Titel: Wheatstone, über die Verstärkung der Kraft eines Magnetes.
Autor: Wheatstone, Charles
Fundstelle: 1867, Band 184, Nr. II. (S. 15–22)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj184/ar184002

II. Ueber die Verstärkung der Kraft eines Magnetes durch die Reaction der von ihm selbst erzeugten inducirten Ströme; von C. Wheatstone.

Nach der Chemical News, Februar 1867, S. 89.

Die magneto-elektrischen Maschinen, welche wir kennen, entnehmen ihre elektromotorische Kraft entweder von einem permanenten Magneten oder von einem Elektromagneten, dessen Spirale der Schließungsleiter eines eigenen Rheomotors ist. Im Folgenden beabsichtige ich zu erörtern, daß, wenn man einem Elektromagneten nur die geringste Polarität beibringt, derselbe die stärkste magnetische Kraft annehmen kann, wenn man ihm gestattet, inducirte Ströme zu erzeugen, die auf ihn sodann wieder zurückwirken. Zu dem Ende gebe ich die Beschreibung der Anordnung des Elektromagnetes, den ich für meine Versuche verwendet habe; man wird finden, daß diese Anordnung mit derjenigen übereinkommt, welche Wilde für den elektromagnetischen Theil seines (im polytechn. Journal Bd. CLXXXII S. 177 beschriebenen) Apparates benutzt hat.

Den Kern des Elektromagnetes bildet eine sehr dünne hufeisenförmige Platte von weichem Eisen, die einen halben (engl.) Zoll breit ist und eine Gesammtlänge von 15 Zoll hat. Senkrecht zur Längenachse ist um jeden Schenkel die elektrodynamische Spirale gewickelt, welche aus einem Kupferdahte von 640 Fuß Länge und 1/2 Zoll Durchmesser besteht. Die Armatur besteht nach der sinnreichen Construction von Siemens 1) aus einem rotirenden Cylinder, der selbst wieder einen Elektromagneten bildet; auf diesen Cylinder, der zu diesem Zwecke an zwei entgegengesetzten Seiten ausgehöhlt ist, ist longitudinal ein Draht derselben Sorte, wie beim Elektromagneten, von 80 Fuß Länge als Inductionsspirale gelegt.

Wenn nun in die Spirale des Elektromagnetes ein Rheomotor eingeschaltet wird, der einen Strom von unveränderlicher Richtung liefert, so werden, wenn der als Anker wirkende Inductor in Drehung versetzt wird, in der Spirale des letzteren bei jeder halben Umdrehung secundäre Ströme von entgegengesetzter Richtung inducirt, die je nach Willkür als alternirende Ströme benutzt werden können, oder die nach einem und |16| demselben Sinne einen Schließungsleiter circuliren können, je nachdem man beim Schließen der Kette dieses Inductors keinen Commutator anwendet oder einen solchen Apparat einschaltet.

Bleibt nun der Inductor in Rotation, während auch seine Kette geschlossen bleibt, und wird hingegen der Rheomotor aus der Kette, welche die Spirale des Elektromagnetes enthält, genommen, so kann man sich überzeugen, daß, namentlich wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Inductors bedeutend ist, in der Kette des letzteren die Stromerzeugung in gleicher Weise wie vorher stattfindet, da ein in diese Kette eingeschaltetes Galvanometer oder irgend ein anderes Rheoskop die Anwesenheit von inducirten Strömen anzeigt, so lange der Inductor rotirt. Die Stärke dieser Ströme nimmt zwar mit dem remanenten Magnetismus des Elektromagnetes, der vorher in Thätigkeit war, zu, steigert sich dabei jedoch nicht auf eine beträchtliche Größe.

Werden hingegen die Enden der beiden Spiralen zu einer einzigen Kette durch Einschaltung eines Commutators so vereinigt, daß die aus der Inductionsspirale in die Spirale des Elektromagnetes übergehenden Ströme nach einer und derselben Richtung die Kette passiren, und zwar so, daß die von dem Elektromagneten angenommene Polarität dieselbe wird, die er im ruhenden Zustande vermöge seines remanenten Magnetismus hatte, so wird der Effect ein ganz anderer. Die bewegende Kraft (Wheatstone verwendete zwei Mann, um den Apparat in Bewegung zu versetzen), welche nunmehr erfordert wurde, war weit größer als vorher, und der in der Kette auftretende Strom, dessen Stärke an einem eingeschalteten Galvanometer beobachtet werden konnte, war von solcher Größe, daß ein Platindraht von 4 Zoll Länge und 0,0067 Zoll Durchmesser zum Glühen gebracht wurde, ein großer Elektromagnet zur Thätigkeit gebracht, Wasserzersetzung in einem elektrolytischen Apparate eintreten konnte u.s.w.

