Benutzer:CK85/Untersuchungen über die Ausbreitung der elektrischen Kraft Kapitel 3

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3. Aus der Abhandlung Herrn W. von Bezold’s: „Untersuchungen über die elektrische Entladung. Vorläufige Mittheilung.“

(Poggendorf’s Annalen 140, p. 541. Berichte der Bayrischen Akad. d. Wissensch. 1870.)

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     Da wir denjenigen Theil der v. Bezold’schen Arbeiten, welcher uns hier allein angeht, aus dem Zusammenhang herausreissen müssen, so sei es gestattet, denselben durch wenige Worte einzuleiten.

     Die Untersuchung v. Bezold’s knüpft an die Beobachtung der Lichtenbergischen Staubfiguren an. Herr von Bezold hatte bemerkt, dass unter gewissen Verhältnissen der Charakter der positiven und der negativen Figuren abgeändert und einander genähert erscheint, so sehr, dass z. B. die negativen Figuren auf den ersten Anblick für positive gehalten werden könnten. Die erste Abweichung vom normalen Charakter tritt stets in der Weise ein, dass im Mittelpunkte der negativen Figur eine kleine positive Figur, im Mittelpunkt der positiven eine kleine negative Figur erscheint. Es hatte sich ergeben, dass die complicirteren Figuren ihre Entstehung stets einem Funken verdankten, welcher einer alternirenden Entladung entsprach, während die einfachen Figuren durch einfache Entladungen hervorgebracht werden. In jeder zusammengesetzten Figur hat sich eine alternirende Entladung gewissermaassen selbst registrirt; aus dem Anblick der Figur kann der alternirende Charakter der Entladung und der Sinn ihres ersten Ausschlages sogleich erkannt werden. Wir können also die Lichtenbergischen Figuren zur Untersuchung der Entladung verwenden.

     Von Bezold erzeugte die Lichtenbergischen Figuren in folgender Weise: Eine gut isolirende horizontale Glastafel war auf ihrer Unterseite mit Staniol belegt und diese Belegung zur Erde abgeleitet. Auf die Oberseite der Tafel war die Spitze einer vertikal gerichteten Stricknadel gestellt, welcher die Entladung zugeführt wurde. Hierauf wurde die Stricknadel entfernt, die Platte bestäubt und die entstehende Figur beobachtet. Wenn man diese Vorrichtung, welche als die Probetafel bezeichnet wird, unmittelbar in den Entladungskreis einer Leydener Flasche oder des Conductors einer Elektrisirmaschine einschaltet, so ist natürlich das Zustandekommen einer alternirenden Entladung, ja einer vollständigen Entladung überhaupt, von vornherein unmöglich gemacht. Man wird also die Probetafel nur in den Nebenschluss der eigentlichen zu untersuchenden Entladung einschalten dürfen.

     Indem nun Herr von Bezold diesen Weg einschlug und als Hauptentladung die Entladung des Conductors seiner Elektrisirmaschine zur Erde benutzte, stiess er sogleich auf sehr auffallende Erscheinungen. Positive Figuren erschienen da, wo negative zu erwarten waren, grosse da, wo man kleine vermuthet hatte, und umgekehrt. Das Ohm’sche Gesetz versagte völlig, es schien als habe die bewegte Elektricität die Kraft, benachbarte Elektrizität mit sich fortzureissen, als könnten „bei elektrischen Strömungen ähnliche Erscheinungen auftreten, wie sie bei der Bewegung der Flüssigkeiten unter dem Namen von Saugphänomenen beobachtet sind.“ Dabei mussten freilich zunächst noch viele Einzelheiten unerörtert bleiben. Wir geben nunmehr das Wort an Herrn von Bezold selbst ab:

     „Diese eigenthümlichen Beobachtungen gaben die Veranlassung zu weiteren Versuchen über die Verzweigung elektrischer Entladungsströme.

