28.Wärme aus mechanischer Arbeit.Wärme entsteht1bei der Reibung und beim unelastischen Stoss der Körper; bei diesen Vorgängen wird mechanische Arbeit verbraucht. Die Versuche haben gelehrt, das zur Erzeugung von 1 cal immer eine ganz bestimmte Arbeitsgrösse2von im Mittel3425 mkg nötig ist. Umgekehrt kann sich unter Umständen Wärme wieder in mechanische Arbeit umsetzen, wobei4man für je 1/425 cal eine Arbeitsleistung von 1 mkg erhält. Man nennt die Grösse 425 mkg das mechanische Aequivalent der Wärme, während 1/425 cal. das calorische Aequivalent der Arbeit ist.Beispiele von der Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit findet man in den Heissluftmotoren, bei welchen eine angesaugte und dann durch die Bewegung eines Kolbens verdichtete Luftmenge5erhitzt wird und bei der während der Erhitzung stattfindenden Ausdehnung einen zweiten Kolben vorwärts schiebt, welcher mittels Pleuelstange6und Kurbel7eine Welle8mit Schwungrad9in Bewegung setzt und so die von der erhitzten, sich ausdehnenden Luft abgegebene Arbeit an letztere abgiebt. Die Luftmenge kann dabei10bei11jedem Hub neu aufgesaugt werden (Ericson), oder die Maschine kann immer mit demselben Luftquantumarbeiten (Lehmann). Diese Maschinen müssen infolge der Schwierigkeit, die Wärme rasch der Luft zuzuführen, mit hohen Temperaturen der Heizflächen und darum ungünstig arbeiten. Günstiger ist daher der Motor von Hock, bei welchem die Arbeitsluft durch den Heizraum hindurchgeführt wird.Diese Maschinen bilden bis zu einem gewissen Grade den Uebergang12zu den weit vollkommeneren Gaskraftmaschinen, bei welchen ein explosives Gemisch von Luft und Leucht- oder Heizgas angesaugt, zusammengedrückt und dann entzündet wird. Das durch die rasche Verbrennung auf sehr hohen Druck gebrachte Gemenge von Stickstoff und den Verbrennungsprodukten des Gases treibt alsdann den Kolben wieder vorwärts und giebt dabei13an denselben Arbeit ab, welche auf eine Welle mit Schwungrad übertragen wird. Beim Rückgang des Kolbens werden die infolge der Ausdehnung stark abgekühlten Verbrennungsgase in die Luft hinausgetrieben. Dann wird wieder Gemisch angesaugt, komprimiert, entzündet etc., d. h. bei je zwei Hin- und Hergängen des Kolbens wird nur während eines Kolbenhubs14Arbeit geleistet (Viertaktmotor von Otto). Die Gaskraftmaschinen setzen15jetzt bis über 30 Prozent der gesammten bei der Verbrennung des Gases entstehenden Wärme in mechanische Arbeit um.29.Aehnlich ist die Wirkung der Dampfmaschine, bei welcher der in einem Dampfkessel erzeugte, hochgespannte und dann mehr oder weniger überhitzte Dampf ebenfalls in einen Zylinder1mit Kolben tritt und diesen vorwärts schiebt. Um die im Dampf enthaltene Energie möglichst auszunutzen, sperrt2die sogenannte Steuervorrichtung3denZutritt des frischen Dampfes aus dem Kessel nach etwa 1/10 bis 1/3 des Kolbenweges ab, und der Dampf dehnt sich dann weiter nahezu adiabatisch unter Abkühlung und Abnahme des Druckes aus, wobei4ihm aber durch Heizung der Zylinderwände etwas Wärme zugeführt werden muss, wenn keine Verdichtung eintreten soll. Der bis nahezu Atmosphärendruck ausgedehnte Dampf tritt dann entweder in die Luft aus oder er tritt in einen sogenannten Kondensator, worin er durch Abkühlung der Wandungen oder durch eingespritztes Wasser verdichtet wird. Hierbei4entsteht ein bis etwa 65 cm Quecksilbersäule niedrigerer5Druck, als der Atmosphärendruck beträgt; der auf Atmosphärendruck expandierte Dampf kann sich also noch weiter ausdehnen und dabei4Arbeit abgeben. Wegen der bei letzteren Maschinen notwendigen Pumpe zum Fortschaffen des Kondenswassers aus dem Kondensator geht6hierbei ein Teil Arbeit wieder verloren, der bei kleinen Maschinen grösser ausfallen7kann als der durch die Verdichtung erzielte Gewinn.Beträgt der Ueberdruck des Kesseldampfes nicht mehr als 6 Atm., so genügt für die Ausdehnung ein Zylinder. Bei 8 bis 10 Atm. Kesselüberdruck ist es aber vorteilhafter, die Expansion stufenweise auf 2 Zylinder, den Hochdruckzylinder mit kleinerem und den Niederdruckzylinder mit grösserem Durchmesser zu verteilen, während man für noch höheren Dampfdruck (12 bis 17 Atm.) die Expansion auf 3 und sogar 4 Zylinder verteilt. Da selbst in dem bei niederer Temperatur verdichteten Dampf noch sehr grosse Wärmemengen enthalten sind, hat man in neuester Zeit versucht, die Wärmeausnutzung der Dampfmaschine noch vollkommener zu gestalten, indem man8den Kondensator einer Wasserdampfmaschine als Heizapparat für einen mit Aether oder flüssiger schwefliger Säure gefüllten zweitenDampfkessel verwendete und mittels der schon bei niederer Temperatur hoch gespannten Dämpfe dieser Flüssigkeiten eine zweite mit der ersten mechanisch gekuppelte Dampfmaschine antrieb. Auf diese Weise hat man den Wirkungsgrad9der Dampfmaschine, der bei der Wasserdampfmaschine zusammen mit dem Kessel bis etwa 12 Prozent erreicht, auf 17 Prozent zu steigern vermocht. Aehnliche Vorteile hat man durch sehr starke Ueberhitzung des Dampfes erreicht.Bei den modernen Dampfturbinen, welche jetzt so weit vervollkommnet sind, dass ihr Wirkungsgrad denjenigen der Zweifachexpansionsmaschinen erreicht, lässt man den Dampf, ähnlich dem Wasser bei den Wasserturbinen, ausströmen und die mit grosser Geschwindigkeit austretenden Dampfstrahlen10auf ein Schaufelrad11drücken. Wegen der grossen Ausflussgeschwindigkeit des Dampfes muss auch, um einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen, die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrads sehr hoch sein.30.Mechanische Wärmetheorie.1. Ein grosses Quantum von Wärmeenergie ist immer einem ganz bestimmten Quantum mechanischer Energie äquivalent. Die Summe der beiden Energiearten1in einem gegen die Aussenwelt vollkommen abgeschlossenen Raume, in welchem sich beliebige2Umwandlungen der einen in die andere Energieform zutragen3, ist deshalb konstant. Dieser Satz heisst auch das Prinzip von der Erhaltung der Energie.2. Bei Kreisprozessen4vollziehen sich die Umwandlungen so, dass dabei die umgewandelte Wärme immer den Wärmequellen höherer Temperatur entnommen wird, während eine Ueberführung von Wärme aus einer Wärmequelle niedererTemperatur in eine höhere nur durch Aufwendung von mechanischer Arbeit oder einer anderen Energieform vollzogen werden kann, und bei jedem solchen Kreisprozess findet eine Vermehrung der Wärmeenergie auf Kosten der anderen Energieform statt.Am allgemeinsten5lässt sich der zweite Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie in der Form aussprechen: Nur solche Vorgänge vermögen mechanische Arbeit zu liefern, welche in der Natur von selbst sich vollziehen, wie z. B. der Uebergang von Wärme von höherer auf niedere Temperatur, das Herabsinken eines Gewichts von einem höheren auf ein tieferes Niveau6, der Uebergang der Elektrizität von einem höheren auf ein tieferes Potentialniveau etc. Da Wärme auftritt, wenn Arbeit, d. h. Bewegung von Massen, verschwindet, und da umgekehrt Wärme in Arbeit übergeführt werden kann, so fasst7man gegenwärtig die Wärme selbst als eine Art von Massenbewegung auf, bei der jedoch die Körper nicht als Ganzes, sondern nur ihre Moleküle gegeneinander in Bewegung begriffen8sind. Keine Wärme9würde demnach ein Körper enthalten, wenn seine Moleküle gegeneinander in Ruhe wären; dieser Zustand wäre dann derjenige, welcher dem absoluten Nullpunkt der Temperatur entspricht.Der Magnetismus.Ein Magnet zieht10ein ihm nahe gebrachtes Eisenstück an, wird gleichzeitig aber auch von diesem Eisenstück mit gleicher Kraft angezogen.Nähert man zwei Magnetpole einander, so beobachtet man nur dann Anziehung, wenn der eine ein Nordpol, der andere ein Südpol ist, oder wenn beide ungleichnamig sind. Dagegen11stossen12sich zwei Nordpole oder zwei Südpole, d. h. gleichnamige Pole, gegenseitig ab.Die Kraft, welche zwischen zwei Magnetpolen zur Wirkung kommt, ist umgekehrt proportional dem Quadrat ihres gegenseitigen Abstandes.Die Einheit der Polstärke ist ein solcher Magnetpol, dessen Stärke so gross ist, dass wenn er in die Entfernung von 1 cm von einem ähnlichen Magnetpol von gleicher Stärke gestellt wird, denselben mit der absoluten Einheit der Kraft abstösst. Diese absolute Einheit der Kraft ist die Dyne, welche der Masse von 1 g die Geschwindigkeit von 1 cm in der Sekunde mitteilt.31.In vielen Fällen ist der Magnetismus eines magnetisierten Stahlstabes hauptsächlich nur auf dessen Oberfläche vorhanden. Man hat dies dadurch1nachgewiesen, dass man einen kurzen Magnetstab in Säure legte, so dass allmählig die äusseren Schichten des Metalles aufgelöst wurden. Es stellte sich dabei heraus,2dass nach der so herbeigeführten Beseitigung einer verhältnissmässig dünnen Stahlschicht der Magnetismus des Stabes fast gänzlich verschwunden war. Ferner verfuhr man in gleicher Hinsicht3so, dass man ein kurzes, verhältnissmässig dünnwandiges Stahlrohr und einen nach Länge und Durchmesser gleichen Stahlstab gleich stark magnetisierte. Es zeigte sich dann, dass das Stahlrohr fast dieselbe magnetische Kraft besass, wie der volle Magnetstab. Nur bei langen und verhältnismässig dünnen Stäben dringt der Magnetismus vollständig in das Material ein.Zerbricht man einen Magnetstab, so bilden die Bruchstücke wiederum vollständige Magnete, mit je zwei entgegengesetzten Polen. Denken wir uns diese Teilung so lange fortgesetzt, bis wir den Stab in seine Moleküle zerteilt haben, so werden