Chapter 14

Abb. 150. Schematischer Schnitt durch einen großen Funkeninduktor.

Die Klemmschrauben, an die die Drahtenden der sekundären Wickelung geführt werden, dürfen keine Kanten, sondern müssen möglichst runde Formen haben, da, wie wir im ersten Kapitel schon sahen, hochgespannte Elektrizität aus Spitzen und scharfen Kanten leicht ausströmt (sieheSeite 44). Bei den größeren Apparaten ist es auch vorteilhaft, die Klemmen nicht auf die Randscheiben aufzuschrauben, sondern auf zwei Glassäulen zu befestigen, die wir neben der Induktorrolle in das Grundbrett eingelassen haben.

Abb. 151. Kommutator (Horizontalschnitt).

Abb. 152. Kommutator (Vertikalschnitt).

Ferner ist es vorteilhaft, auf dem Apparat noch einen Kommutator anzubringen; wir können ihn wie den aufSeite 101beschriebenen herstellen. Geeigneter ist der im folgenden beschriebene Stromwender, der zugleich auch als Ausschalter dient. Eine Holzwalzea(Abb. 151und152) wird der Länge nach durchbohrt; zwei Achsenhälftenbwerden von rechts und links in die Bohrung hineingeschoben, dürfen aber einander innen nicht berühren. Wie sie befestigt werden, geht ausAbb. 153hervor: wir löten anbein Messingscheibchencan, das anaangeschraubt wird. Die eine Achsenhälfte (b₂) wird am Ende quer durchbohrt, und in dem Loch wird der dünnere Messingstiftf, der als Griff dient, angelötet. Nun werden anaauf zwei einander gegenüberliegenden Seiten die Kupferblechstreifendangeschraubt; der Streifend₁wird mitb₁undb₂mitd₂in leitende Verbindung gebracht. Die Lagerträgereverfertigen wir aus starkem Messingblech und die Lager selbst, welche hier nicht geölt werden dürfen, in der bekannten Weise (Seite 22).Zwei kupferne Schleiffederngwerden so auf dem Grundbrett angeschraubt, daß sie rechts und links an der Walzeaschleifen. Jetzt verbinden wire₁mit der Kontaktspitze des Unterbrechers unde₂mit dem freien Ende der primären Wickelung durch dicke Kupferdrähte oder Kupferblechstreifen. Die Verbindungsstellen sind zu verlöten. Auf den Federstreifene₁unde₂ist je eine Klemmschraube (α und β) anzulöten. Steht nun die Walzeawie inAbb. 151, so tritt der Strom bei α ein und geht durchd₁,b₁nache₁, durch den Unterbrecher in den Apparat und kommt durche₂,b₂,d₂und β zurück. Drehe ichaum 90°, so ist der Strom ausgeschaltet; drehen wir in der gleichen Richtung nochmals um 90°, so geht der Strom von α zuerst nachd₂,e₂und kommt durche₁,d₁nach β zurück, durchfließt also den Apparat in umgekehrter Richtung wie vorhin.

Abb. 153. Befestigung der Achse des Kommutators.

Drahtmasse für Induktionsapparate.

Bei einfachen Elektrisiermaschinen brauchen wir uns an keine bestimmten Verhältnisse der Bewickelungen zu halten; es gilt hier ganz allgemein: primäre Spule aus wenig Windungen eines dicken Drahtes, sekundäre Spule aus viel Windungen eines dünnen Drahtes.

Bei der Herstellung von Funkeninduktoren halte man sich an die folgenden TabellenSeite 182und183.

Unterbrecher.

Bei kleineren Apparaten bis zu 4cmFunkenlänge reicht der gewöhnliche Unterbrecher aus. Auch für größere Induktoren, bis zu 15cmFunkenlänge, genügt diese Konstruktion, nur müssen dann die Kontaktteile des Unterbrechers aus ziemlich starken Platinstücken bestehen. Auch können wir, da bei den dicken Induktorrollen der Eisenkern ziemlich hoch liegt, die Feder des Hammers senkrecht stellen, wie ausAbb. 154hervorgeht:Kbezeichnet den Eisenkern,Hden Hammer,Pden Platinkontakt,Fdie Feder, die durch die StellschraubeSmehr oder weniger gegen die Spule hineingedrückt werden kann, welcher Umstand es ermöglicht, die Schnelligkeit der Unterbrechungen etwas zu regeln. Man mache den EisenkernHmöglichst leicht und den Hebelckurz.

