MKL1888:Elektromagnetismus

Elektromagnetismus (hierzu Tafel „Elektromagnetische Kraftmaschinen“). Im J. 1820 entdeckte Örsted in Kopenhagen durch Zufall, daß der elektrische (galvanische) Strom eine Wirkung auf die Magnetnadel ausübt. Befindet sich nämlich in der Nähe einer auf eine Spitze drehbar aufgesetzten Magnetnadel (s. Magnetismus) der Schließungsdraht einer galvanischen Batterie, so wird die Nadel aus der Südnordrichtung, welche sie infolge der magnetischen Einwirkung der Erde einnimmt, abgelenkt, sobald ein elektrischer Strom durch den Schließungsdraht geht. Um jederzeit die Richtung, nach welcher die Ablenkung erfolgt, leicht bestimmen zu können, hat Ampère folgende seltsam klingende, aber nützliche Regel gegeben: Man denke sich in dem Stromleiter eine kleine menschliche Figur, den Kopf voran und das Gesicht der Nadel zugewendet, mit dem (positiven) Strom schwimmend, so wird das Südende der Nadel stets nach der rechten Seite der Figur abgelenkt. Ist der Leitungsdraht in der durch die Nadel gelegt gedachten lotrechten Ebene (d. h. im magnetischen Meridian) um die Nadel herumgebogen, so ergibt sich aus jener Regel, daß alle Teile dieses Stromkreises die Nadel im gleichen Sinn abzulenken streben und zwar so, daß ihr Südende nach der Seite hin abgelenkt wird, von welcher aus betrachtet der (positive) Strom die Nadel in derselben Richtung umkreist, in welcher sich der Zeiger einer Uhr bewegt. Wird ein mit Seide oder Wolle umsponnener und dadurch isolierter Kupferdraht um einen Stab aus weichem Eisen herumgewunden, so wird der Eisenstab sofort zu einem Magnet und vermag

Elektromagnetische Kraftmaschinen.

Fig. 1. Helmholtz’ elektromagnetischer Motor. Fig. 2. Stöhrers elektromagnetische Maschine. Fig. 3. Pages elektromagnetische Maschine. Fig. 4. Froments elektromagnetischer Radmotor.

Eisen anzuziehen und festzuhalten, wenn man einen elektrischen (galvanischen) Strom durch die Drahtwindungen leitet; er verliert aber seine magnetischen Eigenschaften sogleich und läßt das angezogene Eisen wieder los, wenn man den Strom unterbricht.

Fig. 1.

Magnetisierungsspirale.

Ein solcher mit Drahtwindungen umgebener Eisenkern, den man durch Schließen und Öffnen des galvanischen Stroms nach Belieben magnetisch und wieder unmagnetisch machen kann, heißt ein Elektromagnet. Statt den Draht unmittelbar auf den Eisenkern zu wickeln, erscheint es zweckmäßiger, denselben auf einer Holzspule (Magnetisierungsspirale, Fig. 1) aufzuwinden, in deren Höhlung man den Eisenstab hineinschiebt.

Fig. 2.

Stromrichtung an den Polen.

Dabei wird dasjenige Ende des Stabes zu einem Südpol, d. h. es würde sich, wenn man den Elektromagnet beweglich aufhängte, nach S. richten, welches, dem Beschauer zugewendet, von dem Strom in der Richtung des Uhrzeigers umkreist erscheint (Fig. 2), das entgegengesetzte zu einem Nordpol.

Fig. 3.

Hufeisenförmiger Elektromagnet.

