SchluesselFig. 171.
Fig. 171.
DerZeichengeberhat den Zweck, den Strom nach Belieben und bequem schließen und öffnen zu können. Auf der AufgabestationAbefindet sich als Zeichengeber derTasteroder Drücker, auch Schlüssel genannt. Er besteht aus einem Hebel, der mittels eines Elfenbeinknopfes niedergedrückt werden kann und dann durch eine Feder wieder zurückschnellt. Beim Niederdrücken berührt er mittels eines hervorragenden Daumens einen Stift undschließt dadurch den Strom. Man ist imstande, durch den Zeichengeber den Strom kurze oder längere Zeit zu schließen.
EmpfaengerFig. 172.
Fig. 172.
Der Zeichenempfänger besteht aus einemElektromagnetM, dessen Windungen vom Strome durchflossen werden, so daß er beim Schließen des Stromes magnetisch, beim Öffnen unmagnetisch wird. Etwas oberhalb ist einHebelASangebracht; dieser trägt am einen Ende ein Stück weiches Eisen, das alsAnkerAgerade über den Polen des Elektromagnetes liegt; wird der Elektromagnet magnetisch, so zieht er den Anker an, wird er unmagnetisch, so reißt eineAbreißfederFden Anker wieder von den Polen weg. Stellschrauben, welche ober- und unterhalb des Hebels angebracht sind, begrenzen die Bewegung. Das andere Hebelende trägt einenSchreibstiftS(Bleistift oder Stahlstift), welcher, wenn der Anker angezogen ist, auf einenPapierstreifendrückt und auf ihm Zeichen macht. Der Papierstreifen kommt von einer PapierrolleRund läuft zwischen zwei rauhen Walzen durch; die Walzen werden durch ein Triebwerk (Uhrwerk, das von Zeit zu Zeit aufgezogen wird) in mäßige Drehung versetzt, ziehen dabei den Papierstreifen heraus und führen ihn in der Nähe des Schreibstiftes vorbei. Bei kurzem Stromschlusse macht der Schreibstift nur einen Punkt, bei längerem einen Strich auf den fortlaufenden Papierstreifen. Morse setzte aus Punkten und Strichen ein Alphabet zusammen, das von allen Nationen angenommen wurde und nuninternationale Gültigkeithat, so daß z. B. der Buchstabeain allen Sprachen durch dasselbe Zeichen telegraphiert wird. Den Schreibstift hat man durch eine Färbevorrichtung ersetzt und nennt einen damit versehenen Apparat einenFarbenschreiber. An Stelle des Schreibstiftes ist am Hebelende eine kleine Platte angebracht, welche, wenn der Anker angezogenwird, das Papier etwas nach aufwärts drückt. Dadurch kommt das Papier in Berührung mit demSchreibrädchen; das ist eine Scheibe, die am Rande eine stumpfe Schneide besitzt, durch das Uhrwerk beständig gedreht wird, dabei eine Farbwalze berührt und von derselben mit zähflüssiger Farbe versehen wird.
EmpfaengerFig. 173.
Fig. 173.
ZeichenempfaengerFig. 174.
Fig. 174.
DerNadeltelegraph(Wheatstone). Der Zeichengeber besteht aus einem Drücker, durch den man imstande ist, nach Belieben den positiven oder den negativen Strom in die Telegraphenleitung zu schicken (Kommutator, Stromwender). Der Zeichenempfänger besteht aus einerMagnetnadel, die mitMultiplikatorwindungenumgeben ist. Da nun je nach der Richtung des Stromes die Nadel nach der einen oder anderen Seite abgelenkt wird, so kann man nach BeliebenAusschläge nach rechts oder linkshervorbringen, und damit ein Alphabet zusammensetzen.
Ein großer Vorteil des Nadeltelegraphen ist seine fast unbegrenzte Empfindlichkeit, da auch sehr schwache Ströme, wie sie bei sehr langen (überseeischen) Leitungen vorkommen, durch Benützung von Multiplikatoren mit großer Windungszahl doch noch imstande sind, eine leichte, am Seidenfaden aufgehängte Magnetnadel zu drehen.
ZeigertelegraphFig. 175.
Fig. 175.
DerZeigertelegraph. Der Zeichengeber besteht aus einemRade, das durch eine Kurbel gedreht werden kann. Am Umfange des Rades sindSteigzähneangebracht, zwischen denen ebenso breiteLückensind. Beim Drehen des Rades drückt ein Steigzahn das Ende eines federnden Bleches nach auswärts, so daß es gegen ein anderes federndes Blech drückt und dadurch den Strom schließt. Ist der Zahn vorübergegangen, so springt die Feder in die nächste Lücke und der Strom ist offen.Durch Umdrehen des Rades wird in regelmäßiger Folge der Strom geschlossen und wieder geöffnet.Neben den Zähnen und Lücken stehen die Buchstaben des Alphabetes.
Der Zeichenempfänger besteht aus einemElektromagnete, welcher bei Stromschluß einenAnkeranzieht. Dieser greift mit einem gabelförmigen Fortsatz in einSteigradein und dreht es je um einen Zahn weiter; dadurch rückt auch derZeigerum einen Buchstaben weiter. Indem man beim Zeichengeber ziemlich rasch herumdreht, rückt beim Empfänger der Zeiger gleich rasch weiter. Indem man beim gewünschten Buchstaben anhält, signalisiert man ihn.
Der Typendrucktelegraph wurde vom Amerikaner Hughes (1859) erfunden und bewirkt durch eine sinnreiche aber sehr komplizierte Einrichtung, daß die Depesche vom Zeichenempfänger selbst auf den Papierstreifen in gewöhnlicher Schrift gedruckt wird.