Maße für einfachere Funkeninduktoren

Funken-länge

Primäre Rolle

Sekundäre Rolle

NötigeStromspannung

Draht-stärke

Zahl derLagen

Draht-stärke

Draht-länge

Drahtgewicht

ca. kg

Volt

1 bis 10

0,8 bis 1

0,1

400 bis 800

—

etwa 2 bis 5

10 bis 50

1 bis 1,3

2 oder 3

0,1

1000 bis 7000

—

etwa 5 bis 7

50 bis 100

1,3 bis 1,7

0,1 bis 0,2

7000 bis 15000

0,75 bis 1,5 (bei 0,1 mm)2,5 bis 3 (bei 0,2 mm)

etwa 7 bis 8(Akkumulator)

100 bis 200

1,7 bis 2,2

3 oder 4

0,2 (0,1)

15000 bis 30000

5 bis 10 (bei 0,2 mm)1,5 bis 3 (bei 0,1 mm)

etwa 8 bis 12(Akkumulator)

Maße für bessere Funkeninduktoren

AlleMaßeinmm

Eisenkern

Primärrolle

Sekundärrolle

Funken-länge

Länge

Dicke

Stärke dereinzelnenEisenstäbe

Länge

Zahl derLagen

Draht-stärke

Durch-messer

Länge

ÄußererDurchmesser

Breite derEinzelspulen

100

150

0,8

140

130

200

360

300

260

140

300

600

1,2

540

2,5

440

230

Abb. 154. Einfacher Unterbrecher.

Abb. 155. Quecksilberunterbrecher.

Abb. 156. Träger des Hebels zum Quecksilberunterbrecher.

Quecksilberunterbrecher.

Abb. 155zeigt einen sehr gut arbeitenden und für Apparate bis zu 30cmFunkenlänge ausreichenden Unterbrecher, einen sogenannten Quecksilberunterbrecher. Eine Messingsäuleoder auch aus Holz gefertigte SäuleSwird an ihrem unteren Ende zur Beseitigung im Grundbrett etwas abgedreht und mit einem Gewinde versehen, an ihrem oberen zweiseitig abgeflacht. Auf diese abgeflachten Stellen werden zwei Messingblechstreifen (a₁unda₂inAbb. 156) angelötet, die je mit einer Bohrung zu versehen sind, in welche eine Stricknadel (b) hineinpaßt.czeigt uns einen gleicharmigen Hebel aus Aluminiumblech oder Holz, der links den Eisenanker (H) trägt und rechts zur Aufnahme eines 2 bis 3mmstarken Kupferdrahtes (d) durchbohrt ist. In der Mitte erhältcein Loch, in welches die oben erwähnte Stricknadel paßt. Um die SäuleSwird ein Messingring (R) gelegt, der an einer Stelle durchlocht wird. Über das Loch lötet man eine kleine Schraubenmutter, durch die man eine Schraube eindrehen und damit den Ring an der Säule befestigen kann. Außerdem wird anRein Häkchen zum Einhängen der Federeangelötet. Unter das rechte Ende des Hebels wird auf einem Holzfußfein kleiner Glasbehältergaufgestellt, in welchen das Quecksilber eingegossen wird. Das Ende des Drahtstiftesdwird mit einer Platinspitze versehen. Ferner wird ein schmaler Messingblechstreifen (h) rechtwinkelig umgebogen, auf einer Seite durchbohrt, mit einem Muttergewinde versehen und mit der anderen über dem Anker (H) an der Randscheibe des Induktors angeschraubt. Durch das Gewindegeht die Schraubei, mit der wir die Entfernung des Ankers vom MagnetkerneKregeln können. Zum Gebrauch wird über das Quecksilber, das von dem Platinende des Stiftesdgerade berührt wird, eine etwa 2cmhohe Schicht Petroleum aufgegossen. Der Strom tritt durch einen über den Rand des Glases in das Quecksilber eingetauchten Kupferblechstreifenkein und geht durchd,cundbin die SäuleSund von da den üblichen Weg durch den Apparat. Bei welcher Stellung der Schraubeiund des RingesR, durch dessen Verschieben die Spannung der Federereguliert werden kann, der Unterbrecher am besten funktioniert, ist durch Probieren ausfindig zu machen.

Elektrolytischer Unterbrecher nach Wehnelt.

Für Unterbrechungen sehr hoher Zahl wird gewöhnlich der Wehneltsche oder elektrolytische Unterbrecher gebraucht. Für unsere Zwecke ist er jedoch nicht geeignet, schon deswegen nicht, weil er sehr starke Ströme erfordert. Rudi hatte sich trotzdem nur zur Demonstration für seinen Vortrag einen Wehneltschen Unterbrecher hergestellt, zu dessen Betriebe ihm seine zwölfzellige Akkumulatorenbatterie gerade ausreichte.