wir annehmen dürfen, dass auch letztere vollständige Magnete darstellen4werden.Wir stellen in betreff der Konstitution eines magnetischen Körpers die Hypothese auf, dass die Moleküle schon vor der Magnetisierung vollständige Magnete sind, welche aber im natürlichen Zustand infolge der gegenseitigen Anziehung sich so lagern5, dass sich ihre Wirkungen nach aussen gegenseitig aufheben.6Beim Magnetisieren werden dieselben durch einen äusseren Zwang in gleiche Richtung gedreht, so dass sich nun ihre Wirkungen nach aussen summieren.Diese Hypothese wird durch folgenden Versuch gestützt. Man füllt ein Glasrohr mitStahlfeilspänen, verkorkt beide Enden und schüttelt um; das Rohr erscheint nicht magnetisch. Nun magnetisiert man dasselbe, wodurch es die Eigenschaften eines künstlichen Magnets annimmt. Schüttelt man das Rohr hierauf wieder kräftig um, so erscheint es wieder gänzlich unmagnetisch, obgleich die einzelnen Stahlspänchen permanente Magnete geblieben sind.Wenn es möglich wäre, einen einzelnen Magnetpol, losgelöst von jeder materiellen Masse, herzustellen7, so würde derselbe, in die Nähe eines Magnets gebracht, durch die auf ihn ausgeübte Kraft in Bewegung gesetzt werden. Da er kein Beharrungsvermögen8besässe, würde er sich in jedem Augenblick genau in der Richtung der auf ihn wirkenden Kraft bewegen, also Bahnen beschreiben, deren Tangente in jedem Punkte der Umgebung des Magnets die Richtung der daselbst wirkenden magnetischen Kraft angeben würden. Nach Faraday nennen wir die Umgebung eines Magnets, in welcher dessen Kraftwirkungen erfolgen, das magnetische Feld, und die soeben definierten Linien, die Kraftlinien des Felds. Bringt man eine kleine Magnetnadel in das magnetische Feld, so werden ihre beiden Pole von entgegengesetzten Kräften angegriffen, weshalb die Nadelsich in die Richtung der durch ihren Mittelpunkt gehenden Kraftlinie einstellen9muss.Diese Kraftlinien haben wir uns als geschlossene Kurven vorzustellen,10welche zum Teil ausserhalb, zum Teil aber innerhalb des Magnets verlaufen. Dieselben können auch ganz innerhalb des Magnets liegen.32.Die Elektrizität.Die zwischen zwei punktförmigen Elektrizitätsmengen wirkende Kraft ist dem Produkt aus den Mengen direkt, dem Quadrat ihrer Entfernung umgekehrt proportional und fällt der Richtung nach1in die gerade Verbindungslinie der beiden elektrischen Massenpunkte.Nähert man einem unelektrischen isolierten Leiter2einen elektrischen Körper, so wird ersterer elektrisch, und zwar3ist die Elektrizität an dem Ende, welches dem genäherten Körper zugewendet ist, die entgegengesetzte, während sich am abgewandten Ende gleichnamige Elektrizität sammelt. Entfernt man den elektrischen Körper, so vereinigen sich beide Elektrizitäten wieder, und der Leiter erscheint unelektrisch, woraus zu schliessen ist,4dass von beiden Elektrizitäten gleichgrosse Mengen vorhanden waren.Man nennt diese Trennung der Elektrizitäten in einem Leiter durch Annäherung eines elektrischen Körpers Influenz, Verteilung oder elektrostatische Induction.Wenn man in eine leitende Flüssigkeit, z. B. eine Salzlösung, zwei verschiedene Metalle eintaucht, von denen man das eine zur Erde ableitet, so wird das nicht abgeleitete Metall elektrisch. Wird hierbei das erste Metall, wenn das zweite abgeleitet ist, positiv, so wird das zweite bei Ableitung desersten ebenso stark negativ. Das abgeleitete Metall besitzt immer das Potential oder die Spannung 0; also5besteht zwischen beiden Metallen ein Spannungsunterschied. Dieser entsteht dadurch, dass an den Berührungsstellen6der verschiedenen Körper eine Trennung der Elektrizitäten stattfindet. Die hier auftretenden Spannungen sind sehr viel geringer als diejenigen bei der Reibung.Bringt man verschiedene Metalle paarweise in eine Flüssigkeit, so werden immer diejenigen Metalle am stärksten negativ, welche von der Flüssigkeit am stärksten angegriffen werden.Der Spannungsunterschied wird in einer Einheit gemessen, welche den Namen 1 Volt (1 V) führt und welche numerisch sehr nahe gleich dem 300. Teil7der absoluten elektrostatischen Einheit der Spannung oder des Potentials. In Volt gemessen ist im Wasser der Spannungsunterschied zwischen Zink und Kupfer 0,78 V, zwischen Zink und Platin 1,05 V.Eine solche Anordnung von zwei Metallen in einer Flüssigkeit heisst ein galvanisches oder Voltasches Element oder eine einfache galvanische Kette. Verbindet man die beiden Pole durch einen Leiter, so fliesst infolge des fortdauernd bestehenden Spannungsunterschieds zwischen seinen Enden in diesem Leiter +E vom +Pol nach dem -Pol, während sich die -E in der umgekehrten Richtung bewegt. Da an den Berührungsstellen fortwährend neue Elektrizitätsmengen geschieden werden, so erhält man in dem Leiter einen ununterbrochenen elektrischen Strom. Den Leiter nennt man den Schliessungsbogen.833.Man versteht unter Stromstärke die Elektrizitätsmenge, welche in der Zeiteinheit1durch einen Querschnitt2desSchliessungsbogens hindurchfliesst. Als technische Einheit der Stromstärke dient 1 Ampère (1 A); die3bei dieser Stromstärke durch jeden Querschnitt des Schliessungsbogens in 1 Sekunde hindurchfliessende Elektrizitätsmenge heisst 1 Coulomb (1Cb) und dient in der Elektrotechnik als Einheit der Elektrizitätsmenge. Numerisch ist 1 Cb=3.109absolute elektrostatische Einheiten.Da die Stromabgabe4eines einzelnen Elementes verhältnismässig schwach ist, so werden für viele Zwecke eine mehr oder minder grosse Zahl von Elementen gleicher Art zu Batterien, entweder mit Bezug auf5die Vergrösserung der in einer gewissen Zeit abzugebenden Elektrizitätsmenge, oder mit Bezug auf die Erhöhung der Potentialdifferenz, oder auch mit Bezug auf beide Arten der Wirkungserhöhung, miteinander verbunden. Die Vergrösserung der Elektrizitätsmenge ist allerdings auch durch entsprechende Vergrösserung der wirksamen6Metallflächen in einem Elemente zu erreichen, jedoch wird dann sehr bald eine Grenze gefunden, wo die Elemente durch ihre Grösse unbequem werden. Man wählt alsdann zu gleichem Zwecke die Schaltung7auf Quantität oder Parallelschaltung, wobei die gleichnamigen Pole, z. B. einerseits die Pole der Zinkplatten und andrerseits die der Kupferplatten miteinander durch einen Leiter von entsprechend grossem Querschnitt verbunden werden. Soll8dagegen eine Erhöhung der Potentialdifferenz herbeigeführt werden, welche von der Flächengrösse der Platten unabhängig ist, indem9sie nur durch die physikalische Natur der Elektroden und des Elektrolyten bedingt wird, so ist die Schaltung auf Spannung, oder Hintereinanderschaltung, oder auch Reihenschaltung genannt, zu wählen. Hierbei werden von Element zu Elementimmer die entgegengesetzten Pole, z. B. die Pole der Zink- und Kupferplatten miteinander verbunden.Die Akkumulatoren.Der Akkumulator10von Planté besteht aus zwei Bleiplatten in verdünnter Schwefelsäure. Schickt man einen Strom durch ein solches Element hindurch, so reduziert der an der negativen Bleielektrode auftretende Wasserstoff etwa11vorhandenes Bleioxyd zu metallischem Blei, während sich der Sauerstoff an der positiven Platte mit dem Blei zu Bleisuperoxyd12verbindet. Hat man so den Akkumulator geladen, so erhält man aus demselben, wenn man die beiden Bleiplatten mit einem Leiter verbindet, in letzterem einen Strom, der von der oxydierten Bleiplatte zur metallischen geht. Derselbe dauert so lange an, bis sich sowohl13das Bleioxyd durch den Wasserstoff, wie auch das metallische Blei durch den Sauerstoff in Bleioxyd umgewandelt hat, welches sich mit der vorhandenen Schwefelsäure verbindet. Dieses nennt man die Entladung des Akkumulators. Bei einer neuen Ladung wird alsdann das schwefelsaure Blei14in metallisches Blei am negativen und Bleisuperoxyd am positiven Pol, und in Schwefelsäure umgewandelt. Die E. M. K.15eines solchen Elements beträgt anfangs etwas über 2 V, sinkt aber während der Entladung langsam auf etwa 1,8 V und nimmt dann sehr rasch ab. Beim Gebrauch setzt man daher die Entladung nur so lange fort, bis die E. M. K. ziemlich auf 1,8 V gesunken ist.Um mehr oxydations- bezw.16reduktionsfähiges Material zu erhalten, bedeckte Faure die Bleiplatten mit Mennigeschichten17. Man kann auch Gitter18von Blei herstellen und die Zwischenräume mit Bleiverbindungen ausstopfen.Man berechnet die Leistungsfähigkeit eines Akkumulators nach Ampèrestunden. Ein Akkumulator von 100 Ampèrestunden Kapazität vermag z. B. 100 Stunden lang einen Strom von 1 A oder 5 Stunden lang einen solchen von 20 A etc. zu liefern. Da der in 1 Stunde von 1 A entwickelte Sauerstoff 3,86 g Blei in Bleioxyd (PbO) verwandelt, so müssen mindestens 386 g oxydierbares Blei vorhanden sein. Uebrigens ist die Kapazität eines Akkumulators bei langsamer Entladung grösser als bei rascher, so dass einer der 10 Stunden lang 10 A liefern kann, 20 A nur etwa 4 Stunden lang zu liefern vermag.34.Die elektrischen Strommaschinen.Die zur Erzeugung von elektrischen Strömen dienenden Maschinen, welche gewöhnlich als Dynamomaschinen oder Dynamos bezeichnet werden, unterscheiden1sich als Gleichstrom-2und Wechselstrommaschinen3und beruhen auf der von Faraday entdeckten Erregung4, Influenz oder Induction elektrischer Ströme in Drähten mittels magnetischer Einwirkung. Bei den ersten Maschinen dieser Art fand die Erregung der Ströme durch Dauermagnete5(stählerne Hufeisenmagnete) statt, vor deren Polen ein mit zwei Drahtspulen versehener