromagnetischen Telegraphen, um an einem entfernten Orte die Anzahl der Umdrehungen einer Maschine oder jeder andern periodischen Bewegung aufzuzeichnen, schon seit mehreren Jahren von mir unter sehr Verschiedenen Formen ausgeführt wurde. Ein Apparat zu diesem Zwek, welcher bis 10,000 aufzeichnet, befindet sich im physikalischen Cabinet des King's College seit dem Jahre 1840 und wurde Hrn. v. Konstantinoff bei seinem Aufenthält in London gezeigt.