An das Ende eines 2 bis 3mmstarken Kupferdrahtes lötete er ein 5mmlanges Stückchen Platindraht und hämmerte es zur feinen Spitze aus. Diesen Draht schob er mit der Spitze voran in eine Glasröhre und schmolz sie gerade über der Platinspitze so ab, daß letztere noch 1mmweit herausragte. Die Platin- und die daran anschließende Glasspitze brachte er in der Stichflamme des Lötrohrs bis zur hellen Weißglut, damit die beiden Teile innig miteinander verschmelzen sollten. An das aus der Glasröhre hervorragende Ende des Kupferdrahtes lötete er eine Klemmschraube. In ein ziemlich großes rundes Einmachglas stellte er dann einen halbzylindrischen Mantel aus Bleiblech, der einen über den Rand des Gefäßes hinausragenden Fortsatzstreifen trug, an dem eine Klemme angelötet war. Die Glasröhre befestigte er in einem auf das Gefäß passenden Holzdeckel nahe dem Rande, so daß er durch Drehen des Deckels sie der Bleiplatte beliebig nähern konnte. Die Röhre ragte von oben ungefähr bisin die Mitte des Gefäßes, das er mit verdünnter Schwefelsäure gefüllt hatte.

Zum Gebrauch eines Wehneltschen Unterbrechers wird der Unterbrecher des Induktors kurz geschlossen; dann verbinden wir denpositivenPol der Akkumulatorenbatterie mit der Platinspitze und die Bleiplatte mit der einen Klemme des Induktionsapparates, dessen andere Klemme wir mit dem negativen Pol der Batterie verbinden. Der Kondensator ist hierbei am besten auszuschalten.

Die Wirkungsweise dieses Apparates ist ungefähr folgende. Beim Durchgang des Stromes durch die Schwefelsäure entstehen durch Elektrolyse an den Elektroden Gase, und zwar tritt an der Platinspitze Sauerstoff, an der Bleiplatte Wasserstoff auf. Da nun aber der starke Strom die feine Platinspitze sehr stark erhitzt, so entwickelt sich um diese herum Wasserdampf, der durch die große Hitze in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Diese Gase nehmen ein so großes Volumen um die Spitze herum ein, daß diese ganz von der Flüssigkeit getrennt wird. Damit ist der Strom unterbrochen, die Gasblase steigt auf, und der Vorgang beginnt von neuem.

Die an der Spitze auftretende Wärme ist so groß, daß die sich bildenden Gase bis zum Glühen erhitzt werden, was zur Folge hat, daß auch die Flüssigkeit eine hohe Temperatur annimmt, so daß man nach kurzer Zeit die Arbeit mit dem elektrolytischen Unterbrecher einstellen muß.

Nachdem Rudi die verschiedenen Konstruktionen der Induktoren erläutert hatte, ging er dazu über, diejenigen Eigenschaften der Wechselströme zu besprechen, durch welche sie sich besonders von den Gleichströmen unterscheiden.

Wechselströme.

Die Ströme, die wir in unseren Induktoren erhalten, sind, wie wir gesehen haben, auch Wechselströme, das heißt Ströme, die fortwährend ihre Richtung ändern. Solche Ströme haben wir im vorigen Kapitel kennen gelernt. Die zweipolige magnetelektrische Maschine (Seite 138 u. f.) liefert uns einen einfachen Wechselstrom, dessen Verlauf inAbb. 157graphisch dargestellt ist. Stehen die Induktionsrollen des Ankers gerade vor den Magnetpolen, wenn wir beginnen, die Maschinein Rotation zu setzen, so steigt die elektromotorische Kraft und damit, wenn der Ankerdrahtkreis geschlossen ist, auch die Stromstärke von dem Wert 0 beiabis zu ihrem höchsten Wert bei α, den sie nach einer Ankerdrehung von 90° erreicht hat; jetzt fällt die Spannung wieder, bis sie beibnach einer Ankerdrehung von 180° wieder den Wert 0 erreicht hat. In diesem Augenblick ändert der Strom seine Richtung, was in der Figur daran zu sehen ist, daß die Kurve nicht mehr oberhalb der Linieaxverläuft, sondern unterhalb. Hier wiederholt sich der gleiche Vorgang bei umgekehrter Stromrichtung. Hat der Anker eine volle Drehung (360°) gemacht, so ist die Spannung im Punktecwieder gleich 0, der Strom steigt und fällt wieder wie zu Anfang und so fort.

Abb. 157. Kurve eines einfachen Wechselstromes.

Abb. 158. Kurve eines Induktorstromes.