Diese Erscheinungen können wohl in folgender Weise ihre Erklärung finden: Da der Elektromagnet, wenn seine Spirale aus der Kette des Rheomotors genommen wird, bekanntlich immer noch einen geringen Grad von remanentem Magnetismus behält, so vertritt derselbe daher auch unter gewöhnlichen Umständen die Stelle eines, wenn auch schwachen permanenten Magnetes. Bleibt nun der Inductor – die Armatur nämlich – in Rotation, so muß offenbar durch die Einwirkung jenes schwachen permanenten Magnetes die Entstehung der inducirten Ströme in der Spirale des Inductors andauern, und erhalten diese Ströme bei ihrem Austritte aus der Spirale des Inductors mittelst des Commutators eine und dieselbe Richtung, während der Strom von da aus durch die |17| Spirale des Elektromagnetes in dem vorher genannten Sinne geführt wird, so wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Inductors bedeutend ist, der Elektromagnet zwar von schwachen, aber von einer sehr bedeutenden Zahl unmittelbar aufeinander folgender Ströme dieser Art angeregt, und seine elektromagnetische Kraft kann daher bis zu dem Maximum der Stärke anwachsen, die seiner Anordnung entspricht. Diese magnetische Kraft ist es nun vorzugsweise, welche vermöge der Wechselwirkung auch in der Spirale des in Drehung befindlichen Inductors alternirende secundäre Ströme von bedeutender Stärke zu erzeugen vermag.

Wird hingegen die Kette aus den beiden Spiralen in der Art gebildet, daß der aus dem Inductor und durch den Commutator austretende Strom von constanter Richtung durch die Spirale des Elektromagnetes so geht, daß die Polarität des letzteren in die entgegengesetzte derjenigen verwandelt wird, die er vermöge seines remanenten Magnetismus als permanenter Magnet hatte, so hören die Stromeswirkungen auf. Daß der remanente Magnetismus des Elektromagnetes die eigentlich bestimmende Ursache jener bedeutenden Wirkungen seyn muß, geht also hieraus schon hervor. Man kann sich aber zu jeder Zeit überzeugen, daß hierin der Grund jener Erscheinungen gesucht werden muß, denn wenn man einen Strom einer Volta'schen Batterie oder einer magneto-elektrischen Maschine oder aus einem anderen Rheomotor durch die Spirale des Elektromagnetes gehen läßt, so daß bald der Strom eine solche Richtung hat, daß er den Elektromagneten nach einem Sinne und dann eine solche Richtung, daß er denselben in entgegengesetztem Sinne polarisirt, so werden die Wirkungen immer am stärksten ausfallen, wenn die Polarität dieselbe ist, die der Elektromagnet im ruhenden Zustande schon vermöge seines remanenten Magnetismus hatte.

Im Uebrigen muß bemerkt werden, daß wenn die alternirenden Ströme, nämlich die von wechselnder Richtung, unmittelbar aus dem Inductor in die Spirale des Elektromagnetes übergehen, die Stromeswirkungen in der Kette entweder ganz ausbleiben oder wenigstens auf eine sehr geringe Größe reducirt werden; eine Anhäufung von magnetischer Kraft in dem Kerne des Elektromagnetes ist ja in diesem Falle auch nur in einem äußerst geringen Betrage möglich.

Es muß nun weiter bemerkt werden, daß die Stromeswirkungen im Augenblicke des Schließens der vorher beschriebenen Kette am stärksten sind, während dieselben, wenn die Kette geschlossen bleibt, nach und nach beträchtlich abnehmen. Wurde der Apparat in Rotation versetzt und in die Kette ein Platindraht von 4 Zoll Länge eingeschaltet, so kam dieser im Momente des Schließens der Kette zum Rothglühen; letzteres verschwand |18| hierauf als die Kette geschlossen blieb, und es konnte dabei nur mehr noch ein Platindraht derselben Dicke von etwa 1 Zoll Länge im rothglühenden Zustande erhalten werden. Die Verminderung dieser Wirkung war dabei zugleich von einer bedeutenden Zunahme des Widerstandes, den die Bewegung der Maschine bot, begleitet. Die Ursache jener momentan starken Wirkung ist wohl darin zu suchen (?), daß der Inductor beim Beginne der Rotation noch während einiger Secunden seine größere lebendige Kraft beibehielt, während dieselbe bei andauerndem Schließen der Kette, obgleich von da an ein stärkerer Motor nothwendig war, abnahm. Die Wirkungen zeigten sich in der gleichen Weise, wenn, während die Maschine in Thätigkeit war, die Kette unterbrochen und jedesmal hierauf wieder hergestellt wurde.