Anker6in rasche Umdrehung versetzt werden konnte. In der Clarkeschen Maschine wurden in den dicht bei den beiden Magnetpolen vorübergehenden Ankerschenkeln7bei jeder vollen Umdrehung zwei Polwechsel8herbeigeführt und dadurch in den beiden Drahtspulen entsprechend starke entgegengesetzte, aber in gleicher Richtung durch beide Spulen fliessende elektrische Ströme induziert, so dass also der Anker bei einer halben Umdrehung einen Strom in der einen Richtung und bei der nächsten halben Umdrehung einen Strom in der entgegengesetzten Richtung in seiner Bewickelung erzeugt. Clarke verbesserte seine Maschinenoch durch Anbringung9eines Stromwenders10, um einen Strom in gleicher Richtung im äusseren Stromkreise zu erhalten. Diese Vorrichtung11besteht aus einem auf die Ankerwelle aufgesteckten Zylinder aus isolierendem Material (Holz, Ebonit u. dergl.12), auf dem zwei metallene Sektoren einander gegenüberstehen, aber von einander isoliert befestigt sind und dabei über den Umfang des isolierenden Zylinders etwas emporstehen. Auf jedem dieser beiden Metallsektoren oder Segmenten schleift eine aus Kupferdraht oder schmalen übereinandergelegten Kupferblechstreifen13gebildete elastische sogenannte Bürste. Beide Bürsten sind auf einer isolierenden Grundplatte befestigt und durch geeignete Klemmen14mit Leitern verbunden.Ein wesentlicher Fortschritt war die Einführung des Siemensschen Doppel-T-Ankers. Dieser besteht aus einem weichen Eisenkern15von zylindrischer Form, in welchen beiderseits eine breite Nut16eingefrässt17ist, die zur Aufnahme des isolierten Bewickelungsdrahtes dient, so dass die Windungen parallel zur Achse des Ankerzylinders liegen. Die in diesen Windungen bei Umdrehung des Ankers induzierten Ströme werden durch einen auf der Achse sitzenden Stromwender gleich gerichtet.Die permanenten Stahlmagnete wurden zuerst von Wilde durch Elektromagnete ersetzt. In 1867 wurde von Siemens und fast gleichzeitig auch von Wheatstone das sogenannte dynamoelektrische Prinzip entdeckt, welches darauf beruht, dass eine geringe Spur von Magnetismus im Eisen der Feldmagnete zur Selbsterregung der Magnete hinreichend ist, indem die18zuerst dem geringen Magnetismus entsprechenden schwachen induzierten elektrischen Ströme des Ankers, in die Bewickelung der Magnete geleitet, diesen Magnetismus verstärken, wodurch dann wieder die in der Ankerbewicklung erregten Ströme verstärkt werden, so dass diese alsdann den Magnetismus wieder verstärken und so fort bis die volle Wirkung der Maschine erreicht wird.35.Die Gramme Maschine.Zwischen den Polschuhen des den Feldmagneten bildenden Elektromagneten ist der1aus einem2mit isoliertem Kupferdraht bewickelten Eisenring bestehende Anker auf einer drehbaren Welle3angebracht. In der Kupferdrahtbewickelung dieses ringförmigen Eisenkerns werden bei der Bewegung durch das magnetische Kraftfeld elektrische Ströme induziert, wobei4der Eisenkern durch Influenz magnetisiert wird und die Verdichtung der magnetischen Kraftlinien, sowie die daraus entstehende Verstärkung des magnetischen Feldes stattfindet.Ursprünglich war Gramme von dem Gedanken ausgegangen, den durch den Einfluss des Feldmagneten magnetisierten Eisenring in der Drahtspirale oder die Drahtspirale um den magnetisierten Eisenring rotieren zu lassen. Der5praktischen Ausführung dieser Idee stellten sich jedoch unüberwindliche Schwierigkeiten entgegen, so dass der Erfinder den Eisenring einfach mit isoliertem Drahte bewickelte und in geeigneter Weise auf der Welle befestigte und so den ganzen Anker vor den Polen des Feldmagneten rotieren liess. In der Tat6wurde dadurch dieselbe, von ihm wohl7nicht vorhergesehene Wirkung erzielt, als wenn der Eisenkern oder die Drahtspirale für sich allein rotierten. Durch die Einwirkung der Pole des Feldmagneten werden nämlich8auch in dem rotierenden Ringe zwei feststehende entgegengesetzte Pole erzeugt, indem9durch die magnetische Influenzierung des Eisenringes dem Nordpole des Feldmagneten gegenüber ein Südpol und dem Südpole des Feldmagneten gegenüber ein Nordpol im Eisenringe entsteht; allerdings10werden dabei fortwährend neue Eisenteilchen im rotierenden Ringe veränderlich magnetisiert und es ist deshalb erforderlich, das Material des Ringes so einzurichten, dass die fortwährend rasche Aenderung des Magnetismus der Teilchen möglichst erleichtert wird.Die Bewickelung des Feldmagneten ist einfach eine Fortsetzung der Ankerbewickelung und die Erregung des Feldmagneten wird durch den von der Ankerbewickelung ausgehenden Hauptstrom bewirkt. Man bezeichnet diese Bewickelung, bei welcher Anker und Feldmagnet hintereinander geschaltet sind, als die Reihen- oder Serienbewickelung11im Gegensatz zu der Nebenschlussbewickelung.12Um die von der Maschine verlangte Leistung13mit einer geringeren Umdrehungszahl zu erreichen, hat man mehrpolige Maschinen hergestellt, bei denen das Magnetfeld von vier, sechs, acht und mehr Polen gebildet wird, wobei Nord- und Südpol abwechselnd in dem sie verbindenden polygonalen oder kreisrunden Eisengestell14angeordnet sind.36.Wechselstrommaschinen.Obschon alle elektrischen Strommaschinen nur Wechselströme erzeugen können, weil die magnet-elektrische Induktion nur durch wechselnde Wirkung zwischen magnetischer Kraft und elektrischen Leitern hervorgebracht werden kann, so unterscheidet man doch neben den durch Anbringung eines Stromwenders hergestellten Gleichstrommaschinen noch die eigentlichen1Wechselstrommaschinen, welche die durch Induktion erzeugten Wechselströme direkt in den äusseren Stromkreis2zur Benutzung abgeben3. Die Wechselstrommaschinen bedürfen4daher nicht des kostspieligen und sorgsam zu überwachenden Kommutators, der mit seinen Schleifbürsten leicht der Abnutzung unterliegt5und zu Betriebsstörungen6Anlass geben kann, sobald die Bedienung der Maschine nachlässig ist. Anstatt des Stromwenders sind die Wechselstrommaschinen nur mit dauerhaften Schleifbürsten versehen, von denen der Strom abgenommen wird. Sie können auch mit feststehendem Anker eingerichtet werden, so dass die hochgespannten Wechselströme direkt von den festen Klemmen7in die Leitung übergehen.In ihrem Aufbau sind demnach die Wechselstrommaschinen viel einfacher als die Gleichstrommaschinen. Sie sind zur Erzeugung von Strömen bis zu 10000 Volt Spannung zu benutzen, während man bei den Gleichstrommaschinen nur ausnahmsweise die Spannung höher als etwa 500 Volt treibt. Da durch die Wechselströme nicht das erforderliche konstante Magnetfeld hergestellt werden kann, so muss dies durch eine besondere, aber verhältnismässig kleine Gleichstrommaschine geschehen, die als Erregermaschine bezeichnet wird. Zuweilen hat man auch diese direkt mit der Wechselstrommaschine verbunden, indem8man mittels eines auf deren Welle aufgesetzten Kommutators einen entsprechenden Teil des erzeugten Wechselstroms in Gleichstrom verwandelt.Zu den Wechselstrommaschinen gehören auch die Drehstrommaschinen9, welche drei in ihrer Schwingungsphase gegenseitig um 120° verschobene Wechselströme erzeugen (Dreiphasenmotor).Transformatoren.Wichtige Nebenapparate10und Ergänzungsmittel11der Wechselstrommaschinen sind die Transformatoren. Dieselben beruhen auf der Wirkung der magnetelektrischen Induktion, welche durch Wechselströme hervorgerufen wird, so dass der erzeugte Magnetismus imEisen rasch abwechselnd umgekehrt wird. Um diese rasche Umkehrung ohne zu grosse Verluste (Hysteresis und Wirbelströme12) herbeizuführen, müssen die Eisenkerne der Transformatoren aus dünnen (kaum 0,5 mm dicken) Eisenblechen mit isolierenden Zwischenlagen von paraffiniertem Papier etc. hergestellt werden. Zur Magnetisierung des Eisenkerns dient die Primärbewickelung desselben, und durch die abwechselnde Magnetisierung des Eisenkerns wird die Sekundarbewickelung desselben induziert und dadurch der transformierte Wechselstrom erzeugt. Man hat es dabei in der Gewalt, die Spannung des Sekundarstroms zu erhöhen und somit die Stromstärke entsprechend zu erniedrigen, oder die Spannung zu erniedrigen und die Stromstärke entsprechend zu erhöhen.Man unterscheidet Kerntransformatoren13und Manteltransformatoren. Bei ersteren ist der Eisenkern von der Drahtbewickelung beziehungsweise den Drahtspulen umgeben; bei letzteren sind die Drahtspulen innerhalb des rahmenartigen Eisengestells untergebracht.1437.Elektrische Lichtanlagen.1Die Starkstromleitungen2für Licht- und Kraftbetrieb3werden, in der Regel4, wenigstens innerhalb der Städte, als Untergrundleitungen in der Form von Bleikabeln angelegt, durch welche die Hauptleitungen gebildet werden, die sich nach den Häusern in dünneren Leitungen abzweigen. Diese Kabel enthalten eine grössere Anzahl verseilter5starker6Kupferdrähte, die in ihrer Gesammtheit7nach aussen durch Umspinnung mit Jute und Umwickelung mit Isolierband8gegen Stromverlust möglichst gesichert, sowie durch eine die Isolationsmasse umgebende dichte Bleiumhüllung gegen Feuchtigkeit geschütztsind. Um die Verletzung der Bleihülle bei Strassenumwühlungen9zu verhüten, ist meist noch eine Armierung10von Bandeisen oder Eisendraht vorhanden. Die Verbindung der Kabel untereinander, sowie die Abzweigstellen der Nebenleitungen, werden durch gusseiserne Muffen11bewirkt. Um die Anschlussstellen12behufs Nachsehen, Reparaturen und Neuanschlüssen leicht zugängig zu machen, sind Anschlusskästchen und Anschlussgruben13, die mit abnehmbaren