Betrachten wir nun die Wechselströme, die in einem einfachen Induktionsapparat entstehen, während der Unterbrecher in Tätigkeit ist. Der Verlauf eines solchen Stromes ist inAbb. 158versinnlicht: Wird der primäre Strom geschlossen, so erhalten wir im sekundären Draht einen Stromimpuls, der rasch ansteigt bis zu einem gewissen Maximalwert, der mit von der Geschwindigkeit, mit der der Strom geschlossen wird, abhängt, um sogleich wieder auf 0 herabzusinken (ainAbb. 158). Der Unterbrechermag nun noch so rasch funktionieren, der Stromimpuls war so kurz, daß eine gewisse Zeit verstreicht, bevor der Strom wieder geöffnet wird. Diese Zeit ist in der Figur durch die Streckexydargestellt. Beiytritt dann der Stromwechsel ein, und wir erhalten den anders gerichteten Öffnungsstrom (b), der noch viel rapider verläuft und einen höheren Maximalwert erreicht als der Schließungsstrom. Dann vergeht wieder eine gewisse Zeit (x₁,y₁), bis der Strom geschlossen wird und so fort.

Es fragt sich nun: Wie können wir Spannungen und Stromstärken von Wechselströmen messen? Wie wir im vorigen Kapitel schon sahen (Seite 148), reagiert z. B. unser Vertikalgalvanoskop aus den dort erwähnten Gründen nicht auf Wechselströme. Dagegen ließe sich denken, daß die Volt- und Amperemeter, bei denen weiche Eisenteile durch die magnetische Kraft einer Spule bewegt werden, auch auf Wechselströme reagieren, da ja, wenn der Elektromagnet seine Pole ändert, sich auch ebenso rasch die Pole des weichen Eisens ändern, dieses somit auf jeden Fall angezogen wird. Diese Überlegung ist wohl ganz richtig, doch wir würden zu sehr schlechten Resultaten kommen, wenn wir mit unseren Instrumenten Wechselströme messen wollten; denn erstens dürfen die verwendeten Eisenmassen nur sehr klein, zweitens muß das Eisen absolut weich sein, was eigentlich nur bei chemisch reinem Eisen der Fall ist, und drittens müssen die Instrumente für Wechselströme, und zwar für solche mit ganz bestimmten Perioden, geeicht sein.

Rudi hatte sich zur Demonstration in seinem Vortrag zwei Meßinstrumente für Wechselstrom gefertigt, deren Konstruktion am Schlusse dieses Kapitels beschrieben ist. Das eine, ein sogenanntes Hitzdrahtinstrument, benutzt die Stärke der Ausdehnung, die ein vom Strome durchflossener kurzer dünner Draht infolge der Erwärmung erfährt, als Maßstab für die Stromstärke. Das zweite ist ein Elektrodynamometer, ein Instrument, das sich nur dadurch von unserem Vertikalgalvanoskop unterscheidet, daß statt des Stahlmagneten eine Drahtrolle ohne Eisenkern verwendet wird. Wenn ein solches Instrument von einem Wechselstrom durchflossen wird, so ändert sich die Stromrichtunggleichzeitig in der äußeren und in der inneren Spule, weshalb die Ablenkung der letzteren immer nach der gleichen Seite erfolgt. Auch das im Anhang beschriebeneUniversalinstrumentist zur Messung von Wechselströmen geeignet.

Eine zweite Frage, die von vornherein nicht so begründet erscheinen mag, wie die erste, ist die, ob auch für Wechselströme das Ohmsche Gesetz (Seite 84 u. f.) gilt. Diese Frage ist nur bedingungsweise zu bejahen, nämlich dann, wenn der vom Strome durchflossene Leiter völlig frei ist von Selbstinduktion (Seite 158); ist dies nicht der Fall, so erhält das Ohmsche Gesetz Modifikationen, die von einer großen Anzahl einzelner Umstände abhängig sind.

Abb. 159. Wheatstonesche Brücke.

Impedanz.