Bei derselben Anordnung der Kette, wie sie oben beschrieben wurde, wurde in dieselbe die primäre Spirale eines Ruhmkorff'schen Inductoriums eingeschaltet; in der secundären Spirale kam dabei kein Funke zum Vorschein. Es war daher der Widerstand, der jetzt dem Strome durch Hinzufügung der primären Spirale des Inductionsapparates beträchtlich vergrößert wurde, für den Arbeitsstrom viel zu groß, als daß derselbe vermöge seiner unzureichenden Quantität in dem Inductorium Wirkungen hervorzubringen vermochte. Wurde hingegen der aus dem rotirenden Inductor und dem Commutator des letzteren austretende Strom verzweigt, so daß nur ein kleiner Antheil desselben durch die Spirale des Elektromagnetes, der andere Zweigstrom aber durch den Kern des Inductors und einen Zweigdraht gehen mußte, und wurden von diesem letzteren Zweigstrome die Wirkungen beobachtet, so waren nunmehr diese bedeutend stärker als in den vorher beschriebenen Fällen. Der 4 Zoll lange Platindraht blieb nämlich, so lange die Kette geschlossen war, andauernd im rothglühenden Zustande, am Inductorium erhielt man 1/2 Zoll lange Funken, die elektrolytischen Wirkungen wurden bedeutender, und alle anderen Stromeswirkungen wurden in gleichem Grade erhöht.

Die Ursache dieser eigenthümlichen Erscheinungen mag wohl darin zu suchen seyn, daß selbst der schwache Zweigstrom, welcher durch die Spirale des Elektromagnetes unter den unveränderten Umständen – nämlich bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit des Inductors – ging, noch hinreichend starke inducirte Ströme im letzteren zu erzeugen vermochte; die elektromotorische Kraft wurde zwar geringer, aber die Hauptsache war, daß der Widerstand, der dem Arbeitsstrome hierbei dargeboten wurde, in noch weit höherem Grade dabei vermindert ward, so daß also die Stromeswirkungen auch entsprechend größer ausfallen mußten. Uebrigens muß |19| bemerkt werden, daß der Widerstand in dem Zweigdrahte auf einer bestimmten Größe erhalten bleiben muß, wenn man das Maximum der Stromeswirkungen erlangen will. Ist nämlich dieser Widerstand zu klein, so werden die zur Anregung des Elektromagnetes abgeleiteten Zweigströme viel zu gering, als daß der Elektromagnet eine hinreichende Quantität von Magnetismus aufzunehmen im Stande ist, und wird jener Widerstand zu groß, so wird zwar die elektromagnetische Kraft vermehrt, aber die Stromeswirkungen in der Zweigleitung müssen dabei verringert werden, wenn diesem Strome ein zu großer Widerstand dargeboten wird.

Wendet man als Zweigleitung bloß den Querdraht an – wie er vermuthlich bei der bekannten Wheatstone'schen Brücke vorkommt2) –, so werden die Stromeswirkungen den vorhergenannten gegenüber viel beträchtlicher. Unter Benutzung derselben Triebkraft wurden 7 Zoll des genannten Platindrahtes in den Zustand des Rothglühens versetzt, und an dem Entlader des Inductoriums erhielt man Funken von 2 1/2 Zoll Länge. Während der Thätigkeit des Apparates zeigten sich dieselben Erscheinungen, von denen oben die Rede war. Man fand nämlich, daß bei jeder Stromunterbrechung der Rotation ein bedeutend größerer Widerstand sich entgegensetzte als beim Schließen des Stromes, und wurde der Stromunterbrecher am Inductorium ganz unthätig gemacht, so daß also der Zweigstrom beständig durch die Zweigleitung und die primäre Rolle passiren mußte, so ward der Widerstand, der sich der Umdrehung entgegensetzte, beträchtlich geringer; während nämlich bei jeder Stromunterbrechung der ganze Strom unverzweigt durch die Spirale des Elektromagnetes ging, so war also in diesem Falle die elektromagnetische Anziehung gegen den rotirenden Anker, folglich auch der Widerstand, der sich der Umdrehung des letzteren entgegensetzte, bedeutend größer als in dem Falle, wo der Zweigstrom bloß durch den Querdraht und die primäre Rolle gehen konnte.

