Chapter 15

Abb. 168. Kurzschlußanker.

Abb. 169. Schaltungsschema eines Transformators.

Der Ring, der das magnetische Drehfeld erzeugt, wird senkrecht auf einem Brettchen montiert; rechts und links werden die Lagerträger, die wir aus Messingblech verfertigen, angebracht. Der Anker muß sich spielend leicht und ohne zu streifen in dem Magnetringe drehen lassen, dessen sechs Drahtenden wir zu drei Klemmen führen, wie aus dem SchemaAbb. 169zu erkennen ist.

Einen Anker, wie den eben beschriebenen, nennt man einenKurzschlußanker, weil seine Wickelung kurz geschlossen (sieheSeite 153 u. f.) ist. Die mit dem Eisen des Ankerringes überall in leitender Verbindung stehenden Kupferwindungen haben den Zweck, die durch Induktion entstehenden Wirbelströme einen bestimmten Weg zu führen. Sie folgen also zum größten Teile dem besser leitenden Kupfer und verstärken dadurch noch den induzierten Magnetismus des Eisens. (Siehe auch, was darauf bezüglich bei der Erklärung des magnetischen DrehfeldesSeite 192gesagt ist.) Weil der Magnetismus in solchen Ankern induziert ist, werden sie auch alsInduktionsankerbezeichnet.

Wie der Generator, das ist die stromerzeugende Maschine, der Transformator und der Motor miteinander zu verbinden sind, geht aus dem Schema inAbb. 169hervor. Setzen wir den Generator in Gang, so wird sich auch der Motor drehen; je rascher wir den Anker des Generators rotieren lassen, desto rascher wird auch der Motor laufen. —

Abb. 170. Schema des ersten Telephons.

Das Telephon.

Zum Schlusse dieses Vortrages erklärte Rudi noch die Einrichtung des Telephons, das eine der bedeutendsten Nutzanwendungen der Induktionsströme darstellt.

Das erste Telephon war auffallend einfach: Ein Stahlmagnet war an dem einen Pol mit einer Drahtspule versehen und in einem Gehäuse von Holz untergebracht, in dem, kaum einen Millimeter vom Magnetpol entfernt, eine dünne Eisenmembran befestigt war. Verband man nun die Spulen zweier solcher Telephone, wie ausAbb. 170hervorgeht, so konnte man die Worte, die gegen die Membran I gesprochen wurden, bei II hören und umgekehrt. Wodurch wird nundie Fernleitung des Schalles in den beiden Drähten bewirkt?

Wir wissen, daß ein Stück Eisen, wenn es in die Nähe eines Magneten gebracht wird, selbst magnetisch wird, somit selbst auch Kraftlinien aussendet und die des Magneten aus ihrer ursprünglichen Richtung ablenkt. Bei jeder Bewegung der Eisenmembran in unserem Telephon werden sich deshalb die Kraftlinien des Stahlmagneten etwas verändern und dadurch in der Drahtspule Induktionsströme erzeugen. Wird z. B. die Membran I gegen den Pol hinbewegt, so wird ein Induktionsstrom erzeugt, der so gerichtet ist, daß er den Magneten bei II verstärkt; dadurch wird auch die Membran II stärker angezogen, macht also auch eine Bewegung gegen den Pol hin. Entfernt sich die Membran I von ihrem Magnete, so entsteht der Induktionsstrom in umgekehrter Richtung, schwächt also in II den Magnet, und deshalb bewegt sich auch Membran II von ihrem Pol weg. Kurz, die Membran der einen Station macht ganz genau die Bewegung nach, in die wir die Membran der anderen bringen. Sprechen wir also gegen die Membran I, so wird diese von den auftreffenden Luftwellen (Schallwellen) in ganz bestimmter Weise in Schwingung gebracht. Da die Membran II aber die Bewegungen der Membran I genau mitmacht, so muß II ebenso schwingen wie I; dadurch werden der Luft in der Nähe von II dieselben Schwingungen mitgeteilt, die der Membran I die Bewegung erteilt haben; wir hören also bei II die gleichen Laute, die gegen I gesprochen werden.