Schicken wir z. B. durch eine Drahtspule mit einem Eisenkern, also durch einen Leiter mit sehr großem Selbstpotential, einen Wechselstrom, so bietet diesem die Spule einen größeren Widerstand, als sie einem Gleichstrom bieten würde, da die Spannung des Extrastromes der des Wechselstromes entgegenwirkt. Diese Tatsache läßt sich durch ein sehr einfaches Experiment beweisen: AufSeite 109 u. f.haben wir die Wheatstonesche Brücke und ihre Benützung zur Messung von Widerständen kennen gelernt. Wir schalten nun, wie ausAbb. 159hervorgeht, in den Stromkreis einer solchen Brücke eine mit einem Eisenkern versehene DrahtspuleS, an Stelle des Vergleichswiderstandes bringen wir einen möglichstinduktionsfreienLeiter, etwa einen Graphitstab, dessen Widerstand wir — nur der Bequemlichkeit wegen — annähernd gleich dem der SpuleSwählen, und stellen dann den Schlitten der Brücke so, daß das Galvanoskop stromlos ist. Jetzt wissen wir, daß sich der Widerstand vonSzu dem vonWverhält wie dieStreckeadzur Streckedb; dabei ist es völlig einerlei, wie stark die elektromotorische Kraft inEund wie groß der Widerstand vongist. Wir können deshalb statt des ElementesEeine magnetelektrische Maschine, die uns Wechselstrom liefert, und statt des Galvanometers einTelephoneinschalten. Das Telephon ist nämlich eines der geeignetsten Instrumente, um das Vorhandensein selbst sehr schwacher Wechselströme noch zu erkennen, indem es diese durch Ertönen anzeigt. Die Einrichtung des Telephons selbst ist am Schlusse dieses KapitelsSeite 200beschrieben. Wenn aber eine Drahtspule einem Wechselstrom einen größeren Widerstand entgegensetzt als ein induktionsfreier Leiter vom selben Widerstand, so ist klar, daß jetzt in unserem Wheatstoneschen Systeme die Verhältnisse gestört sein müssen, was wir daran erkennen, daß der Stromzweigcdnicht stromlos ist, wie vorhin, sondern von einem Teil des Wechselstromes durchflossen wird und das Telephon zum Ertönen bringt. Daß diese Veränderung tatsächlich auf eineVergrößerungdes Widerstandes für Wechselströme inShinausläuft, erkennen wir daran, daß wir, um das Telephon zum Schweigen zu bringen, also um es stromlos zu machen, den Schlittendder Brücke nachbzu verschieben müssen.

Man bezeichnet den Widerstand, den die Einschaltung einer solchen Spule den Wechselströmen bietet, zum Unterschied von dem gewöhnlichen, in Ohm gemessenen Widerstand, als dieImpedanzder Spule; sie ist um so größer, je höher das Selbstpotential der Spule ist, und je rascher die Richtungsänderungen des Wechselstromes aufeinander folgen. Die Impedanz führt bei Wechselströmen hoher Frequenz zu sehr eigentümlichen Erscheinungen, die wir im sechsten Vortrage genau kennen lernen werden.

Abb. 160. Schema zum Versuch mit dem zweiphasigen Wechselstrome.

Abb. 161. Eisenring mit Magnetnadel.

Mehrphasenströme.

Nach diesen Versuchen ging Rudi dazu über, die Anwendungen der Wechselströme in der Praxis zu besprechen. Zur Erklärung des zweiphasigen Wechselstromes und des Begriffes der Phasen überhaupt hatte er sich seinen Elektromotor (Seite 124), der zwei Feldmagnet- und vier Ankerpole hatte, besonders hergerichtet: Er brachte auf der Achse vier Schleifringe an, je zwei verband er mit den Drahtenden einesRollenpaares, wie aus der schematischen Zeichnung inAbb. 160hervorgeht. In dieser Figur sindNundSdie Pole des Feldmagneten,A,Aist das eine,B,Bdas andere Rollenpaar,xyist die Achse mit den vier Schleifringen α, β, γ, δ. Ferner fertigte er sich einen Ring aus Eisendraht, ähnlich dem Grammeschen Ringe (Seite 127). Auf diesen wickelte er vier Drahtspulen und verband je zwei einander gegenüberliegende so, wie aus dem SchemaAbb. 160zu erkennen ist; die vier freien Drahtenden verband er mit den vier Schleiffedern. Der Ring hatte einen mittleren Durchmesser von 6½cmund einen Querschnitt von 1qcm. Jede Spule bestand aus etwa 40 bis 50 Windungen eines 0,5mmstarken isolierten Drahtes. Die in dem Ring verlaufenden Verbindungsstücke führte er nicht, wie in der Abb. 160 angegebenist, durch die Mitte, sondern der inneren Ringseite entlang. In die Mitte des Ringes stellte er eine in einen Kork gesteckte Nadel, auf welcher eine Magnetnadel balancierte (Abb. 161). Die Feldmagnete erregte Rudi mit einem starken Akkumulatorenstrom und setzte dann mit Hilfe eines großen Übersetzungsrades den Anker in rasche Rotation. Sofort begann auch die Magnetnadel sich zu drehen. Wodurch mag nun diese Drehung verursacht werden?

Abb. 162. Magnetisches Drehfeld.