Die Typendrucktelegraphen wirken vollkommen sicher, arbeiten etwa 3 mal so schnell wie die Morseschen Schreibtelegraphen und ersparen in der Empfangsstation die Mühe des Abschreibens der Depesche, da dem Adressaten die bedruckten Papierstreifen unmittelbar übergeben werden können. Auf allen bedeutenderen Stationen sind schon solche Typendrucktelegraphen in Gebrauch.
RelaisFig. 176.
Fig. 176.
Wenn man von einer Hauptstation mit mehreren, hintereinander liegenden Nebenstationen in Verbindung treten will, so müßte der Strom so stark sein, daß er in sämtlichen Stationen zugleich das Anziehen der Anker bewirkt. Hiezu müßte der Strom eine beträchtliche Stärke haben. Man erzielt eine Ersparnis durch Einrichtung desRelais. Dies besteht aus einem Elektromagnet mit leicht beweglichem Anker. Wird dieser angezogen, so schließt er durch Berührung einer Stellschraube den Strom einerLokalbatterie, die den ElektromagnetMdes Zeichenempfängers erregt. Da der Elektromagnet des Relais keine Arbeit zu leisten hat, so kann er sehr leicht gemacht werden, so daß eineLinienbatterievon mäßiger Elementenzahl hinreicht, alle Relais der Nebenstationen zu bedienen.Die Lokalbatterie jeder Station braucht, da sie bloß einen Elektromagneten zu versehen hat und keine lange Leitung hat, nur 2 oder 3 Elemente.
Der Strom wird vom Zeichengeber der einen Station zum Zeichenempfänger der anderen Station geleitet durch die bekannten Telegraphendrähte, verzinkte Eisendrähte. Sie werden von hohen Stangen getragen und, damit sie von der Erdeisoliertsind, auf Glas- oder Porzellanglocken befestigt. Es sollte eine ebensolche Leitung vom Zeichenempfänger zum andern Pole der Batterie zurückführen. Aber bald nach Erfindung der Telegraphen fand Steinheil (1837), daß man dieseRückleitungsparen und an ihrer Stelle mit Vorteil dieErdebenützen könne (Erdleitung). Man führt von dem einen, etwa dem - Pole der Batterie einen Draht in die feuchte Erde und läßt ihn dort in eine Platte (Bodenplatte) endigen. Dadurch ist dieser Pol abgeleitet. Man führt nun vom andern, dem + Pole der Batterie, den Draht zum Drücker, dann zur Telegraphenleitung (Linie), zum Elektromagnet des Zeichenempfängers und dann auch sofort zur Erde in eine Bodenplatte; dadurch ist auch der positive Pol abgeleitet. Wenn nun durch den Drücker der Strom geschlossen wird, so läuft einerseits die -Edirekt zur Erde, anderseits läuft die +Edurch Leitung und Empfänger zur Erde. Von beiden Bodenplatten aus fließen die Elektrizitäten zur Erde ab, verbreiten sich auf ihr und sind dadurch verschwunden. Die Erdleitung ist nicht bloß praktisch wichtig, sondern auch theoretisch interessant, weil man erkennt, daß zum Zustandekommen des galvanischen Stromes nicht der wirkliche Ausgleich von ±Enotwendig ist, sondern daß etwa die positive Elektrizität allein schon dadurch, daß sie durch den Draht fließt, alle Wirkungen des galvanischen Stromes hervorbringen kann; denn auf dem ganzen Drahte vom + Pole bis zur weit entfernten Erdplatte ist nur positive Elektrizität vorhanden, am Pole von hoher Spannung, an der Erdplatte von sehr geringer Spannung (= 0). Diese ungleiche Verteilung der Elektrizität bringt den Strom hervor, wenn durch Ableitung des - Poles dafür gesorgt ist, daß auch der - Pol keine hohe Spannung bekommen kann.
Telegraphenleitungen, welche durch dasMeergelegt werden, werden durch eine Hülle ausGuttapercha isoliert. Um dieser Leitung Festigkeit zu verleihen, wird sie mit Hanf und dann mit einem Kranze dicker Eisendrähte umgeben, nochmal mit Hanf umsponnen (worauf beim Küstenkabel noch ein Kranz von Eisenstäben folgt) und geteert. Auf ähnliche Art werdenErdleitungeneingerichtet.
SekundenpendelFig. 177.
Fig. 177.
ZeigerwerkFig. 178.
Fig. 178.
Der galvanische Strom wird auch dazu benützt, den Gang einer Uhr auf ein weit entferntes Zeigerwerk zu übertragen, so daßbeide stets dieselbe Zeit angeben. Eine solche Einrichtung nennt man eineelektrische Uhr. Hat eine Uhr ein Sekundenpendel, so versieht man dessen Ende mit einerPlatinspitze, welche bei jeder Schwingung einenQuecksilbertropfenberührt, der aus einer Vertiefung eines Eisenblockes herausragt. Dadurch wird der Strom in jeder Sekunde geschlossen.
Daselektrische Zeigerwerkist ähnlich eingerichtet wie der Zeichenempfänger des Zeigertelegraphen. Der Strom durchläuft denElektromagnet, vor dessen Polen sich der beweglicheAnkerbefindet; dieser trägt oben einenHaken, welcher in die Zähne einesSteigradeseingreift und es bei jedem Stromschluß um einen Zahn weiter dreht. Der Zeiger des Steigrades bewegt sich somit wie ein Sekundenzeiger.