Deckeln geschlossen werden, vorhanden. Ueberall, wo schwächere Leitungen den Strom aus stärkeren Leitungen aufzunehmen haben, sind Schmelzsicherungen14angebracht, um zu verhüten, dass bei zufälligem Wechsel zwischen den Hauptleitungen ein zu starker Strom in die schwächeren Leitungen einträte und diese zum Glühen und Schmelzen brächte. Insbesondere sind solche Schmelzsicherungen, die bei dem Eintritt einer gewissen Stromstärke die Leitungen unterbrechen, an den Stellen, wo die Leitungen in die Häuser eingeführt werden, unbedingt erforderlich, um Feuers- und Lebensgefahr zu verhüten. Auch in den Hausleitungen selbst sind die einzelnen Lampen oder Lampengruppen mittels solcher Schmelzsicherungen zu schützen. In den Hausanlagen selbst werden die Leitungen, die in der Regel durch Umspinnung mit Baumwolle isoliert sind, mittels kleiner isolierender Porzellanrollen an Wänden und Decken befestigt oder durch isolierende Röhren aus Karton15oder Hartgummi unterhalb des Wandverputzes16und durch die Wände selbst von einem Raume in den andern geführt.Zum Aus- und Einschalten17der Lampen und anderer elektrischer Apparate werden Schalter18von verschiedenen Formen und Einrichtungen benutzt. Ausser diesen sind noch die Umschalter19zu erwähnen, welche dazu dienen, den Strom in einer Leitung auszuschalten und dabei gleichzeitigdafür in eine andere Leitung überzuführen oder seine Richtung umzukehren. Diese Apparate sind mit zwei gegenüberstehenden Kontaktsystemen versehen, so dass der Hebel beim Umlegen das eine Kontaktsystem aus- und dafür das andere einschaltet.38.Die elektrische Kraftübertragung.Der Gleichstrommotor1kann bei geeigneter Konstruktion mit einem sehr hohen Wirkungsgrade2hergestellt werden, der selbst bei den kleinsten Motoren etwa 56 Prozent der zugeführten elektrischen Kraft und bei grösseren Motoren mindestens 85 Prozent beträgt. Indessen ist bei diesem Motor der Stromwender3ein ziemlich empfindlicher Teil, der4mit Sorgfalt zu behandeln ist und durch Funkensprühen5leicht zu Störungen Anlass geben6kann, ja sogar seine Anwendung an solchen Orten, wo leicht entzündliche Stoffe vorhanden sind, wie z. B. in Steinkohlengruben7mit häufig vorkommenden schlagenden Wettern8, verbietet. Auch ist der Gleichstrom für Fernleitung wegen der verhältnismässig sehr geringen Spannung9, mit welcher er zu erzeugen ist, nicht anwendbar, weil er für die Uebertragung grösserer Kraftleistungen starke Querschnitte10der Leitung verlangt, wodurch die Anlage zu kostspielig wird. Man hat unter diesen Umständen hochgespannte Wechselströme zu benutzen. Der einfache Wechselstrom ist jedoch insofern unbequem11, als er zur Erregung seines Magnetfeldes einen Gleichstrom braucht und daher zu dessen Erzeugung einer besonderen Maschine bedarf. Ferner kann auch ein solcher Motor nicht von selber angehen12, sondern muss zuerst in der gewünschten Richtung in Umdrehung versetzt werden, bis er eine13der Stromwechselzahl und seiner eigenen Einrichtung entsprechende Geschwindigkeit angenommen hat, bevor er seine Arbeit verrichten kann; denn wird er bei zu geringer Geschwindigkeit belastet, so kommt er alsbald wieder zum Stillstand. Ueberhaupt14muss er, um arbeitsfähig zu sein, in den15durch seine Ankerdrehung unter der Einwirkung seines Magnetfeldes hervorgerufenen Stromwechseln mit der den Strom ihm liefernden Wechselstrommaschine übereinstimmen16. Man nennt daher den einfachen oder einphasigen Wechselstrommotor auch synchronen Motor.Um diesem Uebelstand abzuhelfen, brachte man, anstatt des17bei dem einphasigen Wechselstrommotor vorhandenen, einfach hin und her schwingenden Magnetfeldes, ein rotierendes Magnetfeld zur Wirkung. So entstand der Dreiphasenmotor oder eigentlich Drehstrommotor, bei welchem die Leitung nur drei Drähte erfordert und dessen Drehfeld als praktisch ganz gleichmässig anzusehen ist, weil die Winkelgeschwindigkeit des Motors keinen merklichen Schwankungen unterliegt18. Da derartige19Motoren von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Generators ganz unabhängig ihre Arbeit verrichten, so nennt man sie auch asynchrone20Motoren.39.CHEMIE.Die Chemie ist die Lehre von den Eigenschaften1und Umwandlungen2der Elemente der Natur und von ihren Verbindungen. Sowohl die Elemente wie ihre Verbindungen nennt man Stoffe3. Man kann daher die Chemie auch als die Lehre von den Stoffen, ihren Eigenschaften und Umwandlungen bezeichnen.Elemente der Natur oder chemische Grundstoffe4nennt man diejenigen Stoffe, welche wir bis jetzt nicht in andereStoffe zu spalten oder zu zerlegen vermögen und daher als chemisch einfach oder unzersetzbar betrachten, ohne dass5mit Bestimmtheit gesagt werden kann, dass sie wirklich unzersetzbar sind. Aus den chemischen Grundstoffen baut sich die ganze körperliche Welt vom einfachen Mineral bis zur Pflanze und dem Tier auf.Jedes Element besitzt eigenthümliche Merkmale6, die man teils physikalische, teils chemische Eigenschaften oder chemisches Verhalten7nennt.Die physikalischen Eigenschaften beziehen sich hauptsächlich auf den Aggregatzustand und alles damit Zusammenhängende.Unter dem Aggregatzustande der Stoffe versteht man die Eigenschaft derselben, je nach den auf sie einwirkenden Druck- und Temperaturverhältnissen8, entweder den luftförmigen (gasförmigen) oder den flüssigen oder den festen Zustand anzunehmen.Im gasförmigen Zustande nimmt9die Materie den grössten Raum ein, besitzt keinen Zusammenhang, und vermag daher keine selbstständige Form oder Gestalt anzunehmen, sondern erfüllt jeden Raum, den man ihr bietet, vollständig. Lässt10man in einen mit einem Gase erfüllten Raum ein zweites Gas einströmen, so verbreitet sich letzteres allmählig (vorausgesetzt dass die Gase nicht chemisch auf einander einwirken) in dem Raume ebenso gleichmässig, wie wenn kein anderes Gas vorhanden wäre. Man nennt dies die Diffusion der Gase. In der atmosphärischen Luft sind Sauerstoff- und Stickstoffgas11mit einander diffundiert.Nach Boyle vermindert sich bei12allen Gasen der Raum, den ein Gas einnimmt, im umgekehrten Verhältnis zum Druck. Lässt man z. B. auf ein Gas, das einen Raum von 100 l erfüllt, einen doppelten Druck wirken, so wird dadurchdas Gas auf sein halbes Volumen, also auf 50 l, zusammengepresst.Nach Gay-Lussac dehnen sich alle Gase bei gleicher Temperaturzunahme im gleichen Verhältnisse aus und umgekehrt; oder, wenn man ihnen die Ausdehnung nicht gestattet, so erhöht sich der Druck, den die Gase auf die Wandungen des sie umschliessenden Gefässes ausüben, bei allen Gasen im gleichen Verhältnis zur Temperaturzunahme und umgekehrt. Der Wert, um13welchen sich die Gase bei gleichbleibendem Druck für je 1° C. der Zunahme oder Abnahme der Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen, der sogenannte Ausdehnungskoefficient, ist 0,00367 oder 1/273 des ursprünglichen Volumens. Diese Gesetze haben sich bei späteren Prüfungen nicht als ganz, sondern nur als annähernd richtig erwiesen.Durch geeignete Mittel kann ein Gas in eine Flüssigkeit, eine Flüssigkeit in ein Gas, oder ein fester Körper zuerst in eine Flüssigkeit und diese in ein Gas verwandelt werden.40.Alle Gase lassen1sich, die einen leichter2, die anderen schwieriger2, in den flüssigen Zustand überführen (verdichten, verflüssigen), wenn man sie unter genügender Abkühlung einem genügend hohen Drucke unterwirft.Erhitzt man eine flüchtige Flüssigkeit, so beginnt sie bei einer bestimmten3Temperatur, welche man ihren Siedepunkt nennt, oft unter lebhafter Bewegung Dampfblasen zu entwickeln, zu sieden, und dabei4in den dampfförmigen Zustand überzugehen. Das Sieden hängt davon ab5, dass die sich aus der Flüssigkeit entwickelnden6Dämpfe eine genügende Spannung7(Dampfdruck) besitzen, um den auf der Oberfläche der Flüssigkeit wirkenden Druck (z. B. den Luftdruck) zu überwinden, also8unter Verdrängung derLuft von der Flüssigkeit emporsteigen zu können. Je grösser der auf die Flüssigkeit wirkende Druck ist, desto höhere Temperatur ist nötig, um dieselbe zum Sieden zu bringen. Bei normalem Luftdruck von 760 mm Quecksilbersäule des Barometers siedet das Wasser bei 100° und entwickelt dabei Wasserdampf von 1 Atm. Spannung oder Dampfdruck. Bei halbem Luftdruck oder 380 mm Quecksilbersäule siedet das Wasser schon bei 82°; bei 1/4 Luftdruck schon bei 66°. Dementsprechend9vermindert sich auch der Druck der aufsteigenden Dämpfe auf 1/2 und 1/4 Atmosphären. Bei verdoppeltem Druck steigt der Siedepunkt des Wassers auf 121°; bei 3 Atm. Druck auf 135°.Um die Siedepunkte verschiedener Flüssigkeiten miteinander vergleichen zu können, bezieht10man dieselben immer auf den gewöhnlichen Luftdruck von 760 mm.Für viele Flüssigkeiten ist der Siedepunkt ein gutes Merkmal11zu ihrer Erkennung12und ein Mittel zu ihrer Reindarstellung13durch Destillation aus Mischungen mit anderen Flüssigkeiten.Eine besondere Art der Verflüssigung erleiden die Gase durch ihre Eigenschaft, sich in verschiedenen Flüssigkeiten zu lösen, dabei von der Flüssigkeit aufgenommen (absorbiert) zu werden und damit ein homogenes flüssiges Gemenge zu bilden. Die Löslichkeit der Gase in Wasser z. B. ist sehr verschieden. 1 Vol. Wasser von 0° C. und 760 mm Druck löst 0,04 Vol. Sauerstoff, 1,8 Vol. Kohlensäure14, 4,4 Volumina Schwefelwasserstoff15, 525 Vol. Chlorwasserstoff16und sogar 1148 Vol. Ammoniakgas. Bei steigender Temperatur sowie bei Druckverminderung nimmt17die Löslichkeit ab.