Betrachten wirAbb. 162. Hier soll jeweils der mitA,Abezeichnete Draht mit den SpulenA,A(inAbb. 160), der DrahtB,Bmit den SpulenB,Bverbunden sein. Wir wollen nun sehen, wie sich die Stromverhältnisse in einzelnen, herausgegriffenen Augenblicken während der Ankerdrehung verhalten. Bei der inAbb. 160gezeichneten Stellung der Spulen wird der inA,Ainduzierte Strom gerade seinen höchsten Wert erreicht haben, und inB,Bwird er sich gerade umdrehen, also im Augenblick gleich 0 sein. Um dies anzudeuten, ist in Abb. 162 I der DrahtA,Adick und der DrahtB,Bpunktiert gezeichnet. Bei der durch Pfeilspitzen angedeuteten Stromrichtung müssen also beiNundSdie entsprechenden magnetischen Pole entstehen, nach denen sich die Magnetnadel — in der Figur ein Pfeil —einstellt. Dreht sich nun der Anker weiter, bisAundBbeide gleichweit vonNundS(Abb. 160) entfernt sind, so sind in beiden Drähten die Stromimpulse gleich stark und so gerichtet, wie ausAbb. 162II zu erkennen ist; jetzt haben sich also die Pole des Ringes um 45° verschoben, und die Magnetnadel ist ihnen gefolgt.Abb. 162III zeigt die Stromverhältnisse in dem Augenblick, daA,Agerade die Pole des Feldmagneten passiert und deshalb stromlos ist, während durchB,Bder Strom mit voller Stärke fließt; die Pole des Ringes entstehen dann so, wie sie angedeutet sind. Dies geht so fort, bis der Anker eine ganze Drehung gemacht hat (Abb. 162, IV–VI); dann wiederholt sich der gleiche Vorgang.

Setzen wir nun auf die Spitze statt der Magnetnadel eine nicht magnetische Nadel aus weichem Eisen auf, so wird diese sich ebenfalls drehen, da in ihr die Pole induziert werden. Wir können auch eine runde Weißblechscheibe in der Mitte mit einer Vertiefung versehen und auf die Spitze legen; wird der Ring von den beiden Wechselströmen durchflossen, so dreht sich die Scheibe.

Den Raum, das Feld in einem solchen Eisenring, das von zwei (oder mehr) Wechselströmen in oben beschriebener Weise umflossen wird, nennt man einmagnetisches Drehfeld. Von Wechselströmen, die sich wie die Genannten verhalten, sagt man, sie hätten verschiedenePhasen, oder es bestünde zwischen ihnen einePhasendifferenz. Die Phasendifferenz kann je nach der Anzahl der Wechselströme, die wir von einem Anker abnehmen, verschieden sein. In unserem Falle haben wir einePhasendifferenzvon 90°, das heißt während der Strom aus dem einen Spulenpaar, z. B.B,B, seinengeringstenWert (= 0) hat, hat der Strom aus dem anderen SpulenpaarA,A,das um 90° gegen das erste verschoben ist, seinenhöchstenWert. Man spricht in diesem Falle von einemzweiphasigenWechselstrome. Würden wir von einem Anker mit drei Spulenpaaren drei Wechselströme abnehmen, so wäre zwischen diesen ein Phasenunterschied von je 60°. Solche Ströme nennt manDreiphasenströme.

Wir wollen nun sehen, was geschieht, wenn wir zweiWechselströme, zwischen denen eine Phasendifferenz besteht, durcheinenDrahtkreis fließen lassen. Zeichnen wir wieder wie vorhin den Verlauf eines einfachen, sogenannteneinphasigenWechselstromes graphisch auf, so erhalten wir eine Linie wieAinAbb. 163; dies sei der Strom, den die RollenpaareA,A(Abb. 160) liefern. Den Strom vonB,Bzeichnen wir dann ebenfalls auf und erhalten die LinieB; die an derjenigen Stelle den höchsten Wert hat, an welcherAgleich 0 ist. Addieren wir nun die Spannungen beider Ströme da, wo sie gleichgerichtet sind, und subtrahieren wir sie, wo sie verschiedene Richtungen haben, so erhalten wir die LinieC, welche die Resultante der beiden Wechselströme in dem einen Leiter darstellt.

Abb. 163. Kurve der aus zwei Wechselströmen mit verschiedener Phase entstehenden Resultante.

Abb. 164. Dreiphasiger Wechselstrom.