Will man etwa nur die Minuten übermitteln, oder bloß nach je 5 oder 10 Minuten den Strom schließen, so wählt man auf der Normaluhr ein Rad, das sich etwa in der Stunde 10 mal herumdreht, und schlägt auf ihm 6 Stifte ein, oder man schlägt auf dem Stundenrade 12 resp. 6 Stifte ein. Bringt man ferner einen HebelJso an, daß sein eines Endecvon den Stiften nach aufwärts gedrückt wird, so wird sein anderes Endeanach abwärts gedrückt, berührt mit seiner Platinspitze ein federndes BlechFF′und schließt dadurch den Strom. Ist der Stift am Hebelende vorbeigegangen, so wird es durch eine Abreißfeder wieder nach abwärts gezogen, bis der nächste Stift kommt und wieder einen Stromschluß bewirkt. So wird in regelmäßigen Zwischenräumen der Strom geschlossen.
MinutenuebertragungFig. 179.
Fig. 179.
Manche Flüssigkeiten leiten die Elektrizität. Ein- und Austritt des elektrischen Stromes in die Flüssigkeit geschieht stets nurunterchemischer Zersetzungder Flüssigkeit.Eine durch den galvanischen Strom verursachte chemische Zersetzung einer Flüssigkeit in ihre einfacheren Bestandteile nennt man Elektrolyse.Die beiden Drahtenden oder Metallplatten, durch welche der Strom in die Flüssigkeit geleitet wird, heißenElektroden(Elektrizitätswege), die Platte, durch welche die + Elektrizität eingeleitet wird, heißtAnode(aufsteigender Weg), die andere, negative Platte, heißtKathode(absteigender Weg). Der der Zersetzung unterliegende Körper heißt dasElektrolyt; die Zersetzungsprodukte heißenIonen;die Ionen kommen stets an getrennten Stellen zum Vorschein;der an der Anode ausgeschiedene Stoff heißtAnionoder der elektronegative Bestandteil, der an der Kathode ausgeschiedene Stoff heißtKationoder der elektropositive Körper, weil er im Sinne des + Stromes wandert. Diese Benennungen stammen von Faraday 1833.
ElektrolyseFig. 180.
Fig. 180.
Taucht man zweiPlatinblecheals Elektroden in Wasser, sogeschieht die Zersetzung des Wassers derart, daß der Sauerstoff an der Anode, der Wasserstoff an der Kathode zum Vorschein kommt: beide können getrennt in pneumatischen Wannen aufgefangen werden.[11]Man erklärt den Vorgang auf folgende Art: Durch die Kathode kommt die negative Elektrizität an der Grenze des Wassers und trennt durch ihren Einfluß die chemisch verbundenen StoffeH2undO. Dabei wird Elektrizität produziert, und zwar wirdH2+,O- elektrisch.Hgleicht seine +Emit der -Eder Kathode aus, wird frei und steigt als Gas in die Höhe; dasOverbindet sich mit demH2des nächstliegenden Wassermoleküls und gleicht seine -Emit dessen +Eaus; dadurch wird das nächsteOfrei und - elektrisch und wandert so weiter, bis schließlich das letzteOmit -Egeladen an der Anode anlangt, dort seine -Emit der +Eder Anode ausgleicht und als freies Gas aufsteigt. Es ist das ein ebensolcher Austausch (Wanderung) der einzelnen Bestandteile von Molekül zu Molekül wie bei den galvanischen Elementen. Ebenso wie in den galvanischen Elementen Elektrizität nur dadurch frei wird, daß die Zersetzungsprodukte an verschiedenen Stellen zumVorschein kommen, sowird bei der Elektrolyse Elektrizität verbraucht, weil die Zersetzungsprodukte an verschiedenen Stellen zum Vorschein kommen.
[11]Die erste Wasserzersetzung beobachteten Nicholson und Carlisle, als sie (1800) bei einer Voltaschen Säule den vom Kupfer kommenden Draht in einen auf der obersten Zinkplatte liegenden Wassertropfen tauchten.
[11]Die erste Wasserzersetzung beobachteten Nicholson und Carlisle, als sie (1800) bei einer Voltaschen Säule den vom Kupfer kommenden Draht in einen auf der obersten Zinkplatte liegenden Wassertropfen tauchten.
ElektrolyseFig. 181.
Fig. 181.
Durch Zerreißung vonH2Osind beide Teile elektrisch geworden und haben ihre Elektrizitäten mit denen der Elektroden ausgeglichen; es ist also von den Elektroden Elektrizität weggeschafft worden, gerade so, wie wenn diese Elektrizität durch die Flüssigkeit gewandert wäre.Flüssigkeiten leiten die Elektrizität nur, insofern und weil sie vom Strom zersetzt werden(De la Rive). Außer der Elektrizitätsbewegung durch die Ionen findet keine Elektrizitätsbewegung durch die Masse des Leiters ähnlich wie bei den Metallen statt. Daraus folgt:die Menge der in die Flüssigkeit übertretenden Elektrizität, also die Stromstärke, ist proportional der Menge des ausgeschiedenen Wasserstoffes.Für jedes MolekülH2wird auch ein AtomOausgeschieden, deshalb sind auch die ausgeschiedenen MengenH2undOeinander chemisch äquivalent, auf 2gHtreffen 16gOoder auf 2ccmHtrifft 1ccmO, also 3ccmKnallgas. Man benützt deshalb auch die Wasserzersetzung, um die Stromstärke zu messen. Bei dem dazu geeigneten Apparat, demVoltameterwerden die erzeugten Gasmengen entweder gemeinsam oder getrennt ingraduierten Glascylindern aufgefangen. Man verzichtet hiebei oft darauf, auch den Sauerstoff aufzufangen, weil er nicht in ganzer Menge als Gas aussteigt; denn ein Teil wird vom Wasser absorbiert, ein anderer Teil bildet Wasserstoffsuperoxyd und bleibt so auch in Wasser gelöst, und ein Teil bildet Ozon, das eine größere Dichte hat als Sauerstoff. Ein Strom von 1 Ampère zersetzt in der Minute 0,00552gWasser, in der Stunde 0,331gWasser.