Will man eine große Tragkraft erzielen, so gibt man dem Elektromagnet die Gestalt eines Hufeisens (abc, Fig. 3), auf dessen Schenkel die Drahtspulen a und c aufgeschoben sind; an dem eisernen Anker de, auf welchen jetzt beide Pole, sich gegenseitig unterstützend, wirken, wird die zur Aufnahme der Gewichte bestimmte Wagschale angehängt. Durch Elektromagnete kann man Tragkräfte erzielen, welche alles durch gewöhnliche Stahlmagnete in dieser Hinsicht Geleistete weit übertreffen. Diese kräftigen Wirkungen legten den Gedanken nahe, den E. als bewegende Kraft zum Betrieb von Arbeitsmaschinen zu benutzen. Die Fig. 4 zeigt eine kleine, von Ritchie angegebene elektromagnetische Maschine. Auf einem Brettchen ist ein hufeisenförmiger Stahlmagnet mit aufwärts gerichteten Polen (Nordpol N, Südpol S) befestigt; in der Mitte zwischen seinen Schenkeln ist eine lotrechte, in Spitzen laufende Achse angebracht, welche einen wagerechten Elektromagnet AB trägt, dessen Endflächen bei der Drehung über die Pole des Stahlmagnets hinweggehen. Leitet man den Strom nun derart durch die Drahtwindungen des Elektromagnets, daß sein Ende A zu einem Südpol, B zu einem Nordpol wird, so wird A von N, B von S angezogen, und es tritt Drehung in der Richtung des Pfeils ein. Diese Drehung würde aber ihr Ende erreichen, sobald A über N und B über S angekommen ist, wenn nicht dafür gesorgt wäre, daß in diesem Augenblick die Stromrichtung in den Drahtwindungen umgekehrt und sonach A zu einem Nordpol und B zu einem Südpol gemacht wird; da alsdann A von N, B von S abgestoßen wird, so setzt sich die Drehung in dem einmal begonnenen Sinn fort. Die Umkehrung des Stroms im geeigneten Augenblick wird aber durch den Stromwechsler, Stromwender oder Kommutator hi selbstthätig bewirkt. Derselbe besteht aus einem auf der Drehungsachse isoliert sitzenden Metallring, welcher an zwei gegenüberliegenden Stellen durch isolierende Zwischenräume in zwei getrennte Hälften zerlegt ist, deren eine h mit dem einen Ende o, die andre i mit dem andern Ende der Drahtwindungen verbunden ist. Auf dem Umfang des Metallringes schleifen zwei Messingfedern f und g, deren äußere Enden Klemmschrauben zur Aufnahme der Poldrähte der Batterie tragen. In der in der Figur dargestellten Lage geht der positive Strom durch die Feder g zum Halbring h und durch das Drahtende o in die Windungen, tritt aus diesen auf den Halbring i über, um durch die Feder f nach dem negativen Pol der Batterie zu gelangen.

Fig. 4.

Elektromagnetisches Maschinchen von Ritchie.

In dem Augenblick aber, in welchem A über N und B über S weggeht, gehen die isolierenden Zwischenräume zwischen h und i unter den Federn weg, die positive Feder f kommt auf i, die negative g auf h zu liegen, der positive Strom durchfließt die Drahtwindungen in umgekehrter Richtung, und die Pole des Elektromagnets kehren sich um. Der Stahlmagnet NS kann durch einen feststehenden Elektromagnet ersetzt werden, dessen Windungen von dem nämlichen Strom wie diejenigen des beweglichen durchflossen werden (vgl. Magnetelektrische Maschinen). Dies ist z. B. der Fall bei einem von Helmholtz konstruierten elektromagnetischen Motor (s. Tafel „Elektromagnetische Kraftmaschinen“, Fig. 1). Der mittels Fußschrauben C, C, C vertikal zu stellende Rahmen AABB trägt zwei feststehende Elektromagnete XY, deren Drahtwindungen durch den Metallstreifen G miteinander in Verbindung stehen. Die Eisenkerne derselben übertragen ihren Magnetismus auf den mit ihnen in unmittelbarer Berührung stehenden eisernen Ring NS, innerhalb dessen der an der Achse a befestigte Elektromagnet HK mit letzterer um die Achse dd′ drehbar und durch die Schraube e fixierbar ist. Diese Achse trägt bei f eine Schnurscheibe mit drei Rinnen von verschiedenem Radius, von welcher aus nach Bedarf die drehende Bewegung vermittelst der Rollen J auf die Schnurscheibe f′ mit horizontaler Achse übertragen werden kann. Als Kommutator dient ein Quecksilbernapf b mit isolierender Scheidewand, in welchen die Platindrähte o und q, die den Strom dem beweglichen Elektromagnet zuführen, eintauchen, so daß dessen Pole bei jeder Umdrehung zweimal sich umkehren. Auf dem Weg dahin geht aber der Strom durch eine Vorrichtung, welche als Regulator der Umdrehungsgeschwindigkeit wirkt. An dem Querarm EE ist nämlich ein Gewicht g um das Scharnier l drehbar; seinem Bestreben, sich von der Achse vermöge der Zentrifugalkraft zu entfernen, wirkt die Spiralfeder λ, die mittels des Schraubenkopfes L stärker oder schwächer gespannt werden kann (der Grad der Spannung wird an der Teilung bei O und auf der Trommel d abgelesen), so lange entgegen, bis die Geschwindigkeit das gewünschte Maß zu überschreiten beginnt. Tritt dies ein, so kommt das Gewicht g außer Berührung mit dem Metallstück z und unterbricht den Strom, welcher von q aus nur über zgulwv nach dem drehbaren Elektromagnet gelangen kann. Die Geschwindigkeit muß nun sofort abnehmen, bis das zurücksinkende Gewicht den Stromschluß wiederherstellt. Damit aber zwischen z und g keine Unterbrechungsfunken auftreten, ist vermittelst der Platindrähte t′′ und t′′′ eine Nebenschließung von großem Widerstand hergestellt, indem dieselben in zwei mit Chlorcalciumlösung gefüllte, unter sich leitend verbundene Glascylinder tauchen. Eine galvanische Batterie von wenigen Elementen wird durch die Klemmschrauben T und R mit dem feststehenden, eine zweite durch den Quecksilbernapf mit dem beweglichen Elektromagnet verbunden.