Eine derartig einfache Einrichtung hat aber den Nachteil, daß die Tonstärke sehr gemindert wird; denn ein großer Teil der Energie des Schalles wird dazu verbraucht, die Trägheit der ersten Membran zu überwinden und sie in Schwingung zu versetzen, und dann geht wieder ein Teil bei der Umsetzung der mechanischen Bewegungsenergie in elektrische Energie verloren. Wie wir wissen, wird in dem Widerstand eines Leiters die Energie eines elektrischen Stromes geschwächt; da sie aber nach dem Gesetz der Erhaltung der Energie nicht verloren gehen, nicht einfach verschwinden kann, so muß sie sich in eine andere Energieformverwandelt haben.Elektrische Energie wird in Widerständen zum Teil inWärmeumgesetzt, wie wir schon an den aufSeite 51und57beschriebenen Experimenten gesehen haben. Man nennt diese durch elektrische Ströme in Leitern hervorgerufene WärmeJoulescheWärme. Dieser Vorgang spielt sich zum Teil, je nach dem Widerstand (Länge) der Leitung auch hier ab. Bei der zweiten Station finden in umgekehrter Reihenfolge dieselben Verluste noch einmal statt.

Abb. 171. Schema des Mikrophones.

Das Mikrophon.

Ein solches Telephon hatte eigentlich nur theoretisches Interesse; zum praktischen Gebrauch war es kaum anzuwenden, da die Töne an der Empfangsstation zu schwach wiedergegeben wurden. Dieser Mißstand wurde durch die Erfindung desMikrophonesdurch Hughes beseitigt. Hughes befestigte auf einem Resonanzkästchen parallel nebeneinander zwei Kohlestäbchen und legte auf diese ein drittes. Dann verband er die eine der befestigten Kohlen mit einem Pol, die andere durch ein Bellesches TelephonT— so genannt nachGraham Bell, dem Erfinder des vorher beschriebenen Telephones — mit dem anderen Pol eines ElementesE(Abb. 171). Wird bei dieser Einrichtung durch irgend eine Erschütterung der Deckel des Resonanzkästchens (R) rasch nach unten bewegt und mit ihm die beiden Kohlenaundb, so wird das nur leicht aufliegende Stäbchencinfolge seiner Trägheit nicht so rasch folgen können, es wird in dem Augenblick nicht so fest aufaundbaufliegen als vorher; dadurch aber, daß der Kontakt geringer wird, wird der Widerstand für den Strom größer, der Strom selbst also schwächer. Wird umgekehrt der Resonanzbodengegenchinbewegt, so wird der Kontakt inniger und der Strom stärker. Die Stromstärke gerät demnach in Schwankungen, die den Schwingungen des Resonanzbodens analog sind. In genau derselben Weise schwankt dann die Stärke des vom Strome umflossenen Stahlmagneten, so daß schließlich die Membran des Telephons die Schwingungen des Resonanzbodens genau mitmacht. Einen derartigen Kohlenkontakt auf einem Resonanzboden nennt manMikrophon.

Abb. 172. Schema einer Telephonanlage.

Jedoch auch diese Vorrichtung genügte nicht, wenn man auf sehr große Entfernungen sprechen wollte; der Strom des Elementes wurde in einer langen Leitung zu sehr geschwächt. Aber gerade der Umstand, daß der durch das Mikrophon gehende Strom durch die Schallwellen in Schwankungen gerät, ermöglicht es uns, ihn zu transformieren, auf eine andere Spannung zu bringen, genau so, wie wir die Wechselströme in den Transformatoren transformiert haben. Die sich dadurch ergebende Schaltungsweise ist ausAbb. 172zu erkennen: I und II bezeichnen die beiden Fernsprechstationen. Wird nun in I gesprochen, so macht der Strom folgenden Weg: er fließt von ElementE₁durch das MikrophonM₁und durch die um einen EisenkernKgewundene primäre (dicke) Wickelungpder InduktionsrolleJ₁zum ElementE₁zurück. Beim Durchgang durch das Mikrophon, gegen welches gesprochenwird, wird er bald stärker, bald schwächer, gerät also in Schwankungen. Dieser unstete Strom wird beim Durchgang durchppinJ₁in der sekundären Wickelungssauf hohe Spannung und geringe Stromstärke transformiert, so daß er jetzt ohne erhebliche Verluste in die Ferne geleitet werden kann. Er geht vonJ₁zuerst durch das TelephonT₁, durch den einen Ferndraht zu dem TelephonT₂, durchJ₂und durch den anderen Ferndraht nachJ₁zurück. Da er in den Telephonen deren Stahlmagnete umkreist, teilt er ihrem Magnetismus seine eigenen Schwankungen mit, dadurch gerät die Eisenmembran in Schwingung, so daß man die gegenM₁gesprochenen Worte inT₂hören kann. In der gleichen Weise kann man von Station II nach Station I sprechen.