Ebenso wie Wasser lassen sich viele andere Stoffe elektrolytisch zersetzen, insbesondere die meistenMetallsalze, am leichtesten dieSalze der Schwermetalle, wobei diese Salze meist in Wasser gelöst sind. Wenn man den Strom z. B. durch eine Lösung von Kupfer- oder Zinksulfat oder Silbernitrat leitet, so wird das Metall an der Kathode ausgeschieden; das SäureradikalSO4oderNO3verbindet sich mit dem nächstliegenden Metallatom; dadurch wird dessen Säureradikal frei und wandert so fort, bis es an die Anode kommt; dort entreißt es einem Wassermoleküle den Wasserstoff und bildet damit freie Säure, während der Sauerstoff sich als Gasentwickelt.An der Kathode scheidet sich das Metall, an der Anode die Säure und Sauerstoff aus.
Auch bei der Elektrolyse der Salze wird Elektrizität frei, dasMetallwird + und heißt deshalb daspositive Elektrolyt, dasSäureradikalwird - und heißt dasnegative Elektrolyt; beide gleichen ihre Elektrizität mit der der Elektroden aus. Die Flüssigkeit wird dabei immer ärmer an Metallsalz und reicher an freier Säure und zwar von der Anode aus. Ist alles Metall aus der Flüssigkeit ausgeschieden, so beginnt eine einfache Wasserzersetzung, bei starken Strömen und kleinen Elektrodenflächen auch schon früher.
ElektrolyseFig. 182.
Fig. 182.
Wird bei der Elektrolyse eines Salzes als Anode nicht ein Platinblech, sondern eine Platte von demselben Metalle, welches als Salz in der Flüssigkeit gelöst ist, verwendet, ist also etwa eine Kupferanode in Kupfersulfatlösung, so verbindet sich das Säureradikal (SO4), das an der Anode zum Vorschein kommen sollte, mit dem Metall (Cu) der Anode, löst also die Anode auf und bildet damit wieder dasselbe Salz (SO4Cu), welches in der Flüssigkeit gelöst ist. In diesem Falle, beilöslicher Anode, bleibt die Flüssigkeit stets gleich reich an Salz, undsoviel sich an der Kathode Metall niederschlägt, ebensoviel wird von der Anode Metall weggenommen. Ähnliches findet stets statt, wenn das Anodenmetall mit dem sich ausscheidenden Säureradikal eine lösliche Verbindung eingehen kann. Ist z. B. Kupferanode in Zinksulfatlösung, so wird an der KathodeZnausgeschieden, und an der Anode verbindet sichSO4mitCu, so daßZnaus der Lösung verdrängt und durchCuersetzt wird.
Davy entdeckte 1807 durch Elektrolyse die Metalle Kalium und Natrium. Man gräbt in ein Stück Ätzkali ein Loch, füllt es mit Quecksilber, in welches man den Kathodendraht taucht, und das Ätzkali stellt man in Quecksilber, in das man den Anodendraht taucht. Bei sehr starkem Strome geschieht die Zersetzung des Ätzkali inKaundO, das Kalium entsteht an der Kathode und bildet mit Quecksilber ein Amalgam, aus welchem es durch Destillation gewonnen werden kann.Berzelius fand, daß bei Elektrolyse von manchen Salzen der Alkali- und alkalischen Erdmetalle sichH2undOausscheiden, und daß daneben sich die Salze zerlegen in die Säure, welche an der Kathode, und in die basischen Stoffe (Hydroxyde), welche an der Anode sich ausscheiden.Aluminiumwird jetzt durch Elektrolyse der feuerflüssigen Tonerde gewonnen. Tonerde wird im Kohlentiegel sehr stark erhitzt, dann wird durch sie ein Strom geleitet, welcher die Tonerde zunächst bis zum Schmelzen erhitzt und dann zersetzt. An der oben befindlichen Kohlenanode scheidet sich Sauerstoff aus, der sich mit der Anode zu Kohlenoxydgas verbindet. An der Kathode scheidet sich Aluminium aus. Natrium wird technisch durch Elektrolyse von geschmolzenem Chlornatrium dargestellt.
Davy entdeckte 1807 durch Elektrolyse die Metalle Kalium und Natrium. Man gräbt in ein Stück Ätzkali ein Loch, füllt es mit Quecksilber, in welches man den Kathodendraht taucht, und das Ätzkali stellt man in Quecksilber, in das man den Anodendraht taucht. Bei sehr starkem Strome geschieht die Zersetzung des Ätzkali inKaundO, das Kalium entsteht an der Kathode und bildet mit Quecksilber ein Amalgam, aus welchem es durch Destillation gewonnen werden kann.
Berzelius fand, daß bei Elektrolyse von manchen Salzen der Alkali- und alkalischen Erdmetalle sichH2undOausscheiden, und daß daneben sich die Salze zerlegen in die Säure, welche an der Kathode, und in die basischen Stoffe (Hydroxyde), welche an der Anode sich ausscheiden.