Auch einendreiphasigenWechselstrom mit einer Phasendifferenz von 60° konnte Rudi erzeugen. Er hatte sich dafür einen besonderen mit drei Spulenpaaren, also mit sechs Spulen versehenen Anker hergestellt, indem er in einerunde, 2 bis 3mmstarke Eisenplatte sechs zylindrische Stäbe einnietete, die den Rollen als Kerne dienten; diese Rollenpaare sind inAbb. 164mit Ia, Ib, IIa, IIbund IIIa, IIIbbezeichnet und werden so miteinander verbunden, wie das aus der Figur zu erkennen ist. Der Eisenring muß natürlich auch entsprechend drei Spulenpaare tragen. Aus der Figur erkennen wir ferner den Vorteil des dreiphasigen Wechselstromes: wir brauchen nämlich nicht, wie man anfangs meinen könnte, sechs Leitungen, sondern nur drei, die dann in der angedeuteten Weise mit den Spulen verbunden werden. Die Ankerspulenpaare können auf zweierlei Weise geschaltet werden: entweder, wieAbb. 165zeigt, inSternschaltungoder wie inAbb. 166alsDreieckschaltung. Die drei Leitungen werden durch die VerbrauchsstellenW₁,W₂,W₃, die aus Glühlampen, Heizapparaten, Motoren u. s. w. bestehen können, miteinander verbunden. InW₁, inW₂und inW₃fließt dann je ein einphasiger Wechselstrom, der sich, ähnlich wie inAbb. 163, aus zwei Wechselströmen, die eine Phasendifferenz von 60° haben, zusammensetzt. Die drei Resultanten haben dann wieder einen Phasenunterschied von 60°.

Abb. 165. Die drei Spulenpaare in Sternform geschaltet.

Abb. 166. Die drei Spulenpaare im Dreieck geschaltet.

Die mehrphasigen Wechselströme — in der Praxis aber eigentlich nur die dreiphasigen — bezeichnet man auch alsDrehströme, da man mit ihnen ein magnetisches Drehfeld erzeugen kann.

Um seinen Hörern die Verhältnisse von Stromstärken und Stromrichtungen in den drei Leitungen eines Drehstromesmöglichst klar und anschaulich zu machen, fertigte sich Rudi einen einfachen Apparat. Er schnitt sich zwei 60 bis 70cmgroße runde Pappendeckelscheiben und befestigte in der Mitte der einen, um ein paar Zentimeter kleineren, einen etwa fingerdicken Holzstab als Achse, in die andere schnitt er in die Mitte ein Loch und drei 1 bis 2cmbreite Schlitze, wie ausAbb. 167zu erkennen ist. Auf die Scheibe mit der Holzachse malte er, wie ebenfalls die Abbildung zeigt, zwei Kreise, deren Durchmesser gleich der Länge der Schlitze in der anderen Scheibe waren. Die eine Kreisfläche malte er blau, die andere rot, den übrigen Pappendeckel schwarz und die Scheibe mit den Schlitzen weiß an. Letztere stellte er zur Demonstration mit der Kante auf dem Tisch auf und hielt sie senkrecht fest, während Käthe die Holzachse der farbigen Scheibe von hinten in das Loch der weißen hineinsteckte und sie dann langsam drehte. Dabei sah man von vorn, wie die drei Schlitze abwechselnd rot und blau wurden. Aber sie änderten ihre Farbe nicht plötzlich, sondern wenn der eine anfangs in seiner ganzen Länge die rote Farbe zeigte, so wurde der scheinbare Strich immer kürzer, bis man gar kein Rot mehr sah, dann kam Blau und wurde immer länger und nahm dann wieder ab u. s. w. Bei diesem Versuch stellen die drei Schlitze die drei Leitungen, Rot die eine, Blau die andere Stromrichtung und die Länge der in den Schlitzen erscheinenden Farbenstriche die Stromstärke vor.

Abb. 167. Apparat zur Veranschaulichung eines Drehstromes.

Transformatoren.

Daß man mit einem solchen Drehstrom sehr einfache Elektromotoren bauen kann, leuchtet nach den angestellten Experimenten mit dem Drehfeld (Abb. 162) ein. Ein weiterer noch viel wichtigerer Vorteil, den auch die einphasigen Wechselströmemit den Drehströmen teilen, ist die Fähigkeit, sich durch einfache Apparate auf andere Spannungen transformieren zu lassen. Solche Apparate sind im wesentlichen unseren Induktoren gleich, nur daß diese für Gleichströme, die durch eine besondere Vorrichtung periodisch unterbrochen werden müssen, eingerichtet sind, während jene einfach aus zwei getrennten, auf einen Eisenkern aufgewickelten Spulen bestehen, bei denen die Unterbrechung durch die periodische Richtungsänderung ersetzt wird.