Den Nachteil, welcher aus der Trägheit des Eisens gegen die Umkehrung des Magnetismus herrührt, hat Stöhrer zu umgehen gewußt, indem er die Rotation eines Elektromagnets, dessen Pole nicht gewechselt werden, durch den Polwechsel einer elektrischen Spirale bewirkte, innerhalb welcher der Elektromagnet sich dreht. Fig. 2 der Tafel „Elektromagnetische Kraftmaschinen“ stellt den Stöhrerschen Apparat dar; a und b sind zwei längliche Rahmen, welche von übersponnenem Kupferdraht gebildet sind, der ungefähr 2 mm im Durchmesser hat. Die Drahtwindungen, welche den obern Rahmen bilden, sind durch den gebogenen Draht c mit denen des untern verbunden; die Windungen beider Rahmen sind derart, daß ein elektrischer Strom beide in gleicher Richtung durchläuft. Der ganze aus horizontalen Drahtwindungen gebildete Rahmen ist mit seidenem Band umwickelt. Zwischen dem obern und dem untern Drahtrahmen ist ein solcher Zwischenraum, daß die Umdrehungsachse des Elektromagnets d sich frei bewegen kann. Der Eisenkern des Elektromagnets ist an jedem Ende mit einer Eisenplatte versehen, welche einesteils die Drahtwindungen des Elektromagnets hält, andernteils aber auch sehr zur Verstärkung der Wirkung beiträgt. Wenn gleichzeitig ein Strom durch die Windungen der Rahmen a und b und durch die Windungen des Elektromagnets d hindurchgeht, so wird sich der Elektromagnet rechtwinkelig stellen zur Ebene der Rahmen, und zwar wird, je nach der Richtung des Stroms in den Rahmen, ein bestimmter Pol des Elektromagnets sich nach oben kehren. Bliebe der Strom in den Rahmen ungeändert, so würde der Elektromagnet in dieser Gleichgewichtslage nach einigen Oszillationen zur Ruhe kommen; wird aber der Strom in den Rahmen durch den Kommutator, zu welchem die Drähte x und y führen, in demselben Moment umgekehrt, in welchem der Magnet seine vertikale Stellung erreicht hat, so wird nun die Rotation fortdauern müssen, denn bei der neuen Stromrichtung in den Rahmen kann der Elektromagnet nicht eher zur Ruhe kommen, als bis der eben oben angekommene Pol gerade nach unten gerichtet ist; es wird also eine beständige Rotation des Elektromagnets stattfinden müssen, wenn nach jeder halben Umdrehung desselben der Strom in den Rahmen umgekehrt wird, während die Polarität des Elektromagnets ungeändert bleibt. Die Bewegung der Welle des Elektromagnets, der in äußerst schneller Umdrehung begriffen ist, setzt sich nach dem Zahnrad r fort und überträgt sich hier auf das große Zahnrad R, an dessen Welle sich ein Seil befindet, um z. B. ein Gewicht auf diese Weise zu heben. Versuche, mit diesem Apparat angestellt, zeigen zur Evidenz, daß die geleistete Maximalarbeit ganz im Verhältnis des Zinkverbrauchs in der Batterie steht.