Aluminiumwird jetzt durch Elektrolyse der feuerflüssigen Tonerde gewonnen. Tonerde wird im Kohlentiegel sehr stark erhitzt, dann wird durch sie ein Strom geleitet, welcher die Tonerde zunächst bis zum Schmelzen erhitzt und dann zersetzt. An der oben befindlichen Kohlenanode scheidet sich Sauerstoff aus, der sich mit der Anode zu Kohlenoxydgas verbindet. An der Kathode scheidet sich Aluminium aus. Natrium wird technisch durch Elektrolyse von geschmolzenem Chlornatrium dargestellt.
Auch die Elektrolyse von Salzen benützt man zur Messung der Stromstärke; man benützt Kupfer- oder Zinksulfatlösung mit Kupfer- resp. Zink-Anoden, oder Silbernitratlösung mit Silberanoden,bestimmt durch Wägung die Menge des an der Kathode niedergeschlagenen Metallesund schließt daraus auf die Stromstärke: 1Amp.scheidet in einer Stunde 1,166gCuoder 3,974gAgaus.
Faraday fand 1834 hierüber folgende Gesetze:
1) Die Elektrolyse eines und desselben Stoffes ist der Stromstärke proportional (schon erwähnt).
2)Bei Elektrolyse verschiedener Stoffe werden(bei gleicher Stromstärke und in gleichen Zeiten)solche Mengen von Stoffen ausgeschieden, welche sich chemisch vertreten können(äquivalent sind). Äquivalente Mengen verschiedener Stoffe brauchen zu ihrer elektrolytischen Ausscheidung gleich viel Elektrizität. Läßt man also gleiche Ströme oder denselben Strom durch einen Wasserzersetzungsapparat, eine Kupfer-, Silberlösung u. s. w. gehen, so verhalten sich die ausgeschiedenen Gewichtsmengen
H2:O:Cu:Ag2:Zn= 2 : 16 : 63,4 : 216 : 65,2.
H2:O:Cu:Ag2:Zn= 2 : 16 : 63,4 : 216 : 65,2.
Derselbe Strom, welcher in einer Stunde 1gWasserstoff ausscheidet, scheidet in einer Stunde 8gSauerstoff, 31,7gKupfer, 108gSilber, 32,6gZink aus.
102.Wie vielAmp.hat ein Strom, welcher in 21⁄2Std. 116gWasser zersetzt? Wie vielccmWasserstoff entstehen dabei?
103.In einem Kupfervoltameter wurden in 10 Minuten 3,62gKupfer niedergeschlagen. Wie groß war die Stromstärke?
104.Welche Stromstärke ist im stande, in 24 Std. 5 Ztr. Kupfer auszuscheiden?
Das elektrolytische Gesetz gilt in jedem galvanischen Elemente.Wenn sich in einem Elemente 65,2gZnauflösen, so produzieren sie so viel Elektrizität, als 2gHzum Freiwerden nötig haben, und es werden im Element selbst 63,4gKupfer ausgeschieden. Leitet man diesen Strom durch eine Kupferlösung, so werden darin auch 63,4gCuaufgelöst und abgesetzt, und wenn man den Strom nacheinander durch mehrere Kupfer- oder Silberlösungen leitet, so werden in jeder 63,4gCuoder 216gAgausgeschieden, die genau den 65,2gZnentsprechen, welche sich im Elemente auflösen.
Ähnliches gilt auch bei einerauf elektromotorische Kraft verbundenen Batterie. Das erste Element liefert eine Elektrizitätsmenge, welche der in Lösung gehenden MengeZnentspricht (1Amp.für je 0,0205gZnpro Min.). Vom + Pole läuft die Elektrizität zum - Pole des zweiten Elementes; deshalb ist das Zink des zweiten Elementes Anode in Bezug auf den Strom des ersten Elementes, also löst sich Zink des zweiten Elementes auf in einer Menge, die der durchfließenden Elektrizitätsmenge entspricht (0,0205gZnpro Min. für je 1Amp.), die also der gelösten Menge Zink des ersten Elementes gleich ist.
Die im ersten Elemente erzeugte Elektrizität wird also beim Durchgang durch das zweite Element weder vermehrt noch vermindert, sondernbleibt der Quantität nach dieselbe; wohl aber wird sie verstärkt, wie wir bald sehen werden. Dasselbe gilt von allen folgenden Elementen. Sind also beliebig viele, der Art und Größe nach sogar beliebig verschiedene Elemente in demselben Stromkreise auf Intensität verbunden, so ist die im Stromkreise zirkulierende Menge Elektrizität nur so groß, als der ineinemElemente sich auflösenden Menge Zink entspricht, undin jedem Elemente wird gleich viel Zink gelöst. Leitet man den Strom der Batterie durch einen Silbervoltameter oder Wasserzersetzer etc., so entspricht die Menge des niedergeschlagenen Silbers etc. der Menge des ineinemElemente sich auflösenden Zinkes, also 0,06624gAgoder 0,00552gWasser oder 0,00492Ooder 0,0006Hpro Min. für jedes Ampère.
Sind dieElemente auf Quantität geschaltet, so läuft sämtliche in den einzelnen Elementen produzierte Menge Elektrizität durch denselben Draht;die Stromstärke entspricht der Summe all der Zinkmengen, welche in den einzelnen Elementen gelöst werden, im Voltameter scheidet sich deshalb eine dieser Gesamtmenge entsprechende Menge Elektrolyt aus, und es ist wohl möglich, daß in den einzelnen Elementen in gleichen Zeiten verschiedene MengenZngelöst werden.
Bei der Elektrolyse tritt stets eine elektromotorische Kraft auf, welche dem zersetzenden Strome entgegenwirkt, ihn also schwächt.Leitet man den Strom einer Batterie durch einen Wasserzersetzer, so wird durch das Zersetzen des Wassers inH2undOeine elektromotorische Kraft tätig, welche den Strom schwächt; denn dort, woH2auftritt, also an der Kathode, entsteht ein positiver Pol, und an der Anode ein negativer.
