Die Bedienung und Wartung elektrischer Anlagen und Maschinen: Zugleich ein Leitfaden zur Einführung in die Elektrotechnik [Reprint 2021 ed.] 9783112407066, 9783112407059

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Vie Bedienung und Wartung elektrischer Anlagen und Maschinen. Zugleich ein

Leitfaden zur Einführung in die Elektrotechnik. Von

Joseph Spennrath, Direktor der itühtijcben gewerblichen Schulen und der königlichen Baugetverkschule in Aachen.

Mit 71 Abbildungen im Text.

BERLIN W. Verlag von M. Krayn.

Dorrede. Die fortschre tende Verwendung

der elektrischen Energie in In­

dustrie und Gewerbe stellt täglich vermehrte und erhöhte Anforderungen

an das Personal, welches mit der Bedienung und Wartung elektrischer

Maschinen und Anlagen betraut ist.

über

Das Bedürfnis, dieses Personal

seine Obliegenheiten sachgemäß zu

unterrichten,

hervorgetreten und hat an vielen Stellen zielenden

Unterrichtskursen

geführt.

Das

ist

zur Einrichtung vorliegende

schon

lange

von dahin

Buch

ist

aus

einer derartigen Unterrichtsthätigkeit hervorgegangen und bezweckt, dem Schüler den Lehrstoff in gemeinverständlicher und kurzer Fornr vorzu­

führen.

Dre Art

der Darstellung

ist überall

so

gewählt, daß

zum

Verständnis keine besonderen Hülfsmittel erforderlich sind, jedoch wurde dahin gestrebt, dem Leser nicht eine äußere Beschreibung von Maschinen re.

zu geben,

sondern

ermöglichen,

ihm einen tieferen Einblick

insbesondere ihm

wie gegenwärtig

ein Verständnis

die elektrische Energie

erzeugt

in

den Gegenstand zu

davon

und

zu

verschaffen,

verwandt

wird.

Aus diesem Grunde wird das Buch auch dem großen Kreise gebildeter

Laien, welche das Bedürfnis nach einer Unterweisung auf dem Gebiete

der Elektrotechnik empfinden, von Nutzen sein können. Aachen, im April 1901.

Der Verfasser

Inhaltsverzeichnis. Einleitung 1. Eigenschaften und Verhalten der gespannten Elektrizität 1 — 15. Elektrische Energie 1 — 2. wegte Elektrizität.

Nichtleiter und Leiter 2—3.

Strömende

Elektromotorische Kraft motorischen Kraft.

Elektrizität

oder

Ruhende und be­

elektrischer Strom

3—4.

4. Maß der elektrischen Spannung und der elektro­

Das Bolt 4.

Elektrizitätsmenge.

Das. Coulomb

5-

Stromstärke. Das Ampere 5. Amperesekunde, Ampereminute, Ampere­ stunde 5—6. Elektrischer Widerstand 6—7. Grundgesetz der strömenden Ohm'sches Gesetz 7—8.

Elektrizität.

Elektrische Strömung in verzweigten

Leitern. Reihenschaltung und Parallelschaltung 8—11. Gleichstrom. Wechsel­

strom 11 — 12. Messen der elektrischen Energie 12—13. Kurzschluß 14—15.

Die Erzeugung

der elektrischen Energie 15—90. Formen der Kraftlinien und Kraftfelder 16—28. Elektrische Ströme Feld. Magnetelektrische Maschine 28—31. Beziehung

Energie 15 — 16. im magnetischen

zwischen elektrischer Energie und mechanischer Arbeit 31—32. Induktion 32—33. Jnduktionserscheinungen. Selbstinduktion 33—37. Umwandlung elektrischer Energie in der magnetelektrischen Maschine 37—38.

maschine 38.

Stromerzeugung in der Dynamomaschine 38—44.

Dynamo­

Erzeugung

des magnetischen Feldes 44—49. Gegenwirkungen des Ankers 49—53. Bürstenverschiebung und sunkenfreier Gang der Maschine 53—56. Mehr­

polige Maschinen 56-61. Wechselstrom und Wechselstrommaschinen 61—63. Einteilung

der

Wechselstrommaschinen

63.

Formen

der

Wechselstrom­

maschinen 64—71.

Der Umformer oder Transformator 72—82. Uniformen der elektrischen Energie 72—73.

Wechselstromtransformator 73—80.

Gleichstromtransfor­

matoren 80—82.

Der Sammler oder Akkumulator 82—90. 82—83.

Ausspeicherung Energieumwandlung im Akkumulator 83—84. Der

von Energie Bleiakkumu­

lator 84—90.