     Auch hier ergaben alternirende Entladungen constantere Resultate als einfache und es wurde deshalb stets für eine geeignete Rückleitung Sorge getragen. Dass ein einfacher Draht zu diesem Zwecke nicht brauchbar ist, beweisen die obigen Versuche, es wurden deshalb die Inductionsrollen des Rühmkorff’s R zur Rückleitung benutzt.

     Wurde nun die Elektrisirmaschine Q langsam in Drehung versetzt, bis ein Funke bei F übersprang, so erschienen auf der Tafel bei A die zusammengesetzten positiven Figuren mit grosser Regelmassigkeit.

     Wurde der Strom durch einen kurzen Draht D abgezweigt

Fig. 12.

und der Zweigstrom ebenfalls durch einen Zuleiter B auf die Tafel geführt, so erschienen, wie zu erwarten war, zwei vollkommen gleiche Figuren. Hatte hingegen der Zweigdraht eine nur einigermaassen beträchtliche Länge (etwas mehr als 1 Meter), so zeigten die Figuren bereits eine entschiedene Grössenverschiedenheit. Sobald nämlich die Länge des Drahtes diese Gränze überschritten hatte, war die Figur bei B immer grösser als jene bei A, selbst wenn man die Abzweigung ganz nahe am Ende des Zuleiters (1 cm über der Platte) vornahm. Bei Verlängerung des Zweigdrahtes D wurde auch die Grössendifferenz zwischen den beiden Figuren immer auffallender, bis sich endlich für $D\,=\,6{,}4{\text{ m}}$ und $F\,=\,4{,}0{\text{ mm}}$ (F ist die Länge der Funkenstrecke) die Figur bei A auf ein kleines Sternchen reducirte, manchmal wohl auch ganz ausblieb.

     Dieser Versuch zeigt augenfällig, dass die Ohm’schen Gesetze nur für stationäre Strömungen, nicht aber für die elektrische Entladung gelten, wie es ja auch alle theoretischen Untersuchungen ergeben haben. Während nämlich durch den ganz kurzen Zweig A gar keine Elektricität auf die Platte geht, schlägt sie, wenigstens scheinbar, den viel hundertmal längeren Weg durch den Draht D ein.

     Verlängert man den Draht D noch mehr, so bleibt vorerst innerhalb ziemlich weiter Gränzen die Erscheinung unverändert, und erst, wenn man die Länge desselben etwa auf das Doppelte gebracht hat, wird auch die Figur bei A wieder grösser, bis bei noch beträchtlicheren Längen die Grössendifferenz der beiden Figuren wieder vollständig verschwindet. Hierbei war es ganz gleichgültig, ob ein dicker oder dünner, besser oder schlechter leitender Draht angewendet, ob er in einer straffgespannten Schleife hin und her oder im Bogen herumgeführt wurde. Mit Spiraldrähten habe ich jedoch noch nicht experimentirt.

     Bei der vollkommenen Neuheit der Erscheinung schien es mir nun interessant, das Verhalten des Drahtes D an verschiedenen Stellen zu untersuchen. Es wurde deshalb eine Aenderung getroffen, wie sie in Fig. 13 schematisch dargestellt ist. Auf

Fig. 13.

die Tafel werden die Zuleiter A, B, C aufgesetzt, welche durch zwei Drähte D und D´ miteinander verbunden sind. Wählt man nun die Länge dieser Drähte so, dass bei C eine möglichst grosse, bei A hingegen eine möglichst kleine Figur entsteht, so wird die Figur bei B grösser als jene bei A und kleiner als jene bei C. Ist jedoch die Länge des Drahtes beträchtlicher, so nähern sich die Grössen der Figuren A und C der Gleichheit, während B bei richtiger Wahl des Verhältnisses D : D´ ganz klein wird, ja sogar ganz verschwindet. Bei einer Schlagweite von 4,3 mm und den Längen $A\;F\;=\;50{\text{ cm}}\quad D\;=\;6{,}2{\text{ m}}\quad D\,'\;=\;8{,}1{\text{ m}}$ waren die Figuren bei A und C gross, während bei B nur ganz kleine Sternchen erschienen.