Page benutzte bei seiner Maschine (Fig. 3 der Tafel) die Zugkraft, welche eine hohle Drahtrolle auf einen cylindrischen Eisenstab ausübt, welcher sich außerhalb der Rolle, aber in ihrer Verlängerung befindet. A und B stellen zwei auf einer Unterlage fest angebrachte Drahtrollen dar, D und C zwei in dieselben einpassende Eisenkerne. DG und CE sind die zugehörigen Zugstangen, welche einen um den Stützpunkt F schwingenden Balancier ergreifen. GH ist eine mit dem Balancier fest verbundene Stange, die einen verlängerten Hebelarm darstellt. Der Strom zirkuliert so in den Drahtrollen, daß er bald durch die eine, bald durch die andre geht; demgemäß wird bald C in A (wie in der Figur), bald D in B hineingezogen. Ist C in A eingetreten, und soll es wieder in die Höhe steigen (wie in der Figur), so ist der Strom in A unterbrochen. Der Hebel FH überträgt die Balancierbewegung vermittelst der Kurbelstange HK auf ein Schwungrad, welches, wie bei einer Dampfmaschine, als Regulator dient. Durch das Exzentrik L wird die Steuerung bewirkt, indem durch Veränderung eines Kontakts der Strom bald nach A, bald nach B geleitet wird. Es ist selbstverständlich, daß durch diese allerdings recht sinnreiche Einrichtung kein höherer Nutzeffekt erzielt werden kann als mit den andern Apparaten.

Froments Radmotor (Fig. 4 der Tafel) besitzt am Umfang eines um die Achse o drehbaren Rades in gleichen Abständen acht Anker aus weichem Eisen, um dieses Ankerrad herum sind an einem festen Gestell sechs Hufeisenelektromagnete angebracht. Da je zwei Anker um 1/8 des Umfanges, je zwei Magnete um 1/6 desselben voneinander abstehen, so folgt, daß, wenn ein Anker einem Elektromagnet gerade gegenübersteht, die benachbarten Anker von ihren nächsten Magneten um 1/24 der Peripherie, also um 15°, abstehen. In diesem Moment umkreist der Strom die Magnete F, dieselben ziehen die entsprechenden Anker an und drehen das Rad um 15°, worauf der Strom durch die Anker D geleitet wird. In dieser Weise kommen bei jeder ganzen Umdrehung des Rades 24 Anziehungen zu stande. Die Stromsteuerung hat folgende Einrichtung. Die Achse des Rades trägt an ihrem Ende ein kleineres Rad mit acht Zähnen, welche den Ankern entsprechen und zugleich mit diesen sich herumbewegen. Auf diesen Zähnen schleifen drei Federn, deren Auflagestellen um 1/6 der Peripherie voneinander entfernt sind, deren Stellungen also den Magneten H F D etc. entsprechen. Der Strom wird nun von p aus zugeführt, geht von der Achse durch einen der Zähne auf die anliegende Feder und wird durch diese den mit gleichnamigen großen Buchstaben bezeichneten beiden Elektromagneten zugeführt, worauf er durch Mm zur Batterie zurückkehrt. In dem elektromagnetischen Radmotor von Kuhlo wirken drei Elektromagnete E (Textfig. 5) auf eine durch 3 nicht teilbare Anzahl (z. B. sieben) eiserne Anker a, welche auf dem Umfang eines eisernen Rades R befestigt sind.

Fig. 5.

Elektromagnetischer Radmotor von Kuhlo.