PolarisationsstromFig. 183.
Fig. 183.
Benützt man als Elektroden in Wasser zwei Platinbleche, so bleiben von den ausgeschiedenen GasenH2undOkleine Mengen am Platin haften. Entfernt man nun den ursprünglichen,primären Strom und verbindet die Platinbleche mit einem Galvanometer (indem man das Drahtstückabrasch nachacverlegt), so erkennt man das Vorhandensein des sekundären oder Polarisationsstromes. Er läuft so, als wäre das Blech, welches als Kathode gedient hat, nun der negative Pol; wo also zuerst die negative Elektrizität hineinlief, da läuft sie beim Polarisationsstrom heraus.Die Richtung des Polarisationsstromes ist der des ursprünglichen entgegengesetzt.Auch hiebei geht ein chemischer Prozeß vor sich, indem das am Platin haftendeH2durch Vermittelung des Wassers wandert und sich mit dem an der Anode haftendenOverbindet. DerPolarisationsstrom entsteht also durch WiedervereinigungvonH2undO.
UebergangsgefaelleFig. 184.
Fig. 184.
Geht der Strom durch den Wasserzersetzer, so ist der Polarisationsstrom als solcher nicht vorhanden, wohl aber dessen elektromotorische Kraft. Diese wirkt in entgegengesetztem Sinne wie die Batterie und schwächt sie. Deshalb zeigt dasGefälle, das auf dem metallischen oder flüssigen Leiter einkontinuierlichesist, beim Übergang vom metallischen Leiter in die Flüssigkeit einenSprung, einenAbsprung, der auf einmal ein ganzes Stück des Gefälles verbraucht.Fig. 184. Dieser Betrag elektrischer Kraft wird aber gerade dazu verwendet, um die chemische Verwandtschaft vonH2undOzu lösen; es bedarf einer Arbeit, die chemisch verbundene MoleküleH2undOzu trennen, unddiese Arbeit wird geleistet von der Elektrizität, indem sie einen Teil ihres Potenzials dazu verwendet.
EinSprung im Gefällefindet auchbei jeder auf elektromotorische Kraft zusammengesetzten Batteriestatt,insofern in jedem Elemente das Potenzial erhöht wird. Durch das erste Element (Fig. 185) wird eine Potenzialdifferenz geschaffen an der Grenzfläche von Zink und Flüssigkeit; die + Elektrizität geht mit Gefälle durch die Flüssigkeit des Elementes und durch den Verbindungsdraht zum Zink des zweiten Elementes; dort wirkt die elektromotorische Kraft des zweiten Zinkes und erhöht dies elektrische Potenzial um den Betragb′c′(=bc), wenn das zweite Element dieselbe elektromotorische Kraft hat wie das erste; dann folgt Gefälle zum - Pole des dritten Elementes; dort wieder Erhöhung des Potenzials u. s. f.
GefaelleFig. 185.
Fig. 185.
Sind in einem Stromkreise mehrere elektromotorische Kräfte tätig, so ist die elektromotorische Kraft des Stromes gleich der algebraischen Summe sämtlicher elektromotorischen Kräfte, wobei die in dem einen Sinne wirkenden Kräfte als +, die in dem andern Sinne wirkenden Kräfte als - anzusetzen sind,die Aufeinanderfolge der Kräfte aber eine beliebige ist. In jedem Elemente geschieht eine chemische Verbindung, es verschwindet chemische Verwandtschaft, dafür wird eine elektrische Potenzialdifferenz hergestellt, oder eine schon vorhandene erhöht. Bei jeder Elektrolyse wird eine chemische Verbindung gelöst, es wird chemische Verwandtschaft hergestellt; dazu wird elektrische Kraft verbraucht, d. h. eine vorhandene elektrische Potenzialdifferenz wird verbraucht, und so entsteht der Absprung im Gefälle.
Wenn bei der Elektrolyse eines Metallsalzesdie Anode aus dem entsprechenden Metalle besteht, sich also auflöst,so kommt keine elektromotorische Kraft zum Vorschein; denn es wird hiebei keine chemische Verbindung gelöst, sondern es findet nur ein gegenseitiger AustauschderselbenStoffevon Molekül zu Molekül statt. Es genügt in diesem Falle die geringste elektromotorische Kraft, um die Elektrolyse hervorzubringen.
Die Galvanoplastik zerfällt in zwei Teile, 1) dieeigentliche Galvanoplastik, die Herstellung dicker Metallniederschläge, um einen Gegenstand in Metall abzuformen, 2)die Galvanostegie, das Überziehen eines Gegenstandes mit einer dünnen festhaftenden Metallschichte.
Galvanoplastik in Kupfer.(Jakobi 1838.) Will man eine Münze in Kupfer nachbilden, so macht man von ihr einenAbdrucketwa in Blei, dasNegativ, welches die Erhabenheiten der Münze vertieft enthält. Hängt man das Negativ an einem Kupferdrahte ineine LösungvonKupfersulfat als Kathode, ihm gegenüber alsAnode ein Kupferblechund schließt den Strom, so löst sich Kupfer von der Anode und schlägt sich auf dem Blei alsmetallischer fester Niederschlagab, der immer dicker wird. Ist er stark genug, so kann man das Blei entfernen, und das Kupfer zeigt ein getreues Abbild der Münze.