     Hebt man irgend einen der Zuleiter von der Tafel ab, so werden dadurch die Figuren an den übrigen Zuleitern nicht im Geringsten geändert.

     Dieser Versuch lehrt die neue Thatsache kennen, dass die Verbindung des Zuleiters mit einem blind endenden Drahte hinreicht, um die Figur, welche am Zuleiter entsteht, ganz wesentlich zu verändern, beziehungsweise dieselbe zum Verschwinden zu bringen. Am belehrendsten wird das Experiment, wenn man nahe beim Zuleiter A ein zweites Funkenmikrometer f (Fig. 14) anbringt, dessen eine Kugel mit A verbunden ist, während die andere zu dem Drahte D führt. Stellt man alsdann das Funkenmikrometer f zuerst auf eine weite Distanz ein, und verringert man diese allmählich, so sieht man, wie von

Fig. 14.

dem Augenblicke an, wo der Funke bei f überspringt, die Figur bei A eine andere wird, beziehungsweise verschwindet. Beachtet man aber, dass bei alterirenden Entladungen der Draht sofort wieder vollständig entladen wird, so ergiebt sich, dass bei einem solchen Vorgange Elektricität zuerst bis an das äusserste Ende des Drahtes D hinein, und sofort wieder herausgetrieben wird, dass also hier Bewegungen stattfinden, welche einer Reflexion vollkommen vergleichbar sind.

     Diese Betrachtung führt zu einer Hypothese über die eigenthümlichen Grössenveränderungen, welche die Staubfiguren bei den beschriebenen Abzweigungen erleiden.

     Werden nämlich elektrische Wellen in einen Draht hineingetrieben, und müssen sie nach Reflexion am Ende desselben auf demselben Wege wieder zurückkehren, so werden die ankommenden mit den reflectirten Wellen interferiren und hiedurch Erscheinungen hervorrufen, welche den bei Orgelpfeifen beobachteten analog sind. Die bisher mitgetheilten Beobachtungen zeigen wirklich eine solche Analogie in hohem Grade, und man darf es wohl wagen, die Stellen des Drahtes, an welchen Maximal- und Minimalfiguren erscheinen, mit den Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten zu vergleichen.

     Die Hypothese, dass man hier Interferenz-Erscheinungen vor sich habe, gewinnt noch dadurch an Wahrscheinlichkeit, dass die Versuche nur mit alternirenden Entladungen in überzeugender Weise gelingen, während bei einfachen Entladungen zwar ebenfalls Grössendifferenzen der verschiedenen Figuren beobachtet werden, aber lange nicht in so hohem Grade.

     Mit den eben beschriebenen Versuchen wurde noch eine kleine Modification vorgenommen, welche abermals den Ausgangspunkt für neue Untersuchungen bildete.

     Verknüpft man nämlich das Ende des Drahtes D (Fig. 12) wieder mit dem ersten Zuleiter A wie es in dem Schema Fig. 15

Fig. 15.

versinnlicht ist, so kann die Figur bei richtiger Wahl der Drahtlänge ebenfalls zum Verschwinden gebracht werden. Dieser Versuch bildete eigentlich den Ausgangspunkt für die sämmtlichen bisher mitgetheilten, ich habe jedoch seine Beschreibung bis auf diese Stelle hier verschoben, da er nicht dazu geeignet ist, das Verständniss der obigen Experimente zu erleichtern. Ich selbst glaubte in ihm zuerst ein Analogon des Savart’schen Interferenzversuches für Schallwellen gefunden zu haben, und dachte mir die Strombewegung im Sinne der gestrichelten Pfeile vor sich gehend. Die Experimente mit dem blind endenden Draht, sowie der Umstand, dass der Abstand der beiden Abzweigungspunkte auf A keinen entscheidenden Einfluss äusserte, mussten diese Ansicht erschüttern. Um jeden Zweifel hierüber zu beseitigen, unterbrach ich die Drahtschleife D der Reihe nach an verschiedenen Stellen durch eine Funkenstrecke. Die Kugeln dieses zweiten Mikrometers waren hierbei einander bis auf 0,01 bis 0,03 mm genähert. Ich dachte mir nämlich, dass es in dem Falle, wo der Strom von beiden Seiten her in den Draht einstürzt, in diesem Drahte eine Stelle geben müsse, an welcher sich die beiden Wellenzüge begegnen. Befindet sich die Funkenstrecke gerade an dieser Stelle, so muss die Spannung auf beiden Kugeln gleichzeitig dieselbe Höhe erreichen, und es ist demnach an dieser Stelle kein Grund zur Entstehung eines Funkens gegeben, während man an allen andern Stellen einen solchen zu erwarten hat.