Die Verwendung der elektrischen Energie 91—140. elektrischer Energie in andere Enecglesormen 91.

Umwandlung

Erzeugung von Wärme

durch elektrische Energie 91—92.

Die elektrische Beleuchtung 92 — 103.

Umwandlung elektrischer Energie in Licht 92. Die elektrische Glühlampe 92- 93. Die elektrische Bogenlampe 93—95.

Regulierung der Bogenlampe 95 — 103.

VI Die elektrische Kraftmaschine 104—118. Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Arbeit 104—107. Wechselstrom- und Drehstrommotoren 107.

Der Drehstrommotor 107—114. Der einphasige Wechselstrommotor 114—118. Synchronmotoren 118.

Die Wartung der magnetelektrischen Maschinen 119—123. Die Versendung und Verteilung der elektrischen Energie 123—125. Das Messen der elektrischen Energie 125—134. Strommesser für Gleichstrom 126 — 129.

Spannungsmesser für Gleichstrom 129. Strom- und

Spannungsmesser sür Wechselstrom 129 — 132. Energiemesser und Verbrauchs­

messer 132—134.

Die Jsolationsprüfung 134—140. Alphabetisches Sachregister 141.

Einleitung. Beim elektrischen Betriebe handelt es sich darum, Elektrizität unter Druck oder Spannung zu setzen und den in der gespannten Elektrizität enthaltenen Arbeitsvorrar zu verschiedenen Zwecken nutzbar zu machen. Insbesondere handelt es sich um die Verwendung ge­ spannter Elektrizität zur Beleuchtung, Heizung und zur Verrichtung mechanischer Arbeit. Das Verständnis des elektrischen Betriebes er­ fordert demnach die Kenntnis der Eigenschaften und des Verhaltens gespannter Elektrizität, ferner der Maschinen, Einrichtungen und Arbeiten, welche zur Erzeugung und Verwendung von gespannter Elektrizität erforderlich sind. Hierüber soll im folgenden, soweit es sich um die elektrische Beleuchtung, Heizung und den Betrieb von elektrischen Kraftmaschinen handelt, das Nötige mitgeteilt werden.

I. Eigenschaften und Verhalten der gespannten Elektrizität. § 1.

Elektrische Energie.

Energie im Sinne der technischen Wissenschaft ist das Vermögen, Arbeit zu leisten. Die elektrische Energie, auch wohl elektrische Kraft genannt, ist eine besondere Form derselben. Man muß aber unter­ scheiden zwischen Elektrizität und elektrischer Energie, ähnlich wie zwischen Wasser und Wasserkraft, zwischen Dampf und Dampfkraft. Das Wasser ist keine Energie, aber es besitzt solche, wenn es beispiels­ weise auf eine Hohe gehoben ist, oder wenn es infolge seines Gefälles sich in Bewegung befindet. Es kann alsdann Kraftmaschinen treiben und in ihnen Arbeit leisten. Der Wasserdampf und jeder andere gasförmige Körper besitzt Energie in dem Maße, wie er unter Druck oder Spannung steht. Er kann die Spannung verbrauchen, um Arbeit zu leisten. Auch Elektrizität als solche ist noch keine Energie, aber sie besitzt solche, wenn sie gespannt ist. Was Elektrizität an sich ist, Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

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Einleitung. Beim elektrischen Betriebe handelt es sich darum, Elektrizität unter Druck oder Spannung zu setzen und den in der gespannten Elektrizität enthaltenen Arbeitsvorrar zu verschiedenen Zwecken nutzbar zu machen. Insbesondere handelt es sich um die Verwendung ge­ spannter Elektrizität zur Beleuchtung, Heizung und zur Verrichtung mechanischer Arbeit. Das Verständnis des elektrischen Betriebes er­ fordert demnach die Kenntnis der Eigenschaften und des Verhaltens gespannter Elektrizität, ferner der Maschinen, Einrichtungen und Arbeiten, welche zur Erzeugung und Verwendung von gespannter Elektrizität erforderlich sind. Hierüber soll im folgenden, soweit es sich um die elektrische Beleuchtung, Heizung und den Betrieb von elektrischen Kraftmaschinen handelt, das Nötige mitgeteilt werden.

I. Eigenschaften und Verhalten der gespannten Elektrizität. § 1.

Elektrische Energie.