Hiezu genügt auch eineAbänderung des Daniellschen Elementes. Man füllt einen großen Trog (Steingut oder Holz mit Blei ausgeschlagen), mit Kupfervitriollösung, die mit etwas Schwefelsäure angesäuert ist und stellt mehrere Tonzellen mit Schwefelsäure und Zinkblöcken ein. Die Zinkblöcke werden durch Drähte mit einem Kupferstab verbunden, und von diesem aus hängt das Negativ in die Kupfervitriollösung. So stellt das Ganze gleichsam ein Daniellsches Element vor;Zink löst sich auf, Kupfer wird an den hineingehängten Negativen niedergeschlagen.
GalvanoplastikFig. 186.
Fig. 186.
Als Material für das Negativ benützt man leichtflüssige Metalle, Wachs, Stearin, besonders auch Guttapercha. Bei nichtmetallischen Stoffen muß das Negativ leitend gemacht werden durch Einreiben mit Graphit- oder Bronzepulver.
Auf diese Weise macht man Kopien von Münzen, Medaillen, Schmuckgegenständen, besonders auch von Kupferstichplatten und Holzschnitten (Cliché).
DieGalvanostegieoder galvanische Metallisierung wird angewandt,um einen metallenen Gegenstand mit einer dünnenSchichte eines edleren Metalles zu überziehen, um ihm ein schöneres Aussehen zu geben oder ihn gegen Rost zu schützen. Am gebräuchlichsten sind:
a) Das galvanischeVersilbern: ein passendes Bad macht man aus 10ldestilliertem Wasser, darin löst man 250gCyankalium auf und fügt 100gSilber (in Silbernitrat verwandelt und dann in etwas Wasser aufgelöst) hinzu. Es findet Wechselzersetzung statt, indem sich Kaliumnitrat und Cyansilber bildet, welch letzteres in dem überschüssig vorhandenen Cyankalium gelöst bleibt.
Man versilbert mit einer Batterie, indem man den Gegenstand als Kathode und ein Silberblech als Anode ins Bad bringt. Das Bad bleibt gesättigt, da sich von der Anode so viel Silber löst, als sich an der Kathode niederschlägt.
b)Vergolden.(Zuerst gefunden vonde la Rive1841). Es gibt eine große Anzahl von Vorschriften für Vergoldungsbäder. Einkaltangewandtes Bad hat folgende Zusammensetzung: Wasser 1l, Cyankalium 40g, Gold 10g(in Chlorid verwandelt), Ammoniak 2g.
Einwarm(bei 60-80°) angewandtes Bad hat folgende Zusammensetzung: In 8lWasser werden 600gkrystallisiertes phosphorsaures Natrium gelöst, in 1lWasser werden 10gGold (als Chlorid) gelöst und beide Lösungen gemischt. In 1lWasser löst man 100gzweifach schwefligsaures Natrium und 15-20gCyankalium und fügt diese Lösung zu der zuerst bereiteten.
Als Anoden verwendet man entweder Goldblech, von dem sich beim Stromschlusse Gold im Bade auflöst, jedoch meist nicht so viel, als sich an der Kathode niederschlägt, weshalb das Bad sich erschöpft; oder man nimmt ein Platinblech, von welchem sich nichts ablöst, so daß sich das Bad erschöpft; es wird dann durch weiteren Zusatz von Goldsalz wieder aufgebessert, oder durch ein neues ersetzt.
c)Verkupfern.Eisen und Zink lassen sich nicht gut direkt versilbern oder vergolden, man muß sie zuerst verkupfern, und auch sonst will man manche aus Eisen oder Zink gefertigte Gegenstände verkupfern, um ihnen ein schöneres Aussehen zu geben oder sie gegen Rost zu schützen. Man benützt als Anode einer starken Batterie ein Kupferblech in folgendem Bade. Man löst in 20lRegenwasser 300gschwefligsaures Natrium und 500gCyankalium, löst in 5lWasser 350gessigsaures Kupfer und 200gAmmoniak und mischt nun beide Flüssigkeiten, wobei sie sich vollständig entfärben.
d) Kupferne und eiserne Gegenstände (eisernes Küchengeschirr, Eisendraht) werden auch oftverzinnt; ein Bad, das meist heiß angewandt wird, ist folgendes: 300lRegenwasser, 3kgWeinstein, 300gZinnchlorür.
e)Vernickeln.Man verwendet als Bad eine gesättigte Lösung von schwefelsaurem Nickeloxydul, als Anode ein Nickelblech, und vernickelt Gegenstände aus Kupfer, Messing und Eisen.
105.In welcher Zeit werden sich bei 2,6Amp.10gSilber ausscheiden, und wie viel Zink wird dabei im Element verbraucht?
106.Wie lange muß ein Negativ im galvanischen Bad sein, damit es sich bei 30cmLänge und 18cmBreite mit einer 0,8mmdicken Kupferschichte überzogen hat, wenn die Stromstärke 12Amp.beträgt?
InduktionFig. 187.
Fig. 187.
Die Induktionselektrizität wird nach folgendem Gesetze hervorgebracht.Wird ein Teil eines geschlossenen Leiters einem Teil eines galvanischen Stromes genähert, oder von ihm entfernt, so entsteht jedesmal in dem geschlossenen Leiter ein elektrischer Strom, der Induktionsstrom.
Die Richtung des Induktionsstromes ist stets eine solche, daß durch die Einwirkung des induzierten Stromes auf den induzierenden nach den Ampèreschen Gesetzendie Bewegung verlangsamtwürde (Gesetz von Lenz); es hat also der beimAnnäherninduzierte StromL′LdieentgegengesetzteRichtung, wie der induzierende StromBD, so daß diese beiden, in entgegengesetzter Richtung laufenden Ströme sich abstoßen, demnach die Bewegung des Annäherns verlangsamen würden; es hat ferner der beimEntferneninduzierte StromLL′die gleiche Richtung wie der induzierende StromBD, so daß also die beiden in gleicher Richtung laufenden Ströme sich anziehen, also die Bewegung des Entfernens verlangsamen würden.