     Der Funke blieb wirklich aus, wenn das Mikrometer in der Mitte der Schleife eingeschaltet wurde und erschien, sobald dasselbe nur um wenige Decimeter von dieser Stelle nach der einen oder andern Seite entfernt wurde. Hiermit ist nachgewiesen, dass der Stromlauf durch die ausgezogenen Pfeile dargestellt wird, und anderseits ist die kleine Verspätung sichtbar gemacht, welche der elektrische Entladungsstrom bei dem Durchlaufen weniger Decimeter Draht erleidet.

     Vor Allem suchte ich nun nach den Bedingungen, unter welchen dieser Versuch über die Verzögerung am schlagendsten

Fig. 16.

gelingt. Ich fand es dabei am Besten, direct den Entladungsstrom des Rühmkorff’schen Apparates, mithin das Schema (Fig. 16) anzuwenden. Der inducirende Strom wurde Fig. 16. durch ein Grove’sches Element erzeugt, und die Funkenstrecke im Funkenmikrometer ungefähr $F=2{\text{ mm}}\,$ gemacht, da weder grössere noch kleinere Funkenstrecken so gute Resultate lieferten.

     Unter diesen Umständen war es für die Hervorbringung des Funkens genügend, wenn der eine Draht D auch nur um 1 Decimeter länger war, als der andere. Waren sie hingegen gleich lang, so erschien niemals ein Funke. Man kann ihn jedoch augenblicklich zur Erscheinung bringen, wenn man durch Anlegen des Knopfes einer Leydner Flasche an einen der Drähte die Symmetrie der beiden Stromwege stört.

     Auch bei diesen Versuchen äusserten Material und Dicke der Drähte nicht den geringsten Einfluss. Ob ich einen versilberten Kupferdraht von 0,06 mm Durchmesser oder einen Eisendraht von 0,23 oder endlich einen Kupferdraht von 0,80 mm Durchmesser anwendete, immer blieb der Funke aus, wenn nur die beiden Drähte gleich lang waren.

     Es ist mithin die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Elektricität für alle (gespannten)^[1] Drähte eine gleiche.

     In der bisher beschriebenen Form ist jedoch der Versuch ziemlich unscheinbar, da man nur mit sehr kleinen Funkenstrecken des Hülfsmikrometers f arbeiten kann. Ich war deshalb bestrebt, ihn in einer Weise abzuändern, welche gestattet, denselben auch einem Auditorium sichtbar zu machen.

     Versuche mit kleinen Geissler’sehen Röhren führten bis jetzt noch zu keinem entschiedenen Resultate. Dagegen kann man die Verspätung wenigstens bei Verzögerungslängen von einigen Metern recht schön auf folgende Art nachweisen. (Fig. 17.)

     Theilt man einen (negativen) Entladungsschlag, am besten

Fig. 17.