Wärme aus mechanischer Arbeit.Wärme entsteht1bei der Reibung und beim unelastischen Stoss der Körper; bei diesen Vorgängen wird mechanische Arbeit verbraucht. Die Versuche haben gelehrt, das zur Erzeugung von 1 cal immer eine ganz bestimmte Arbeitsgrösse2von im Mittel3425 mkg nötig ist. Umgekehrt kann sich unter Umständen Wärme wieder in mechanische Arbeit umsetzen, wobei4man für je 1/425 cal eine Arbeitsleistung von 1 mkg erhält. Man nennt die Grösse 425 mkg das mechanische Aequivalent der Wärme, während 1/425 cal. das calorische Aequivalent der Arbeit ist.
Beispiele von der Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit findet man in den Heissluftmotoren, bei welchen eine angesaugte und dann durch die Bewegung eines Kolbens verdichtete Luftmenge5erhitzt wird und bei der während der Erhitzung stattfindenden Ausdehnung einen zweiten Kolben vorwärts schiebt, welcher mittels Pleuelstange6und Kurbel7eine Welle8mit Schwungrad9in Bewegung setzt und so die von der erhitzten, sich ausdehnenden Luft abgegebene Arbeit an letztere abgiebt. Die Luftmenge kann dabei10bei11jedem Hub neu aufgesaugt werden (Ericson), oder die Maschine kann immer mit demselben Luftquantumarbeiten (Lehmann). Diese Maschinen müssen infolge der Schwierigkeit, die Wärme rasch der Luft zuzuführen, mit hohen Temperaturen der Heizflächen und darum ungünstig arbeiten. Günstiger ist daher der Motor von Hock, bei welchem die Arbeitsluft durch den Heizraum hindurchgeführt wird.
Diese Maschinen bilden bis zu einem gewissen Grade den Uebergang12zu den weit vollkommeneren Gaskraftmaschinen, bei welchen ein explosives Gemisch von Luft und Leucht- oder Heizgas angesaugt, zusammengedrückt und dann entzündet wird. Das durch die rasche Verbrennung auf sehr hohen Druck gebrachte Gemenge von Stickstoff und den Verbrennungsprodukten des Gases treibt alsdann den Kolben wieder vorwärts und giebt dabei13an denselben Arbeit ab, welche auf eine Welle mit Schwungrad übertragen wird. Beim Rückgang des Kolbens werden die infolge der Ausdehnung stark abgekühlten Verbrennungsgase in die Luft hinausgetrieben. Dann wird wieder Gemisch angesaugt, komprimiert, entzündet etc., d. h. bei je zwei Hin- und Hergängen des Kolbens wird nur während eines Kolbenhubs14Arbeit geleistet (Viertaktmotor von Otto). Die Gaskraftmaschinen setzen15jetzt bis über 30 Prozent der gesammten bei der Verbrennung des Gases entstehenden Wärme in mechanische Arbeit um.
Aehnlich ist die Wirkung der Dampfmaschine, bei welcher der in einem Dampfkessel erzeugte, hochgespannte und dann mehr oder weniger überhitzte Dampf ebenfalls in einen Zylinder1mit Kolben tritt und diesen vorwärts schiebt. Um die im Dampf enthaltene Energie möglichst auszunutzen, sperrt2die sogenannte Steuervorrichtung3denZutritt des frischen Dampfes aus dem Kessel nach etwa 1/10 bis 1/3 des Kolbenweges ab, und der Dampf dehnt sich dann weiter nahezu adiabatisch unter Abkühlung und Abnahme des Druckes aus, wobei4ihm aber durch Heizung der Zylinderwände etwas Wärme zugeführt werden muss, wenn keine Verdichtung eintreten soll. Der bis nahezu Atmosphärendruck ausgedehnte Dampf tritt dann entweder in die Luft aus oder er tritt in einen sogenannten Kondensator, worin er durch Abkühlung der Wandungen oder durch eingespritztes Wasser verdichtet wird. Hierbei4entsteht ein bis etwa 65 cm Quecksilbersäule niedrigerer5Druck, als der Atmosphärendruck beträgt; der auf Atmosphärendruck expandierte Dampf kann sich also noch weiter ausdehnen und dabei4Arbeit abgeben. Wegen der bei letzteren Maschinen notwendigen Pumpe zum Fortschaffen des Kondenswassers aus dem Kondensator geht6hierbei ein Teil Arbeit wieder verloren, der bei kleinen Maschinen grösser ausfallen7kann als der durch die Verdichtung erzielte Gewinn.
Beträgt der Ueberdruck des Kesseldampfes nicht mehr als 6 Atm., so genügt für die Ausdehnung ein Zylinder. Bei 8 bis 10 Atm. Kesselüberdruck ist es aber vorteilhafter, die Expansion stufenweise auf 2 Zylinder, den Hochdruckzylinder mit kleinerem und den Niederdruckzylinder mit grösserem Durchmesser zu verteilen, während man für noch höheren Dampfdruck (12 bis 17 Atm.) die Expansion auf 3 und sogar 4 Zylinder verteilt. Da selbst in dem bei niederer Temperatur verdichteten Dampf noch sehr grosse Wärmemengen enthalten sind, hat man in neuester Zeit versucht, die Wärmeausnutzung der Dampfmaschine noch vollkommener zu gestalten, indem man8den Kondensator einer Wasserdampfmaschine als Heizapparat für einen mit Aether oder flüssiger schwefliger Säure gefüllten zweitenDampfkessel verwendete und mittels der schon bei niederer Temperatur hoch gespannten Dämpfe dieser Flüssigkeiten eine zweite mit der ersten mechanisch gekuppelte Dampfmaschine antrieb. Auf diese Weise hat man den Wirkungsgrad9der Dampfmaschine, der bei der Wasserdampfmaschine zusammen mit dem Kessel bis etwa 12 Prozent erreicht, auf 17 Prozent zu steigern vermocht. Aehnliche Vorteile hat man durch sehr starke Ueberhitzung des Dampfes erreicht.
Bei den modernen Dampfturbinen, welche jetzt so weit vervollkommnet sind, dass ihr Wirkungsgrad denjenigen der Zweifachexpansionsmaschinen erreicht, lässt man den Dampf, ähnlich dem Wasser bei den Wasserturbinen, ausströmen und die mit grosser Geschwindigkeit austretenden Dampfstrahlen10auf ein Schaufelrad11drücken. Wegen der grossen Ausflussgeschwindigkeit des Dampfes muss auch, um einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen, die Umfangsgeschwindigkeit des Schaufelrads sehr hoch sein.
Mechanische Wärmetheorie.1. Ein grosses Quantum von Wärmeenergie ist immer einem ganz bestimmten Quantum mechanischer Energie äquivalent. Die Summe der beiden Energiearten1in einem gegen die Aussenwelt vollkommen abgeschlossenen Raume, in welchem sich beliebige2Umwandlungen der einen in die andere Energieform zutragen3, ist deshalb konstant. Dieser Satz heisst auch das Prinzip von der Erhaltung der Energie.
2. Bei Kreisprozessen4vollziehen sich die Umwandlungen so, dass dabei die umgewandelte Wärme immer den Wärmequellen höherer Temperatur entnommen wird, während eine Ueberführung von Wärme aus einer Wärmequelle niedererTemperatur in eine höhere nur durch Aufwendung von mechanischer Arbeit oder einer anderen Energieform vollzogen werden kann, und bei jedem solchen Kreisprozess findet eine Vermehrung der Wärmeenergie auf Kosten der anderen Energieform statt.
Am allgemeinsten5lässt sich der zweite Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie in der Form aussprechen: Nur solche Vorgänge vermögen mechanische Arbeit zu liefern, welche in der Natur von selbst sich vollziehen, wie z. B. der Uebergang von Wärme von höherer auf niedere Temperatur, das Herabsinken eines Gewichts von einem höheren auf ein tieferes Niveau6, der Uebergang der Elektrizität von einem höheren auf ein tieferes Potentialniveau etc. Da Wärme auftritt, wenn Arbeit, d. h. Bewegung von Massen, verschwindet, und da umgekehrt Wärme in Arbeit übergeführt werden kann, so fasst7man gegenwärtig die Wärme selbst als eine Art von Massenbewegung auf, bei der jedoch die Körper nicht als Ganzes, sondern nur ihre Moleküle gegeneinander in Bewegung begriffen8sind. Keine Wärme9würde demnach ein Körper enthalten, wenn seine Moleküle gegeneinander in Ruhe wären; dieser Zustand wäre dann derjenige, welcher dem absoluten Nullpunkt der Temperatur entspricht.
Der Magnetismus.Ein Magnet zieht10ein ihm nahe gebrachtes Eisenstück an, wird gleichzeitig aber auch von diesem Eisenstück mit gleicher Kraft angezogen.
Nähert man zwei Magnetpole einander, so beobachtet man nur dann Anziehung, wenn der eine ein Nordpol, der andere ein Südpol ist, oder wenn beide ungleichnamig sind. Dagegen11stossen12sich zwei Nordpole oder zwei Südpole, d. h. gleichnamige Pole, gegenseitig ab.
Die Kraft, welche zwischen zwei Magnetpolen zur Wirkung kommt, ist umgekehrt proportional dem Quadrat ihres gegenseitigen Abstandes.
Die Einheit der Polstärke ist ein solcher Magnetpol, dessen Stärke so gross ist, dass wenn er in die Entfernung von 1 cm von einem ähnlichen Magnetpol von gleicher Stärke gestellt wird, denselben mit der absoluten Einheit der Kraft abstösst. Diese absolute Einheit der Kraft ist die Dyne, welche der Masse von 1 g die Geschwindigkeit von 1 cm in der Sekunde mitteilt.
In vielen Fällen ist der Magnetismus eines magnetisierten Stahlstabes hauptsächlich nur auf dessen Oberfläche vorhanden. Man hat dies dadurch1nachgewiesen, dass man einen kurzen Magnetstab in Säure legte, so dass allmählig die äusseren Schichten des Metalles aufgelöst wurden. Es stellte sich dabei heraus,2dass nach der so herbeigeführten Beseitigung einer verhältnissmässig dünnen Stahlschicht der Magnetismus des Stabes fast gänzlich verschwunden war. Ferner verfuhr man in gleicher Hinsicht3so, dass man ein kurzes, verhältnissmässig dünnwandiges Stahlrohr und einen nach Länge und Durchmesser gleichen Stahlstab gleich stark magnetisierte. Es zeigte sich dann, dass das Stahlrohr fast dieselbe magnetische Kraft besass, wie der volle Magnetstab. Nur bei langen und verhältnismässig dünnen Stäben dringt der Magnetismus vollständig in das Material ein.
Zerbricht man einen Magnetstab, so bilden die Bruchstücke wiederum vollständige Magnete, mit je zwei entgegengesetzten Polen. Denken wir uns diese Teilung so lange fortgesetzt, bis wir den Stab in seine Moleküle zerteilt haben, so werden wir annehmen dürfen, dass auch letztere vollständige Magnete darstellen4werden.