Man erregt diese Induktionsströme und weist sie leicht nach auf folgende Art.
Man benützt: 1) dieinduzierende Rolle(P), das ist ein in vielen Windungen auf eine Spule gewickelter, isolierter Kupferdraht, durch welchen der Strom einer Batterie geleitet werden kann.
2) Dieinduzierte oder Induktionsrolle(J); das ist ein über eine größere Spule in sehr vielen Windungen gewickelter, meist viel feinerer, isolierter Kupferdraht: die Induktionsrolle kann so über die induzierende geschoben werden, daß letztere von ersterer ganz umhüllt wird. Die beiden Enden der InduktionsrolleJführen zu Klemmschrauben, von denen Drähte zu einem empfindlichen Galvanometer führen, so daß dieInduktionsrolle mit den Galvanometerwindungen einen geschlossenen Leiter bildet.
InduktionsrolleFig. 188.
Fig. 188.
a)Elektrische Induktion.Man leitet den Strom der Batterie durch die induzierende Rolle und schiebt dann die Induktionsrolle über die induzierende,so entsteht in der Induktionsrolle durch die Annäherung des geschlossenen Leiters an den Stromteil ein Strom, welcher die Nadel des Galvanometers ablenkt. Dieser Strom ist dem induzierenden oder primären Strome entgegengesetzt gerichtet und heißtSchließungsstrom.
Man zieht die Induktionsrolle von der induzierenden weg, so entsteht in der Induktionsrolle ein Strom, der die Nadel des Galvanometers nach der entgegengesetzten Richtung ablenkt; dieser Strom ist dem induzierenden Strome gleichgerichtet und heißtÖffnungsstrom.Die beiden Induktionsströme sind der Richtung nach verschieden.
Die Ströme dauern nur so lange, als die Bewegung des Annäherns und Entfernens dauert;sobald die Bewegung aufhört, hört der Induktionsstrom auf, weshalb die Nadel des Galvanometers auf 0 zurückgeht.
Wenn man die Induktionsrolle über die induzierende gesteckt hat, und nun erst den Strom in der primären Rolle schließt, so entsteht ein Induktionsstrom von derselben Richtung, wie beim Annähern, also einSchließungsstrom; wenn man den Strom in der primären Rolle öffnet, so entsteht ebenso einÖffnungsstrom.Diese Ströme sind von derselben Richtung wie die zuerst gefundenen, haben auf sie ihren Namen übertragen, haben ganz ähnliche Entstehungsursache, aber, dem raschen Hineinlaufen des Stromes in die primäre Rolle entsprechend, einesehr kurze, fast momentane Dauer, und verlaufen deshalb mitgrößerer Kraft.
b)Magnetelektrische Induktion.Schiebt man in die Induktionsrolle einen permanenten Magnet, so entsteht ein Strom; beim Herausziehen des Magnetstabes entsteht ein entgegengesetzt gerichteter Strom. Der Magnet wirkt ja nach Ampères Theorie wie ein Solenoid, und da der vorher benützte primäre Strom die Form eines Solenoides hatte, so kann er durch einen Magnet ersetzt werden.Durch Annähern und Entfernen des Magnetes können Ströme induziert werden.
Auch die Richtung dieser Ströme kann leicht gefunden werden, da beim Magnete am Nordpole, d. h. wenn man den Nordpol dem Auge zukehrt, die Ströme entgegengesetzt dem Zeiger der Uhr laufen. Steckt man den Magnet mit dem Nordpol voran in die Induktionsrolle, so ist der Induktionsstrom diesen Ampère-Strömen entgegengesetzt, und läuft wie die Uhr; zieht man den Magnet wieder heraus, so läuft der Strom gegen die Uhr. Bei Benützung des Südpoles entstehen Ströme von je entgegengesetzter Richtung.
c)Elektromagnetische Induktion.Wenn man in das Innere der induzierenden Rolle ein Stück weiches Eisen oder besser ein Bündel weicher Eisenstäbe steckt, und nun dieselben Versuche wie inawiederholt, so erhält man Ströme von gleicher Richtung wie vorher, jedoch von größerer Stärke. Denn der in der primären Rolle steckende Eisenkern wird bei Stromschluß magnetisch, beim Öffnen wieder unmagnetisch; die Kreisströme diesesElektromagnetessind aber gleich gerichtet den Kreisströmen der primären Rolle; beide wirken induzierend in demselben Sinne, weshalb die Induktionsströme der Summe beider Wirkungen entsprechen.
Alle diese wichtigen Gesetze wurden von Faraday 1813 entdeckt. Besonderes Interesse erregen die Magnetinduktionsströme deshalb, weil man, ähnlich wie man mittels des Stromes Magnetismus hervorrufen kann (Elektromagnet), so nun mittels des Magnetes auch wieder den elektrischen Strom hervorrufen kann, weil man ferner, ohne eine Batterie nötig zu haben, mittels des Magnetstabes allein Ströme erzeugen kann, und schließlich weil gerade diese magnetelektrischen Induktionsströme in jüngster Zeit eine ungeahnte Entwicklung erfahren und vielfache und großartige Anwendung gefunden haben. Man erhält diese magnetelektrischen Ströme als Äquivalent für die Kraft, die man aufwenden muß zur Überwindung der Kraft, mit welcher die induzierten Ströme die Magnetpole anziehen resp. abstoßen.