Bei einer praktischen Fernsprechanlage muß natürlich noch ein Anrufwecker (Klingel) und eine Vorrichtung vorhanden sein, die es gestattet, wenn nicht gesprochen wird, den Batteriestrom auszuschalten, damit die Elemente nicht erschöpft werden. (Siehe auchHerstellung einer Telephonanlageim Anhang.) —

An dieser Stelle sei noch die Beschreibung der Herstellung der beiden vorerwähnten Meßinstrumente für Wechselstrom, dessen theoretische Betrachtungen aufSeite 187nicht unterbrochen werden sollten, nachgeholt.

Das Hitzdrahtinstrument.

Ein genau arbeitendes Hitzdrahtinstrument können wir uns nicht selbst herstellen, wenigstens nicht für geringe Stromstärken, da es ohne korrigierende Vorrichtungen auch auf die Schwankungen der Lufttemperatur reagiert. Da es aber theoretisches Interesse darbietet, auch zur Demonstration sehr geeignet und, wenn keine Ansprüche an Genauigkeit und Präzision gestellt werden, sehr leicht anzufertigen ist, so sei seine Herstellung hier beschrieben.

Abb. 173. Das Hitzdrahtinstrument.

Abb. 174. Lager für den Zeiger des Hitzdrahtinstrumentes (Vertikalschnitt).

Abb. 175. Dasselbe (Horizontalschnitt).

Auf ein langes, schmales Grundbretta(Abb. 173), das mit Stollen zu versehen ist, wird ein rechteckiges Brettbaufgeschraubt. In der linken oberen Ecke wird die Lagervorrichtungcfür den Zeiger befestigt. Letztere ist inAbb. 174und175besonders dargestellt. Auf ein längliches, etwa 1mmstarkes Messingplättchendwird der zweimalrechtwinkelig gebogene Bügeleaufgelötet, der aus einem 1 bis 1,5mmstarken Messingblechstreifen gefertigt ist. Dieser Bügel erhält auf der Innenseite beifeinen ziemlich tiefen mit einem Körner eingeschlagenen Punkt und beig, genau dem Körnerpunkt gegenüber, ein Loch, in das ein Muttergewinde geschnitten wird, damit darin die Schraubeheingedreht werden kann. Letztere erhält beiiebenfalls einen Körnerpunkt. Ein etwa 2mmstarkes, rundes Eisenstiftchenkwird auf beiden Seiten zugespitzt und muß zwischenfundieingespannt werden können. An dieses Stiftchen wird ein 2mmstarker Eisendraht angelötet und an dem kurzen auch noch etwas überkhinaussehenden Ende zum Häkchenmgebogen. Soll das Instrument für Ströme mit mehreren Amperes bestimmt sein, so muß der Zeiger, um stärker belastet werden zu können, aus einem Blechstreifen hergestellt werden, etwa so, wieAbb. 176zeigt.

Abb. 176. Zeiger für das Hitzdrahtinstrument.

Das Stiftchen wird nun eingesetzt und die Schraubehsoweit angezogen, daßknicht herausfallen, sich aber noch leicht drehen kann. Dann wird ein Draht aus Nickelin (es kann auch Eisen, Platin, sogar Kupfer verwendet werden), dessen Dicke sich nach den zu messenden Stromstärken richten muß, an einem Ende mit einer Schleife versehen, hiermit in das Häkchenmeingehängt und, von vorn gesehen, einmal links herum umkgewunden und dann an der Klemme β befestigt. Der Draht muß so gespannt werden, daß der Zeigerlhorizontal liegt. Die Klemme α wird noch durch einen Kupferdraht mitcverbunden, wonach eine Skala, wie inAbb. 173zu sehen ist, aufbangebracht wird. Der Zeiger wird durch das Scheibchennaus Messing- oder Bleiblech so weit beschwert, daß der Draht straff gespannt ist. Die Drahtdicke muß sich, wie schon erwähnt, nach der Stromstärke richten. Für die Wechselströme, die die aufSeite 138 u. f.beschriebenen magnetelektrischen Maschinen liefern, wird ein 12 bis 15cmlanger (Strecke β biscAbb. 173), 0,1 bis 0,2mmstarker Nickelindraht richtig sein. Ist der Draht aus einem besser leitenden Metall, so muß er dünner und nötigenfalls auch länger sein.

Die Wirkungsweise des Instrumentes ist sehr einfach. Fließt durch den Draht ein Strom, so entwickelt sich infolge seines großen Widerstandes Joulesche Wärme (von der wir aufSeite 202sprachen); der Draht wird deshalb länger und läßt den Zeiger sinken.