Wir stellen in betreff der Konstitution eines magnetischen Körpers die Hypothese auf, dass die Moleküle schon vor der Magnetisierung vollständige Magnete sind, welche aber im natürlichen Zustand infolge der gegenseitigen Anziehung sich so lagern5, dass sich ihre Wirkungen nach aussen gegenseitig aufheben.6Beim Magnetisieren werden dieselben durch einen äusseren Zwang in gleiche Richtung gedreht, so dass sich nun ihre Wirkungen nach aussen summieren.
Diese Hypothese wird durch folgenden Versuch gestützt. Man füllt ein Glasrohr mitStahlfeilspänen, verkorkt beide Enden und schüttelt um; das Rohr erscheint nicht magnetisch. Nun magnetisiert man dasselbe, wodurch es die Eigenschaften eines künstlichen Magnets annimmt. Schüttelt man das Rohr hierauf wieder kräftig um, so erscheint es wieder gänzlich unmagnetisch, obgleich die einzelnen Stahlspänchen permanente Magnete geblieben sind.
Wenn es möglich wäre, einen einzelnen Magnetpol, losgelöst von jeder materiellen Masse, herzustellen7, so würde derselbe, in die Nähe eines Magnets gebracht, durch die auf ihn ausgeübte Kraft in Bewegung gesetzt werden. Da er kein Beharrungsvermögen8besässe, würde er sich in jedem Augenblick genau in der Richtung der auf ihn wirkenden Kraft bewegen, also Bahnen beschreiben, deren Tangente in jedem Punkte der Umgebung des Magnets die Richtung der daselbst wirkenden magnetischen Kraft angeben würden. Nach Faraday nennen wir die Umgebung eines Magnets, in welcher dessen Kraftwirkungen erfolgen, das magnetische Feld, und die soeben definierten Linien, die Kraftlinien des Felds. Bringt man eine kleine Magnetnadel in das magnetische Feld, so werden ihre beiden Pole von entgegengesetzten Kräften angegriffen, weshalb die Nadelsich in die Richtung der durch ihren Mittelpunkt gehenden Kraftlinie einstellen9muss.
Diese Kraftlinien haben wir uns als geschlossene Kurven vorzustellen,10welche zum Teil ausserhalb, zum Teil aber innerhalb des Magnets verlaufen. Dieselben können auch ganz innerhalb des Magnets liegen.
Die Elektrizität.Die zwischen zwei punktförmigen Elektrizitätsmengen wirkende Kraft ist dem Produkt aus den Mengen direkt, dem Quadrat ihrer Entfernung umgekehrt proportional und fällt der Richtung nach1in die gerade Verbindungslinie der beiden elektrischen Massenpunkte.
Nähert man einem unelektrischen isolierten Leiter2einen elektrischen Körper, so wird ersterer elektrisch, und zwar3ist die Elektrizität an dem Ende, welches dem genäherten Körper zugewendet ist, die entgegengesetzte, während sich am abgewandten Ende gleichnamige Elektrizität sammelt. Entfernt man den elektrischen Körper, so vereinigen sich beide Elektrizitäten wieder, und der Leiter erscheint unelektrisch, woraus zu schliessen ist,4dass von beiden Elektrizitäten gleichgrosse Mengen vorhanden waren.
Man nennt diese Trennung der Elektrizitäten in einem Leiter durch Annäherung eines elektrischen Körpers Influenz, Verteilung oder elektrostatische Induction.
Wenn man in eine leitende Flüssigkeit, z. B. eine Salzlösung, zwei verschiedene Metalle eintaucht, von denen man das eine zur Erde ableitet, so wird das nicht abgeleitete Metall elektrisch. Wird hierbei das erste Metall, wenn das zweite abgeleitet ist, positiv, so wird das zweite bei Ableitung desersten ebenso stark negativ. Das abgeleitete Metall besitzt immer das Potential oder die Spannung 0; also5besteht zwischen beiden Metallen ein Spannungsunterschied. Dieser entsteht dadurch, dass an den Berührungsstellen6der verschiedenen Körper eine Trennung der Elektrizitäten stattfindet. Die hier auftretenden Spannungen sind sehr viel geringer als diejenigen bei der Reibung.
Bringt man verschiedene Metalle paarweise in eine Flüssigkeit, so werden immer diejenigen Metalle am stärksten negativ, welche von der Flüssigkeit am stärksten angegriffen werden.
Der Spannungsunterschied wird in einer Einheit gemessen, welche den Namen 1 Volt (1 V) führt und welche numerisch sehr nahe gleich dem 300. Teil7der absoluten elektrostatischen Einheit der Spannung oder des Potentials. In Volt gemessen ist im Wasser der Spannungsunterschied zwischen Zink und Kupfer 0,78 V, zwischen Zink und Platin 1,05 V.
Eine solche Anordnung von zwei Metallen in einer Flüssigkeit heisst ein galvanisches oder Voltasches Element oder eine einfache galvanische Kette. Verbindet man die beiden Pole durch einen Leiter, so fliesst infolge des fortdauernd bestehenden Spannungsunterschieds zwischen seinen Enden in diesem Leiter +E vom +Pol nach dem -Pol, während sich die -E in der umgekehrten Richtung bewegt. Da an den Berührungsstellen fortwährend neue Elektrizitätsmengen geschieden werden, so erhält man in dem Leiter einen ununterbrochenen elektrischen Strom. Den Leiter nennt man den Schliessungsbogen.8
Man versteht unter Stromstärke die Elektrizitätsmenge, welche in der Zeiteinheit1durch einen Querschnitt2desSchliessungsbogens hindurchfliesst. Als technische Einheit der Stromstärke dient 1 Ampère (1 A); die3bei dieser Stromstärke durch jeden Querschnitt des Schliessungsbogens in 1 Sekunde hindurchfliessende Elektrizitätsmenge heisst 1 Coulomb (1Cb) und dient in der Elektrotechnik als Einheit der Elektrizitätsmenge. Numerisch ist 1 Cb=3.109absolute elektrostatische Einheiten.
Da die Stromabgabe4eines einzelnen Elementes verhältnismässig schwach ist, so werden für viele Zwecke eine mehr oder minder grosse Zahl von Elementen gleicher Art zu Batterien, entweder mit Bezug auf5die Vergrösserung der in einer gewissen Zeit abzugebenden Elektrizitätsmenge, oder mit Bezug auf die Erhöhung der Potentialdifferenz, oder auch mit Bezug auf beide Arten der Wirkungserhöhung, miteinander verbunden. Die Vergrösserung der Elektrizitätsmenge ist allerdings auch durch entsprechende Vergrösserung der wirksamen6Metallflächen in einem Elemente zu erreichen, jedoch wird dann sehr bald eine Grenze gefunden, wo die Elemente durch ihre Grösse unbequem werden. Man wählt alsdann zu gleichem Zwecke die Schaltung7auf Quantität oder Parallelschaltung, wobei die gleichnamigen Pole, z. B. einerseits die Pole der Zinkplatten und andrerseits die der Kupferplatten miteinander durch einen Leiter von entsprechend grossem Querschnitt verbunden werden. Soll8dagegen eine Erhöhung der Potentialdifferenz herbeigeführt werden, welche von der Flächengrösse der Platten unabhängig ist, indem9sie nur durch die physikalische Natur der Elektroden und des Elektrolyten bedingt wird, so ist die Schaltung auf Spannung, oder Hintereinanderschaltung, oder auch Reihenschaltung genannt, zu wählen. Hierbei werden von Element zu Elementimmer die entgegengesetzten Pole, z. B. die Pole der Zink- und Kupferplatten miteinander verbunden.
Die Akkumulatoren.Der Akkumulator10von Planté besteht aus zwei Bleiplatten in verdünnter Schwefelsäure. Schickt man einen Strom durch ein solches Element hindurch, so reduziert der an der negativen Bleielektrode auftretende Wasserstoff etwa11vorhandenes Bleioxyd zu metallischem Blei, während sich der Sauerstoff an der positiven Platte mit dem Blei zu Bleisuperoxyd12verbindet. Hat man so den Akkumulator geladen, so erhält man aus demselben, wenn man die beiden Bleiplatten mit einem Leiter verbindet, in letzterem einen Strom, der von der oxydierten Bleiplatte zur metallischen geht. Derselbe dauert so lange an, bis sich sowohl13das Bleioxyd durch den Wasserstoff, wie auch das metallische Blei durch den Sauerstoff in Bleioxyd umgewandelt hat, welches sich mit der vorhandenen Schwefelsäure verbindet. Dieses nennt man die Entladung des Akkumulators. Bei einer neuen Ladung wird alsdann das schwefelsaure Blei14in metallisches Blei am negativen und Bleisuperoxyd am positiven Pol, und in Schwefelsäure umgewandelt. Die E. M. K.15eines solchen Elements beträgt anfangs etwas über 2 V, sinkt aber während der Entladung langsam auf etwa 1,8 V und nimmt dann sehr rasch ab. Beim Gebrauch setzt man daher die Entladung nur so lange fort, bis die E. M. K. ziemlich auf 1,8 V gesunken ist.
Um mehr oxydations- bezw.16reduktionsfähiges Material zu erhalten, bedeckte Faure die Bleiplatten mit Mennigeschichten17. Man kann auch Gitter18von Blei herstellen und die Zwischenräume mit Bleiverbindungen ausstopfen.
Man berechnet die Leistungsfähigkeit eines Akkumulators nach Ampèrestunden. Ein Akkumulator von 100 Ampèrestunden Kapazität vermag z. B. 100 Stunden lang einen Strom von 1 A oder 5 Stunden lang einen solchen von 20 A etc. zu liefern. Da der in 1 Stunde von 1 A entwickelte Sauerstoff 3,86 g Blei in Bleioxyd (PbO) verwandelt, so müssen mindestens 386 g oxydierbares Blei vorhanden sein. Uebrigens ist die Kapazität eines Akkumulators bei langsamer Entladung grösser als bei rascher, so dass einer der 10 Stunden lang 10 A liefern kann, 20 A nur etwa 4 Stunden lang zu liefern vermag.