den eines Rühmkorff’schen Apparates, ebenso wie oben gleich hinter dem Funkenmikrometer in zwei Zweige und verbindet man einen derselben mit der Belegung der vollkommen isolirten Probeplatte, während man den andern durch den Zuleiter A auf die obere unbelegte Fläche führt, so kann auf der oberen Tafel eine positive, negative oder auch gar keine Figur erscheinen, je nachdem der obere Zweig grösser, kleiner oder ebenso lang ist als der untere. Und zwar müssen die Versuche in bestimmtem Sinne ausfallen, wenn sie die Vermuthung bestätigen sollen, dass sie Zeitdifferenzen ihren Ursprung verdanken. Wenn man sich nämlich daran erinnert, dass es gleichgültig ist, ob man positive Elektricität auf die Platte führt oder negative hinwegnimmt, so versteht man, dass eine positive Entladung eine positive Figur hervorruft, wenn die Elektricität früher an die Spitze des Zuleiters ankommt als auf der Belegung, d. h. wenn D₁ kürzer ist als D₂. Gelangt hingegen die Entladung früher auf die Belegung, so wird der Zuleiter von der Influenzelektricität im entgegengesetzten Sinne durchlaufen und es muss demnach auf der Glasfläche eine negative Figur entstehen, sobald D₂ kürzer ist als D₁. Im Verlaufe der Bewegung muss diese Influenzentladung im Drahte D₁ auf die directe von F herkommende Elektricität treffen, und hiedurch der Figur ein zusammengesetzter Charakter aufgedrückt werden.

     Zwischen diesen beiden Anordnungen mit ganz entgegengesetzten Resultaten muss es aber offenbar solche geben, bei welchen gar keine Figuren entstehen, da kein Grund vorhanden ist, wesshalb eine solche der einen oder der anderen Art zu Stande kommen sollte. Dies muss der Fall sein, wenn die Elektricität von beiden Seiten her gleichzeitig eintrifft, d. h. wenn D₁ und D₂ gleich lang^[2] sind.

     Die Versuche entsprachen diesen theoretischen Voraussagungen vollkommen. Man erhält mit jeder Elektricitätsart Figuren der beiden Arten, wenn man über die Längen der Drähte richtig disponirt.

     Diese Behauptung könnte freilich Manchem, der den Versuch nicht unter ganz günstigen Verhältnissen anstellt, abgesehen von dem einen Falle, wo wegen vollkommener Gleichheit der beiden Zweige gar keine Figuren zu Stande kommen, unrichtig erscheinen. Es kann nämlich eintreten, dass sämmtliche Figuren auf den ersten Blick positiv zu sein scheinen, unter welchen Verhältnissen und mit welcher Elektricitätsart man auch arbeiten mag.

     Der Grund liegt einfach darin, dass die zusammengesetzten negativen Figuren in diesem Falle zu jener Gruppe gehören, welche bereits einen stark positiven Charakter an sich tragen und selbst bei eingehender Beschäftigung mit denselben kaum als negativ erkannt werden können.

     Der nach einem Polwechsel eintretende bedeutende Grössenunterschied ist aber vollkommen hinreichend, um jeden Zweifel über die wahre Natur der Figuren sofort zu beseitigen und die Uebereinstimmung der Versuche mit den theoretischen Voraussetzungen zu beweisen.

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     Alles zusammengefasst, wurden nachfolgende Resultate gewonnen:

     1) Bietet man einer elektrischen Entladung nach Durchbrechung einer Funkenstrecke zwei Wege zur Erde dar, einen kürzern und einen längern, durch eine Probeplatte unterbrochenen, so findet bei kleinen Schlagweiten eine Theilung des Entladungsstromes statt. Bei grösseren Funkenstrecken hingegen schlägt die Elektricität nur den kurzen Weg ein und reisst sogar aus dem andern Zweige gleichnamige Elektricität mit sich fort.

     2) Sendet man einen elektrischen Wellenzug in einen am Ende isolirten Draht, so wird derselbe am Ende reflectirt und Erscheinungen, welche diesen Vorgang bei alternirenden Entladungen begleiten, scheinen ihren Ursprung der Interferenz der ankommenden und reflectirten Wellen zu verdanken.

     3) Eine elektrische Entladung pflanzt sich in gleich langen Drähten gleich rasch fort, ohne Rücksicht auf das Material aus welchem diese Drähte bestehen.“

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1. Spiralförmig gewundene Drähte werden vermuthlich ein anderes Resultat geben.
2. Eine kleine Längendifferenz zu Gunsten des oberen Drahtes kann vielleicht hiebei stattfinden, da die von unten kommende Elektricität sich über die ganze Belegung ausbreiten muss.