Das Elektrodynamometer.

DasElektrodynamometerkönnen wir bei sorgfältiger Ausführung weit empfindlicher und genauer arbeitend herstellen als das Hitzdrahtinstrument. Es besteht aus einer festen und einer beweglichen Drahtspule. Da beide Spulen gleichzeitig vom Strome durchflossen werden, so wird die bewegliche immer nach der gleichen Seite hin abgelenkt, auch wenn sich die Stromrichtung umkehrt.

Abb. 177. Das Elektrodynamometer.

Abb. 177zeigt ein Elektrodynamometer von oben gesehen. Wir stellen aus Messingblech einen Rahmenaher, etwa 10cmlang, 2,5cmhoch und 1,5cmbreit. Dieser Rahmen wird mit etwa 20meines 0,7 bis 0,8mmstarken, isolierten Kupferdrahtes bewickelt. Je schwächer der zu messende Strom ist, desto dünner und länger muß der Draht sein. Ein zweiter Rahmenb, der in den ersten hineinpaßt, wird mit etwa 15mDraht bewickelt. In die Mitten der Langseiten werden bei beiden Rahmen 2mmweite Löcher gebohrt; auf diese Löcher werden bei dem größeren Rahmen (a) außen kurze Stückchen eines 3mmweiten Messingrohres aufgelötet, damit das Loch nicht von der Bewickelung verdeckt wird; bei dem kleineren Rahmen (b) wird durch die beiden ein 2mmstarkes Messingstäbchen als Achse gesteckt; letzteres soll ziemlich fest sitzen, aber in den Bohrungen vonasich leicht drehen können. Das eine Ende der Bewickelung vonbwird an der Achse angelötet; das andere Ende wird zu einem runden Blechscheibchencgeführt, das mit Schellackkitt (Seite 5) aufbbefestigt wird. Auf diesem Scheibchen liegt das eine Ende der Bewickelung vonaauf. Jetzt wird der größere Rahmen,wie aus der Abbildung zu sehen ist, auf ein senkrecht stehendes Brettdmit Schellackkitt aufgekittet. Die Klemme α wird mit dem noch freien Drahtende vona, die Klemme β mit einem an dem Rahmen vonaangelöteten Draht verbunden. Sollte der Rahmenbsich im indifferenten Gleichgewicht befinden, so muß er so beschwert werden, daß seine Längsachse in der Ruhelage lotrecht steht.

Wird das Instrument von einem Strome, sei es ein Gleich- oder ein Wechselstrom, durchflossen, so wird der Rahmenbaus seiner lotrechten Lage abgelenkt. Wir können an dem beweglichen Rahmen einen Zeiger und aufdeine Skala anbringen und das Instrument durch Vergleich mit einem anderen eichen; dabei müssen natürlich das zu eichende und das Vergleichsinstrument hintereinander geschaltet werden (siehe auchSeite 98).

Das im Anhang beschriebeneUniversalinstrumentist ebenfalls für Wechselströme verwendbar. Wir können uns, wenn uns der oben beschriebene Apparat zu einfach und das Universalinstrument zu umständlich ist, etwa in der Mitte zwischen beiden halten.

So können wir z. B. das oben beschriebene Instrument dadurch wesentlich verfeinern, daß wir die Lager der beweglichen Spule sorgfältiger herstellen, indem wir folgendermaßen verfahren: In die Mitten der Längsseiten der äußeren Spule wird, wie auch schon oben beschrieben, je ein Messingröhrchen eingesetzt. Nun darf aber die Achse der beweglichen Spule nicht in diesen Röhrchen gelagert sein, sondern muß freien Spielraum in ihnen haben und besonders gelagert werden. Zu diesem Zweck wird das Brettdso durchbohrt, daß das Loch eine Fortsetzung zu den durch die Messingröhrchen gebildeten Öffnungen in der äußeren Spule darstellt. Die Lagerung der Achse kann dann in der aufSeite 205beim Hitzdrahtinstrument beschriebenen Weise hergestellt werden; die Stromzuführung geschieht in dem Fall entweder durch zwei auf der Achse sitzende Schleifringe oder nach der im Anhange beim Universalinstrument beschriebenen Methode. Auch ist es besser, die innere Spule so zu gestalten, daß ihre Längsachse die größere Ausdehnung hat.

[5]Unter einem magnetischen Feld versteht man den von Kraftlinien durchdrungenen Raum in der Nähe eines Magneten.

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