Die elektrischen Strommaschinen.Die zur Erzeugung von elektrischen Strömen dienenden Maschinen, welche gewöhnlich als Dynamomaschinen oder Dynamos bezeichnet werden, unterscheiden1sich als Gleichstrom-2und Wechselstrommaschinen3und beruhen auf der von Faraday entdeckten Erregung4, Influenz oder Induction elektrischer Ströme in Drähten mittels magnetischer Einwirkung. Bei den ersten Maschinen dieser Art fand die Erregung der Ströme durch Dauermagnete5(stählerne Hufeisenmagnete) statt, vor deren Polen ein mit zwei Drahtspulen versehener Anker6in rasche Umdrehung versetzt werden konnte. In der Clarkeschen Maschine wurden in den dicht bei den beiden Magnetpolen vorübergehenden Ankerschenkeln7bei jeder vollen Umdrehung zwei Polwechsel8herbeigeführt und dadurch in den beiden Drahtspulen entsprechend starke entgegengesetzte, aber in gleicher Richtung durch beide Spulen fliessende elektrische Ströme induziert, so dass also der Anker bei einer halben Umdrehung einen Strom in der einen Richtung und bei der nächsten halben Umdrehung einen Strom in der entgegengesetzten Richtung in seiner Bewickelung erzeugt. Clarke verbesserte seine Maschinenoch durch Anbringung9eines Stromwenders10, um einen Strom in gleicher Richtung im äusseren Stromkreise zu erhalten. Diese Vorrichtung11besteht aus einem auf die Ankerwelle aufgesteckten Zylinder aus isolierendem Material (Holz, Ebonit u. dergl.12), auf dem zwei metallene Sektoren einander gegenüberstehen, aber von einander isoliert befestigt sind und dabei über den Umfang des isolierenden Zylinders etwas emporstehen. Auf jedem dieser beiden Metallsektoren oder Segmenten schleift eine aus Kupferdraht oder schmalen übereinandergelegten Kupferblechstreifen13gebildete elastische sogenannte Bürste. Beide Bürsten sind auf einer isolierenden Grundplatte befestigt und durch geeignete Klemmen14mit Leitern verbunden.
Ein wesentlicher Fortschritt war die Einführung des Siemensschen Doppel-T-Ankers. Dieser besteht aus einem weichen Eisenkern15von zylindrischer Form, in welchen beiderseits eine breite Nut16eingefrässt17ist, die zur Aufnahme des isolierten Bewickelungsdrahtes dient, so dass die Windungen parallel zur Achse des Ankerzylinders liegen. Die in diesen Windungen bei Umdrehung des Ankers induzierten Ströme werden durch einen auf der Achse sitzenden Stromwender gleich gerichtet.
Die permanenten Stahlmagnete wurden zuerst von Wilde durch Elektromagnete ersetzt. In 1867 wurde von Siemens und fast gleichzeitig auch von Wheatstone das sogenannte dynamoelektrische Prinzip entdeckt, welches darauf beruht, dass eine geringe Spur von Magnetismus im Eisen der Feldmagnete zur Selbsterregung der Magnete hinreichend ist, indem die18zuerst dem geringen Magnetismus entsprechenden schwachen induzierten elektrischen Ströme des Ankers, in die Bewickelung der Magnete geleitet, diesen Magnetismus verstärken, wodurch dann wieder die in der Ankerbewicklung erregten Ströme verstärkt werden, so dass diese alsdann den Magnetismus wieder verstärken und so fort bis die volle Wirkung der Maschine erreicht wird.
Die Gramme Maschine.Zwischen den Polschuhen des den Feldmagneten bildenden Elektromagneten ist der1aus einem2mit isoliertem Kupferdraht bewickelten Eisenring bestehende Anker auf einer drehbaren Welle3angebracht. In der Kupferdrahtbewickelung dieses ringförmigen Eisenkerns werden bei der Bewegung durch das magnetische Kraftfeld elektrische Ströme induziert, wobei4der Eisenkern durch Influenz magnetisiert wird und die Verdichtung der magnetischen Kraftlinien, sowie die daraus entstehende Verstärkung des magnetischen Feldes stattfindet.
Ursprünglich war Gramme von dem Gedanken ausgegangen, den durch den Einfluss des Feldmagneten magnetisierten Eisenring in der Drahtspirale oder die Drahtspirale um den magnetisierten Eisenring rotieren zu lassen. Der5praktischen Ausführung dieser Idee stellten sich jedoch unüberwindliche Schwierigkeiten entgegen, so dass der Erfinder den Eisenring einfach mit isoliertem Drahte bewickelte und in geeigneter Weise auf der Welle befestigte und so den ganzen Anker vor den Polen des Feldmagneten rotieren liess. In der Tat6wurde dadurch dieselbe, von ihm wohl7nicht vorhergesehene Wirkung erzielt, als wenn der Eisenkern oder die Drahtspirale für sich allein rotierten. Durch die Einwirkung der Pole des Feldmagneten werden nämlich8auch in dem rotierenden Ringe zwei feststehende entgegengesetzte Pole erzeugt, indem9durch die magnetische Influenzierung des Eisenringes dem Nordpole des Feldmagneten gegenüber ein Südpol und dem Südpole des Feldmagneten gegenüber ein Nordpol im Eisenringe entsteht; allerdings10werden dabei fortwährend neue Eisenteilchen im rotierenden Ringe veränderlich magnetisiert und es ist deshalb erforderlich, das Material des Ringes so einzurichten, dass die fortwährend rasche Aenderung des Magnetismus der Teilchen möglichst erleichtert wird.
Die Bewickelung des Feldmagneten ist einfach eine Fortsetzung der Ankerbewickelung und die Erregung des Feldmagneten wird durch den von der Ankerbewickelung ausgehenden Hauptstrom bewirkt. Man bezeichnet diese Bewickelung, bei welcher Anker und Feldmagnet hintereinander geschaltet sind, als die Reihen- oder Serienbewickelung11im Gegensatz zu der Nebenschlussbewickelung.12
Um die von der Maschine verlangte Leistung13mit einer geringeren Umdrehungszahl zu erreichen, hat man mehrpolige Maschinen hergestellt, bei denen das Magnetfeld von vier, sechs, acht und mehr Polen gebildet wird, wobei Nord- und Südpol abwechselnd in dem sie verbindenden polygonalen oder kreisrunden Eisengestell14angeordnet sind.
Wechselstrommaschinen.Obschon alle elektrischen Strommaschinen nur Wechselströme erzeugen können, weil die magnet-elektrische Induktion nur durch wechselnde Wirkung zwischen magnetischer Kraft und elektrischen Leitern hervorgebracht werden kann, so unterscheidet man doch neben den durch Anbringung eines Stromwenders hergestellten Gleichstrommaschinen noch die eigentlichen1Wechselstrommaschinen, welche die durch Induktion erzeugten Wechselströme direkt in den äusseren Stromkreis2zur Benutzung abgeben3. Die Wechselstrommaschinen bedürfen4daher nicht des kostspieligen und sorgsam zu überwachenden Kommutators, der mit seinen Schleifbürsten leicht der Abnutzung unterliegt5und zu Betriebsstörungen6Anlass geben kann, sobald die Bedienung der Maschine nachlässig ist. Anstatt des Stromwenders sind die Wechselstrommaschinen nur mit dauerhaften Schleifbürsten versehen, von denen der Strom abgenommen wird. Sie können auch mit feststehendem Anker eingerichtet werden, so dass die hochgespannten Wechselströme direkt von den festen Klemmen7in die Leitung übergehen.
In ihrem Aufbau sind demnach die Wechselstrommaschinen viel einfacher als die Gleichstrommaschinen. Sie sind zur Erzeugung von Strömen bis zu 10000 Volt Spannung zu benutzen, während man bei den Gleichstrommaschinen nur ausnahmsweise die Spannung höher als etwa 500 Volt treibt. Da durch die Wechselströme nicht das erforderliche konstante Magnetfeld hergestellt werden kann, so muss dies durch eine besondere, aber verhältnismässig kleine Gleichstrommaschine geschehen, die als Erregermaschine bezeichnet wird. Zuweilen hat man auch diese direkt mit der Wechselstrommaschine verbunden, indem8man mittels eines auf deren Welle aufgesetzten Kommutators einen entsprechenden Teil des erzeugten Wechselstroms in Gleichstrom verwandelt.
Zu den Wechselstrommaschinen gehören auch die Drehstrommaschinen9, welche drei in ihrer Schwingungsphase gegenseitig um 120° verschobene Wechselströme erzeugen (Dreiphasenmotor).
Transformatoren.Wichtige Nebenapparate10und Ergänzungsmittel11der Wechselstrommaschinen sind die Transformatoren. Dieselben beruhen auf der Wirkung der magnetelektrischen Induktion, welche durch Wechselströme hervorgerufen wird, so dass der erzeugte Magnetismus imEisen rasch abwechselnd umgekehrt wird. Um diese rasche Umkehrung ohne zu grosse Verluste (Hysteresis und Wirbelströme12) herbeizuführen, müssen die Eisenkerne der Transformatoren aus dünnen (kaum 0,5 mm dicken) Eisenblechen mit isolierenden Zwischenlagen von paraffiniertem Papier etc. hergestellt werden. Zur Magnetisierung des Eisenkerns dient die Primärbewickelung desselben, und durch die abwechselnde Magnetisierung des Eisenkerns wird die Sekundarbewickelung desselben induziert und dadurch der transformierte Wechselstrom erzeugt. Man hat es dabei in der Gewalt, die Spannung des Sekundarstroms zu erhöhen und somit die Stromstärke entsprechend zu erniedrigen, oder die Spannung zu erniedrigen und die Stromstärke entsprechend zu erhöhen.
Man unterscheidet Kerntransformatoren13und Manteltransformatoren. Bei ersteren ist der Eisenkern von der Drahtbewickelung beziehungsweise den Drahtspulen umgeben; bei letzteren sind die Drahtspulen innerhalb des rahmenartigen Eisengestells untergebracht.14
Elektrische Lichtanlagen.1Die Starkstromleitungen2für Licht- und Kraftbetrieb3werden, in der Regel4, wenigstens innerhalb der Städte, als Untergrundleitungen in der Form von Bleikabeln angelegt, durch welche die Hauptleitungen gebildet werden, die sich nach den Häusern in dünneren Leitungen abzweigen. Diese Kabel enthalten eine grössere Anzahl verseilter5starker6Kupferdrähte, die in ihrer Gesammtheit7nach aussen durch Umspinnung mit Jute und Umwickelung mit Isolierband8gegen Stromverlust möglichst gesichert, sowie durch eine die Isolationsmasse umgebende dichte Bleiumhüllung gegen Feuchtigkeit geschütztsind. Um die Verletzung der Bleihülle bei Strassenumwühlungen9zu verhüten, ist meist noch eine Armierung10von Bandeisen oder Eisendraht vorhanden. Die Verbindung der Kabel untereinander, sowie die Abzweigstellen der Nebenleitungen, werden durch gusseiserne Muffen11bewirkt. Um die Anschlussstellen12behufs Nachsehen, Reparaturen und Neuanschlüssen leicht zugängig zu machen, sind Anschlusskästchen und Anschlussgruben13, die mit abnehmbaren Deckeln geschlossen werden, vorhanden. Ueberall, wo schwächere Leitungen den Strom aus stärkeren Leitungen aufzunehmen haben, sind Schmelzsicherungen14angebracht, um zu verhüten, dass bei zufälligem Wechsel zwischen den Hauptleitungen ein zu starker Strom in die schwächeren Leitungen einträte und diese zum Glühen und Schmelzen brächte. Insbesondere sind solche Schmelzsicherungen, die bei dem Eintritt einer gewissen Stromstärke die Leitungen unterbrechen, an den Stellen, wo die Leitungen in die Häuser eingeführt werden, unbedingt erforderlich, um Feuers- und Lebensgefahr zu verhüten. Auch in den Hausleitungen selbst sind die einzelnen Lampen oder Lampengruppen mittels solcher Schmelzsicherungen zu schützen. In den Hausanlagen selbst werden die Leitungen, die in der Regel durch Umspinnung mit Baumwolle isoliert sind, mittels kleiner isolierender Porzellanrollen an Wänden und Decken befestigt oder durch isolierende Röhren aus Karton15oder Hartgummi unterhalb des Wandverputzes16und durch die Wände selbst von einem Raume in den andern geführt.