Energie im Sinne der technischen Wissenschaft ist das Vermögen, Arbeit zu leisten. Die elektrische Energie, auch wohl elektrische Kraft genannt, ist eine besondere Form derselben. Man muß aber unter­ scheiden zwischen Elektrizität und elektrischer Energie, ähnlich wie zwischen Wasser und Wasserkraft, zwischen Dampf und Dampfkraft. Das Wasser ist keine Energie, aber es besitzt solche, wenn es beispiels­ weise auf eine Hohe gehoben ist, oder wenn es infolge seines Gefälles sich in Bewegung befindet. Es kann alsdann Kraftmaschinen treiben und in ihnen Arbeit leisten. Der Wasserdampf und jeder andere gasförmige Körper besitzt Energie in dem Maße, wie er unter Druck oder Spannung steht. Er kann die Spannung verbrauchen, um Arbeit zu leisten. Auch Elektrizität als solche ist noch keine Energie, aber sie besitzt solche, wenn sie gespannt ist. Was Elektrizität an sich ist, Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

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Elektrizität.

wissen wir nicht, ist auch, soweit die Erzeugung und Verwendung elektrischer Energie in Frage kommt, von untergeordneter Bedeutung. In mancher Beziehung verhält sich unter Druck stehende Elektrizität wie gespannter Wasserdampf oder sonst ein unter Druck stehendes Gas. In sehr vielen Fällen ist der Vergleich gespannter Elektrizität mit gespanntem Dampf in hohem Grade geeignet, das Verständnis zu erleichtern.

§ 2.

Nichtleiter und Leiter der Elektrizität.

Wenn man Wasserdampf unter Spannung setzen, gespannten Dampf fortleiten und endlich diesen Dampf an einer Arbeitsstelle zur Erzeugung mechanischer Arbeit benützen will, so ist ein Kessel, eine Dampfrohrleitung, ein Dampfeylmder, kurz stets eine umschließende Wandung erforderlich, welche den eingeschlossenen Dampf unter Spannung zu erhalten vermag. In gleicher Weise setzt auch die gespannte Elektrizität etwas voraus, was sie unter Druck oder Spannung halten kann. Ein Körper, welcher hierzu imstande ist, heißt ein Dielek­ trikum, auch wohl ein Nichtleiter der Elektrizität. Körper da­ gegen, welche dem Durchgang gespannter Elektrizität keinen oder nur verhältnismäßig geringen Widerstand entgegensetzen, heißen elektrische Leiter. Es giebt weder vollkommene Leiter noch vollkommene Nichtleiter der Elektrizität, d. h. es giebt keine Körper, welche dem Durchgänge der Elektrizität gar keinen Widerstand entgegensetzen, unb auch keine, welche bei jedem beliebigen Druck für die Elektrizität voll­ kommen undurchlässig wären. Die Durchlässigkeit der meisten Nicht­ leiter ist aber so gering, daß sie für praktische Zwecke nicht in betracht kommt. Gute Leiter sind im allgemeinen die Metalle. Von den unedlen Metallen leitet am besten reines Kupfer. Dies ist der Grund, weshalb elektrische Leitungsdrähte in der Regel aus Kupfer hergestellt werden. Wird gespannte Elektrizität durch einen Leitungsdraht geführt, so ist die Sache eine ähnliche, wie wenn gespannter Dampf durch eine Dampfrohrleitung geführt wird. Hierbei bildet der metallische Leitungs­ draht das, was man bei der Dampfrohrleitung den Hohlraum des Rohres nennt, also einen Kanal für die durchströmende Elektrizität. Wie bei der Dampfleitung die umschließenden Rohrwandungen den Dampf unter Spannung erhalten, so verhütet bei der elektrischen Leitung das den elektrischen Leitungsdraht umgebende Dielektrikum den seitlichen Austritt der gespannten Elektrizität. Wird ein blanker Leitungsdraht durch die Luft geführt, so ist der Draht als ein Hohl-

Elektrizität.

3

raum, ein Kanal anzusehen, der durch die für Elektrizität undurch­ lässige Luft geführt wird. Bei einem isolierten, d. h. mit nichtleitenden Substanzen umwickelten Draht hält die Isolierung die durch den Draht geführte Elektrizität unter Spannung. Wie bei einem Dampfkessel, einer Dampfrohrleitung die um­ schließenden Wandungen zerrissen tvcrden, wenn die Dampfspannung zu groß wird, so wird auch bei einer elektrischen Leitung das um­ gebende Dielektrikum, also die Isolierung oder die umgebende Luft gewaltsam durchbrochen, durchschlagen, wenn die Spannung der durch den Draht geführten Elektrizität zu groß wird. Der Draht selbst wird dabei ebensowenig in Mitleidenschaft gezogen, wie bei der Ex­ plosion eines Dampsleitungsrohres der Hohlraum des Rohres. Je höher also die Spannung der durch eine Leitung geführten Elektrizität ist, um so mehr Sorgfalt muß nmii auf die Isolierung der Leitung verwenden.