Bei den genannten Stromeswirkungen zeigte sich überhaupt, daß – unter sonst gleichen Umständen – eine Vergrößerung des Widerstandes in der Spirale des Elektromagnetes einen weit geringeren Einfluß ausübte, als wenn man an irgend einer anderen Stelle der Kette den Widerstand änderte. Als die primäre Rolle in der Zweigleitung eingeschaltet und der Stromunterbrecher des Inductoriums in Thätigkeit war, wurden die Widerstände ermittelt, die man in verschiedenen Theilen einzuschalten |20| hat, um die Länge der Inductionsfunken auf 3/4 Zoll zu reduciren. Diese Wirkung kam zum Vorschein, wenn man von dem feinen Platindrahte entweder 5 1/4 Zoll in die Zweigleitung allein, oder wenn man in die Spirale der Armatur 5 Zoll, oder endlich wenn man in die Spirale des Elektromagnetes 4 Fuß jenes Drahtes einschaltete.

Wurde an keinem Theile der Kette ein besonderer Widerstand eingeschaltet, und war die Zweigleitung, welche der Querdraht allein bildete, beiläufig einige Fuß (von jenem Platindrahte?) lang, so verhielt sich die Stärke des durch die Spirale des Elektromagnetes gehenden Stromes zu derjenigen des Zweigstromes wie 1 : 60; wurde hingegen in die Zweigleitung noch außerdem die primäre Spirale des Ruhmkorff'schen Inductoriums eingeschaltet, so war das Verhältniß der Stärken der ebengenannten zwei Ströme wie 1 : 42.

Zum Schlusse meiner Betrachtungen muß ich nun erwähnen, daß die Analogie zwischen den eben erörterten magneto-elektrischen Erscheinungen und denjenigen, welche bei den Elektrisirmaschinen für statische Elektricität, wie solche in neuerer Zeit von Holtz u.a. zum Vorschlage kamen, hervorgebracht werden, als evident angenommen werden kann; bei meinen Untersuchungen hat sich gezeigt, daß durch die geringe Zunahme der Kraft eines schwachen Magnetes – wenn jene Vergrößerung in unmittelbarer und rascher Aufeinanderfolge stattfindet – in reciproker Weise eine bedeutende inductive Action erzeugt werden kann, während bei der neuen Elektrisirmaschine (nämlich bei der nach Holtz's Principien construirten) durch Aufwand einer sehr geringen Menge von Elektricität bedeutende Inductions- (Influenz-) Wirkungen hervorgebracht werden, vermöge welchen die Leistungsfähigkeit dieser neuen Elektrisirmaschine, welche seit kurzer Zeit eine so große Aufmerksamkeit erregt hat, nicht bloß derjenigen der Maschinen der älteren Construction gleichkommt, sondern diese sogar bedeutend übertrifft.

Nachtrag.

Die schätzbaren Untersuchungen Wheatstone's, welche wir nach der oben angeführten Quelle im Vorstehenden unverkürzt zur Erörterung gebracht haben, liefern offenbar einen wichtigen Beitrag zur Herstellung einer Theorie der magneto-elektrischen Apparate, wie solche im vorigen Jahre von Wilde construirt wurden. – Die Analogie zwischen den auf die genannte Weise erzeugten magneto-elektrischen Erscheinungen und der Thätigkeit der Holtz'schen Elektrisirmaschine stellt sich wenigstens bezüglich der Erzeugungsart dieser Erscheinungen um so mehr heraus, als, einer neuern Nachricht zufolge, die wir dem Mechanics' Magazine |21| (vom 8. März 1867, S. 141) entnehmen, von Wheatstone bei seinen Versuchen ein ganz ähnliches Mittel (außer den bereits oben genannten) angewendet wurde, um magneto-elektrische Ströme zu erzeugen, wie solche zur Entwickelung von statischer Elektricität bei der Influenz-Elektrisirmaschine benutzt werden. Während nämlich zur Entwickelung dieser Erscheinungen es ausreichend ist, einen schwach elektrisirten Körper im isolirten Zustande temporär der Condensator- oder der rotirenden Scheibe anzunähern, und hierauf den Apparat seiner eigenen Thätigkeit zu überlassen, so hat Wheatstone bei seinem magneto-elektrischen Apparate unter Anderem auch dadurch jene kräftigen Wirkungen, von denen oben die Rede war, hervorgebracht, daß er, während der Inductor in Drehung sich befand, auf den Elektromagneten – vermuthlich durch Anlegen an die Polflächen des letzteren – einen permanenten Magneten einwirken ließ, und diesen hierauf wieder entfernte; der hierbei im Eisenkerne des Elektromagnetes erzeugte remanente Magnetismus war also ausreichend, um jene Erscheinungen in derselben Weise hervorzubringen, als ob vorher der Elektromagnet durch irgend eine Stromquelle angeregt worden wäre. Die Untersuchungen von Wheatstone haben nun diese Erscheinungen auf eine sachgemäße physikalische Grundlage zurückgeführt; nur möchten wir erwähnen, daß die Vorgänge der Magnetisirung und Entmagnetisirung im Eisenkern des als Anker dienenden und rotirenden Inductors bei der Erklärung jener Erscheinungen mit in Rücksicht gezogen werden dürften, da diese Vorgänge hierbei eine Rolle spielen, welche wohl nicht unterschätzt werden darf.