Ein isolierter Metallring b ist durch Sägeschnitte in eine Anzahl (z. B. 21) voneinander getrennter Metallstücke zerlegt, von welcher das 1., 4., 7. u. s. f. mit dem Drahtanfang des ersten Elektromagnets, das 2., 5., 8. u. s. f. mit demjenigen des zweiten, das 3., 6., 9. u. s. f. mit dem Drahtanfang des dritten Elektromagnets verbunden ist; die Drahtenden der drei Elektromagnete stehen mit der einen, die Achse des Rades R mit der andern der beiden Klemmschrauben k₁ und k₂ in leitender Verbindung. Die Achse trägt einen Metallarm c mit einem metallenen Röllchen r an seinem Ende, welches, indem es während der Drehung des Rades über die Metallstücke des Ringes b hinrollt, den bei k₁ und k₂ eintretenden Strom der Reihe nach um den ersten, zweiten, dritten Elektromagnet herumsendet. Indem jeder Elektromagnet den ihm nächsten Anker a anzieht, wird das Rad in rasche Umdrehung versetzt. Ein einziges Flaschenelement genügt, um mittels dieser Maschine einen kleinen Zimmerspringbrunnen zu betreiben; vier Bunsensche Elemente reichen aus zum Betrieb einer Nähmaschine. Jacobi hat 1839 eine elektromagnetische Maschine gebaut, welche eine Arbeit von 3/4–1 Pferdekraft zu leisten vermochte und ein kleines Ruderschiff auf der Newa bei St. Petersburg in Bewegung setzte. Wird eine elektromagnetische Maschine durch eine galvanische Batterie betrieben, so hat die von ihr geleistete Arbeit ihre Quelle in der Verbindung des Zinks mit der Schwefelsäure innerhalb der Batterie und kann daher höchstens derjenigen Arbeit gleichkommen, welche die bei der Auflösung des Zinks entwickelte Wärme leisten könnte. Zur Erzeugung einer Pferdekraft müßte in der Stunde mindestens 1 kg Zink aufgelöst werden, und die Kosten dafür sowie für die gleichzeitig verbrauchten Säuren würden diejenigen für das Brennmaterial einer gleichstarken Dampfmaschine wenigstens um das 20fache übersteigen. Wegen dieser unverhältnismäßig hohen Kosten ist niemals daran zu denken, den Strom einer galvanischen Batterie als Arbeitskraft in größerm Betrieb zu verwenden. Dagegen kann es von Vorteil sein, den durch Wasser- oder Dampfkraft in einer dynamoelektrischen (oder magnetelektrischen) Maschine erzeugten elektrischen Strom nach einer in der Entfernung aufgestellten elektromagnetischen (dynamoelektrischen) Maschine zu leiten und hiermit die Arbeitskraft von einem Ort, wo sie billig oder bequem zu haben ist, nach einem Ort zu übertragen, wo man sie braucht („elektrische Kraftübertragung“). Bei der elektrischen Eisenbahn von Siemens z. B. geht der Strom, den eine große, fest aufgestellte Dampfmaschine durch Umdrehung einer dynamoelektrischen Maschine erzeugt, durch einen Draht, welcher mittels Kontaktrollen auf einer Drahtleitung schleift, in die Drahtwindungen einer dynamoelektrischen Maschine, welche unter dem Boden des Wagens angebracht ist; indem diese, jetzt als elektromagnetische Kraftmaschine wirkend, in Umdrehung gerät und mittels Riemenscheiben die Triebräder in Bewegung setzt, rollt der Wagen mit Lokomotivgeschwindigkeit das Geleise entlang.

Während die Versuche, den E. zur Übertragung von Arbeitskräften zur verwerten, sich noch in ihren Anfängen bewegen, hat die Anwendung von Elektromagneten zum Zeichengeben in die Ferne (Telegraphieren) eine um so höhere Ausbildung erlangt. Indem man nämlich durch die Drahtwindungen eines entfernten Elektromagnets mittels einer dahin geführten Drahtleitung einen galvanischen Strom sendet und denselben wieder unterbricht, kann man den Eisenkern nach Belieben magnetisch und wieder unmagnetisch machen, so daß derselbe durch Anziehen und Loslassen seines Ankers verabredete Zeichen gibt oder eine zeichengebende Vorrichtung in Bewegung setzt. Genaueres hierüber s. Telegraph.

Bringt man in die Drahtspule (Fig. 1) einen Stahlstab, so wird derselbe zwar nicht so leicht und so rasch magnetisch wie ein Stab aus weichem Eisen; er behält aber seinen Magnetismus auch, nachdem der Strom unterbrochen ist, und ist nun zu einem dauernden Magnet geworden. Die Magnetisierung des Stahlstabes wird befördert, wenn man ihn in der Drahtrolle einigemal bis an die Enden hin- und herschiebt und den Strom öffnet, wenn er sich wieder in der Mitte der Rolle befindet. Noch vorteilhafter ist es, den Stahlstab an den Polen eines starken Elektromagnets zu streichen, indem man die eine Hälfte, von der Mitte angefangen, 10–20mal über den Nordpol, die andre ebenso oft über den Südpol des Elektromagnets hinführt.