Was für einen Vorteil hat es aber im Großbetriebe, die Spannung eines Stromes transformieren zu können? Wir wissen, daß bei gegebener Drahtdicke der Widerstand einer Leitung um so größer wird, je länger wir sie machen. Wenn z. B. für die Beleuchtung einer Stadt die Wasserkräfte in einem weit entlegenen Gebirgstal ausgenützt werden sollen, so würde ein Strom mit normaler Spannung (110 Volt) entweder in der langen Leitung sehr große Verluste erleiden, oder man müßte, um das zu vermeiden, die Leitung aus ungeheuer dicken Drähten herstellen. Im ersten Falle tritt also ein Energieverlust ein, im zweiten würden die Kosten für die Leitung allein so groß werden, daß sich eine derartige Anlage niemals lohnen könnte. Nun geht aber aus dem Ohmschen Gesetz (Seite 84 u. f.) hervor, daß ein Strom mit einer gewissen Anzahl von Watt, sagen wir 1000, mit viel geringeren Verlusten durch eine Leitung fließt, wenn er hohe Spannung und geringe Stromstärke hat, als wenn die gleichen 1000 Watt mit geringer Spannung und großer Stromstärke durch dieselbe Leitung fließen müssen. Also ein Strom mit 1000 Volt und 1 Ampere (gleich 1000 Watt) ist leichter in die Ferne zu leiten, als ein solcher mit nur 100 Volt und 10 Ampere (ebenfalls gleich 1000 Watt). Da sich nun aber Ströme mit sehr hohen Spannungen für den Betrieb von Lampen, Motoren u. s. w. schlecht eignen und außerdem für die mit den Leitungen in Berührung kommenden Personen lebensgefährlich sein können, so werden sie vor den Verbrauchsstellen auf niedere Spannung umgeformt, transformiert. In solchen Transformatoren bestehen die primären Wickelungen aus vielen Windungen eines dünnen Drahtes, die sekundären aus wenig Windungen eines dicken Drahtes. Von dem Verhältnisder primären zur sekundären Spannung hängt auch das Verhältnis der Drahtmaße der Bewickelung ab.

Soviel etwa sprach Rudi über die Transformatoren; ein besonderes Experiment führte er dabei nicht vor, obgleich es nicht schwer gewesen wäre, sich einen kleinen Transformator herzustellen. Wie eine Maschine, die Drehstrom liefert, herzustellen ist, haben wir aufSeite 194gesehen. Speziell für diesen Versuch ist es von Vorteil, wenn die Bewickelung der sechs Ankerspulen aus recht dünnem Draht besteht (etwa 0,3mmstark). Den Transformator können wir als sogenannten Ringtransformator auf folgende Weise konstruieren. Wir stellen aus etwa 0,5 bis 0,6mmstarkem Eisendraht, den wir in einer Bunsenflamme — nicht etwa im Kohlenfeuer — tüchtig durchgeglüht haben, einen Ring her, ähnlich dem, den wir für das magnetische Drehfeld anfertigten, und teilen ihn auf seinem Umfange in drei gleiche Teile ein, die wir durch drei um den Ring gebundene Bindfäden bezeichnen. Jetzt wickeln wir um jedes Drittel vier Lagen eines 0,3mmstarken, isolierten Kupferdrahtes; das sind also drei einzelne Wickelungen, zwischen denen etwa 5mmfrei bleiben sollen. Die sechs Drahtenden werden mit Seidenfäden festgebunden, das Ganze mit Schellacklösung überstrichen und mit einem in Schellack getränkten Papierstreifen umgeben. Darauf werden auf jede dieser Wickelungen zwei Lagen eines 1mmstarken Kupferdrahtes aufgewickelt. Dieser Ring, der sechs dicke und sechs dünne Drahtenden hat, wird auf einem Brett befestigt, und die Drähte werden zu Klemmen geführt.

Wir haben jetzt einen Drehstromgenerator und einen Drehstromtransformator, es fehlt uns nur noch der Drehstrommotor. Letzterer ist ebenfalls sehr einfach herzustellen. Wir versehen einen Eisendrahtring wie den des Transformators mit drei Spulenpaaren. Der Ring soll einen inneren Durchmesser von 4cm, einen äußeren von 5cmhaben. Jede Spule soll aus drei Lagen mit je 10 Windungen eines 0,5mmstarken Drahtes bestehen. Die Verbindungsdrähte der einzelnen Spulen dürfen nicht durch die Mitte des Ringes gehen, sondern müssen auf dessen Außenseite verlaufen.

Der Anker dieses Motors ist ebenfalls sehr einfachherzustellen. Wir biegen aus einem 1 bis 2mmdicken und 1cmbreiten Eisenblechstreifen einen Ring, der mit 3mmSpielraum in den bewickelten Drahtring hineinpaßt. Die zusammenstoßenden Enden des Blechstreifens werden verlötet, und der ganze Blechring wird mit einemnicht isolierten, 1mmstarken Kupferdraht so umwunden, wie ausAbb. 168hervorgeht. Zwischen je zwei Windungen sei ein Zwischenraum von 3 bis 4mm. Die Enden des Drahtes werden zusammen- und die Windungen an den Blechring angelötet Dieser Reif ist inAbb. 168dargestellt. Wir schieben ihn auf ein Holzscheibchen, das gerade so hineinpaßt, daß er fest sitzt. In der Holzscheibe wird eine Achse befestigt.

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