Die praktische Bedeutung der neuen Untersuchungen und Anordnungen kann nicht in Zweifel gestellt werden, wenn gleichwohl neuere Stimmen sich dagegen aussprechen. Durch die in Rede stehenden Arbeiten ist der Forschung in verschiedenen Gebieten der Elektricitätslehre und des Elektromagnetismus ein neues Feld eröffnet, dessen Bebauung für die praktischen Anwendungen der Elektricität einen bedeutenden Ertrag mit der Zeit liefern kann.

Es erscheint uns von einigem Interesse, die Ansichten zum Schlusse noch hervorzuheben, mit welchen die eben citirte Quelle (Mechanics' Magazine vom 8. März 1867) die neuen Untersuchungen über magneto-elektrische Inductionsapparate beurtheilt. Bezüglich der Wilde'schen Maschine wird erwähnt, daß man bei Beurtheilung des Nutzeffectes dieses neuen Apparates von einer Täuschung sich leiten ließ; man habe bloß die Thatsache in's Auge gefaßt, daß durch Anwendung eines permanenten Magnetes von 40 Pfund Tragkraft elektrische Ströme erzeugt werden können, die in ihrer Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Kraft, |22| magneto-elektrische Ströme zweiter Ordnung hervorzubringen im Stande seyen, um durch diese einen Elektromagneten von 1800 Pfund Tragkraft herzustellen. Nunmehr habe aber die Praxis herausgestellt, daß der den Apparat in Thätigkeit versetzende Motor in demselben Verhältnisse verstärkt werden müsse, in welchem die Differenz aus der Tragkraft des Elektromagnetes und derjenigen des permanenten Magnetes der Maschine zunehmen soll. Hier sey also eine wirkliche Verwandlung von mechanischer Arbeit in elektrische und magnetische Kraft nachweisbar, natürlich unter gleichzeitiger Anwendung von magnetischer Kraft, da kein Ding allein ein neues Agens zu erzeugen vermöge. Dasselbe Raisonnement sey nun auch auf die von Wheatstone getroffenen Anwendungen anwendbar. Die eigentliche Ursache der Erscheinungen bei diesen neuen Apparaten aber, vermöge welcher man mit Anwendung einer geringen magnetischen Kraft Ströme von bedeutender Wirksamkeit zu erzeugen vermag, sey lediglich in dem Umstande zu suchen, daß zur Magnetisirung und Entmagnetisirung des Eisenkernes eines Elektromagnetes eine gewisse, wenn auch kleine Zeit gehört, während inducirte Ströme fast momentan entstehen, und ebenso zu ihrem Verschwinden ein Zeitintervall erfordern, das äußerst klein demjenigen gegenüber sey, während welchem die Vorgänge der Sättigung und des Verschwindens des Magnetismus in einem Elektromagneten stattfinden. Die große Anzahl von inducirten Strömen also, die wegen der ungeheuer raschen Rotation der rotirenden Inductoren in schneller Aufeinanderfolge innerhalb kurzer Zeitintervalle zu Stande kommen, sey es, denen jene bedeutenden Wirkungen zuzuschreiben seyen, da während der Dauer der Vorgänge des Magnetisirens und Entmagnetisirens fortwährend die Veranlassung zur Entstehung von inducirten Strömen gegeben ist. So interessant auch für die Wissenschaft diese neuen Eroberungen seyn müssen, so könne doch vorläufig die ökonomische Seite noch keine wesentlichen Erfolge von denselben erwarten.

|15|

Vermuthlich wie bei dem Inductor des magneto-elektrischen Apparates von Siemens und Halske.

Der Ref.

|19|

Diese Anordnung wurde wohl nur deßhalb gewählt, um mit der gehörigen Präcision den Widerstand in der Zweigleitung reguliren zu können.

Der Refer.

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