Zum Aus- und Einschalten17der Lampen und anderer elektrischer Apparate werden Schalter18von verschiedenen Formen und Einrichtungen benutzt. Ausser diesen sind noch die Umschalter19zu erwähnen, welche dazu dienen, den Strom in einer Leitung auszuschalten und dabei gleichzeitigdafür in eine andere Leitung überzuführen oder seine Richtung umzukehren. Diese Apparate sind mit zwei gegenüberstehenden Kontaktsystemen versehen, so dass der Hebel beim Umlegen das eine Kontaktsystem aus- und dafür das andere einschaltet.
Die elektrische Kraftübertragung.Der Gleichstrommotor1kann bei geeigneter Konstruktion mit einem sehr hohen Wirkungsgrade2hergestellt werden, der selbst bei den kleinsten Motoren etwa 56 Prozent der zugeführten elektrischen Kraft und bei grösseren Motoren mindestens 85 Prozent beträgt. Indessen ist bei diesem Motor der Stromwender3ein ziemlich empfindlicher Teil, der4mit Sorgfalt zu behandeln ist und durch Funkensprühen5leicht zu Störungen Anlass geben6kann, ja sogar seine Anwendung an solchen Orten, wo leicht entzündliche Stoffe vorhanden sind, wie z. B. in Steinkohlengruben7mit häufig vorkommenden schlagenden Wettern8, verbietet. Auch ist der Gleichstrom für Fernleitung wegen der verhältnismässig sehr geringen Spannung9, mit welcher er zu erzeugen ist, nicht anwendbar, weil er für die Uebertragung grösserer Kraftleistungen starke Querschnitte10der Leitung verlangt, wodurch die Anlage zu kostspielig wird. Man hat unter diesen Umständen hochgespannte Wechselströme zu benutzen. Der einfache Wechselstrom ist jedoch insofern unbequem11, als er zur Erregung seines Magnetfeldes einen Gleichstrom braucht und daher zu dessen Erzeugung einer besonderen Maschine bedarf. Ferner kann auch ein solcher Motor nicht von selber angehen12, sondern muss zuerst in der gewünschten Richtung in Umdrehung versetzt werden, bis er eine13der Stromwechselzahl und seiner eigenen Einrichtung entsprechende Geschwindigkeit angenommen hat, bevor er seine Arbeit verrichten kann; denn wird er bei zu geringer Geschwindigkeit belastet, so kommt er alsbald wieder zum Stillstand. Ueberhaupt14muss er, um arbeitsfähig zu sein, in den15durch seine Ankerdrehung unter der Einwirkung seines Magnetfeldes hervorgerufenen Stromwechseln mit der den Strom ihm liefernden Wechselstrommaschine übereinstimmen16. Man nennt daher den einfachen oder einphasigen Wechselstrommotor auch synchronen Motor.
Um diesem Uebelstand abzuhelfen, brachte man, anstatt des17bei dem einphasigen Wechselstrommotor vorhandenen, einfach hin und her schwingenden Magnetfeldes, ein rotierendes Magnetfeld zur Wirkung. So entstand der Dreiphasenmotor oder eigentlich Drehstrommotor, bei welchem die Leitung nur drei Drähte erfordert und dessen Drehfeld als praktisch ganz gleichmässig anzusehen ist, weil die Winkelgeschwindigkeit des Motors keinen merklichen Schwankungen unterliegt18. Da derartige19Motoren von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Generators ganz unabhängig ihre Arbeit verrichten, so nennt man sie auch asynchrone20Motoren.
CHEMIE.
Die Chemie ist die Lehre von den Eigenschaften1und Umwandlungen2der Elemente der Natur und von ihren Verbindungen. Sowohl die Elemente wie ihre Verbindungen nennt man Stoffe3. Man kann daher die Chemie auch als die Lehre von den Stoffen, ihren Eigenschaften und Umwandlungen bezeichnen.
Elemente der Natur oder chemische Grundstoffe4nennt man diejenigen Stoffe, welche wir bis jetzt nicht in andereStoffe zu spalten oder zu zerlegen vermögen und daher als chemisch einfach oder unzersetzbar betrachten, ohne dass5mit Bestimmtheit gesagt werden kann, dass sie wirklich unzersetzbar sind. Aus den chemischen Grundstoffen baut sich die ganze körperliche Welt vom einfachen Mineral bis zur Pflanze und dem Tier auf.
Jedes Element besitzt eigenthümliche Merkmale6, die man teils physikalische, teils chemische Eigenschaften oder chemisches Verhalten7nennt.
Die physikalischen Eigenschaften beziehen sich hauptsächlich auf den Aggregatzustand und alles damit Zusammenhängende.
Unter dem Aggregatzustande der Stoffe versteht man die Eigenschaft derselben, je nach den auf sie einwirkenden Druck- und Temperaturverhältnissen8, entweder den luftförmigen (gasförmigen) oder den flüssigen oder den festen Zustand anzunehmen.
Im gasförmigen Zustande nimmt9die Materie den grössten Raum ein, besitzt keinen Zusammenhang, und vermag daher keine selbstständige Form oder Gestalt anzunehmen, sondern erfüllt jeden Raum, den man ihr bietet, vollständig. Lässt10man in einen mit einem Gase erfüllten Raum ein zweites Gas einströmen, so verbreitet sich letzteres allmählig (vorausgesetzt dass die Gase nicht chemisch auf einander einwirken) in dem Raume ebenso gleichmässig, wie wenn kein anderes Gas vorhanden wäre. Man nennt dies die Diffusion der Gase. In der atmosphärischen Luft sind Sauerstoff- und Stickstoffgas11mit einander diffundiert.
Nach Boyle vermindert sich bei12allen Gasen der Raum, den ein Gas einnimmt, im umgekehrten Verhältnis zum Druck. Lässt man z. B. auf ein Gas, das einen Raum von 100 l erfüllt, einen doppelten Druck wirken, so wird dadurchdas Gas auf sein halbes Volumen, also auf 50 l, zusammengepresst.
Nach Gay-Lussac dehnen sich alle Gase bei gleicher Temperaturzunahme im gleichen Verhältnisse aus und umgekehrt; oder, wenn man ihnen die Ausdehnung nicht gestattet, so erhöht sich der Druck, den die Gase auf die Wandungen des sie umschliessenden Gefässes ausüben, bei allen Gasen im gleichen Verhältnis zur Temperaturzunahme und umgekehrt. Der Wert, um13welchen sich die Gase bei gleichbleibendem Druck für je 1° C. der Zunahme oder Abnahme der Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen, der sogenannte Ausdehnungskoefficient, ist 0,00367 oder 1/273 des ursprünglichen Volumens. Diese Gesetze haben sich bei späteren Prüfungen nicht als ganz, sondern nur als annähernd richtig erwiesen.
Durch geeignete Mittel kann ein Gas in eine Flüssigkeit, eine Flüssigkeit in ein Gas, oder ein fester Körper zuerst in eine Flüssigkeit und diese in ein Gas verwandelt werden.
Alle Gase lassen1sich, die einen leichter2, die anderen schwieriger2, in den flüssigen Zustand überführen (verdichten, verflüssigen), wenn man sie unter genügender Abkühlung einem genügend hohen Drucke unterwirft.
Erhitzt man eine flüchtige Flüssigkeit, so beginnt sie bei einer bestimmten3Temperatur, welche man ihren Siedepunkt nennt, oft unter lebhafter Bewegung Dampfblasen zu entwickeln, zu sieden, und dabei4in den dampfförmigen Zustand überzugehen. Das Sieden hängt davon ab5, dass die sich aus der Flüssigkeit entwickelnden6Dämpfe eine genügende Spannung7(Dampfdruck) besitzen, um den auf der Oberfläche der Flüssigkeit wirkenden Druck (z. B. den Luftdruck) zu überwinden, also8unter Verdrängung derLuft von der Flüssigkeit emporsteigen zu können. Je grösser der auf die Flüssigkeit wirkende Druck ist, desto höhere Temperatur ist nötig, um dieselbe zum Sieden zu bringen. Bei normalem Luftdruck von 760 mm Quecksilbersäule des Barometers siedet das Wasser bei 100° und entwickelt dabei Wasserdampf von 1 Atm. Spannung oder Dampfdruck. Bei halbem Luftdruck oder 380 mm Quecksilbersäule siedet das Wasser schon bei 82°; bei 1/4 Luftdruck schon bei 66°. Dementsprechend9vermindert sich auch der Druck der aufsteigenden Dämpfe auf 1/2 und 1/4 Atmosphären. Bei verdoppeltem Druck steigt der Siedepunkt des Wassers auf 121°; bei 3 Atm. Druck auf 135°.
Um die Siedepunkte verschiedener Flüssigkeiten miteinander vergleichen zu können, bezieht10man dieselben immer auf den gewöhnlichen Luftdruck von 760 mm.
Für viele Flüssigkeiten ist der Siedepunkt ein gutes Merkmal11zu ihrer Erkennung12und ein Mittel zu ihrer Reindarstellung13durch Destillation aus Mischungen mit anderen Flüssigkeiten.
Eine besondere Art der Verflüssigung erleiden die Gase durch ihre Eigenschaft, sich in verschiedenen Flüssigkeiten zu lösen, dabei von der Flüssigkeit aufgenommen (absorbiert) zu werden und damit ein homogenes flüssiges Gemenge zu bilden. Die Löslichkeit der Gase in Wasser z. B. ist sehr verschieden. 1 Vol. Wasser von 0° C. und 760 mm Druck löst 0,04 Vol. Sauerstoff, 1,8 Vol. Kohlensäure14, 4,4 Volumina Schwefelwasserstoff15, 525 Vol. Chlorwasserstoff16und sogar 1148 Vol. Ammoniakgas. Bei steigender Temperatur sowie bei Druckverminderung nimmt17die Löslichkeit ab.