§ 3.

Ruhende und bewegte Elektrizität.

Strömende Elektrizität oder elektrischer Strom. Unter Druck stehende Elektrizität kann wie der gespannte Dampf in einem Dampfkessel ohne Bewegung sein. Wir nennen sie alsdann ruhende Elektrizität. Wird beispielsweise eine an einem nichtleitenden Faden aufgehängte Metallkugel elektrisiert oder mit Elektrizität gela­ den, so heißt dies nicht anders, als der von dem Metall in der um­ gebenden Luft geschaffene Hohlraum wird mit gespannter Elektrizität gefüllt. Hierbei hält nun nicht etwa die Kugel die Elektrizität unter Druck, sondern die Luft oder ein sonstiger nichtleitender Körper, wel­ cher die Kugel umgiebt, genau so, wie in einem Dampfkessel nicht der Hohlraum des Kessels, sondern die Kesselwandungen die eingeschlossenen Dämpfe unter Spannung halten. Seht man die Metallkugel durch einen Metalldraht mit der Erde in leitende Verbindung, so bildet dieser Draht einen Kanal, durch welchen die eingeschlossene Elektrizität, infolge ihrer Spannung abströmt, genau so, wie aus einem unter Druck stehenden Dampfkessel die eingeschlossenen gespannten Dämpfe durch ein geöffnetes Ansatzrohr in die Luft entweichen. Aus dem Kessel entweicht so lange Dampf, bis der zurückbleibende Rest nur noch die Spannung der atmosphärischen Luft hat, und aus der Kugel strömt so lange Elek­ trizität ab, bis der zurückbleibende Rest keine höhere Spannung hat, als der Elektrizitätsvorrat in der Erde. Ruhende gespannte Elektrizität also setzt sich infolge ihrer Spann­ ung in Bewegung, sobald ihr em Ausweg oder eine Ableitung durch 1*

Elektrizität.

4

die einschließenden Wandungen, also durch das umgebende Dielekrrikum geschaffen wird. Aus der ruhenden entsteht aldann bewegte Elek­ trizität. Die infolge ihrer Spannung durch einen Leitungskanal flie­ ßende Elektrizität nennt man strömende Elektrizität oder elektrischen

Strom. Ein vollkommenes Bild des elektrischen Stromes bietet der von einem Dampfkessel durch eine Dampfrohrleitung zu seinem Verbrauchs­ orte strömende gespannte Dampf. Wie der Dampf nur dann vom Kessel zu der Verbrauchsstelle strömen kann, wenn an letzterer eine geringere Spannung herrscht als im ersteren, so kann auch die Elek­ trizität nur von einem Orte zum andern strömen, wenn die beiden Stellen einen Spannungsunterschied aufweisen, und die Elektrizität strömt, wie der gespannte Dampf, immer von Orten höherer Spann­ ung zu Orten niederer Spannung.

§ 4.

Elektromotorische Kraft.

Bei gespannter Elektrizität tritt somit eine Kraft auf, welche die Elektrizität in Bewegung zu setzen sucht. Man nennt sie wegen dieser Eigenschaft elektromotorische Kraft, d. h. Elektrizität bewegende Kraft. Die elektromotorische Kraft ist nicht die Spannung der Elektriziät, sondern eine Folge derselben. Es ist aber klar, daß die elek­ tromotorische Kraft einer gegebenen Elektrizitätsmenge genau gleich ihrer Spannung ist, auch durch dasselbe Mak gemessen werden kann. Hängt ein Gewicht an einem Faden, so erleidet der Faden einen Zug. Der Fadenzug ist nicht die Schwere des Gewichtes, sondern eine Folge der­ selben, aber auch ihr gleich. Wir sagen beispielsweise, die Schwere des Gewichtes beträgt 10 Kilogramm, und auch, der Zug an dem Faden ist gleich 10 Kilogramm. Ein Zug von 10 Kilogramm kann aber auch durch eine andere Kraft als durch die Schwere eines an­ gehängten Gewichtes hervorgebracht werden.

§ 5. Maß der elektrischen Spannung und der elektromotorischen Kraft. Das Bolt. Für die elektrische Spannung und somit auch für die elektromoto­ rische Kraft besteht eine bestimmte Maßeinheit, welche Bolt genannt wird. Das Meßinstrument zur Bestimmung dieser Kraft heißt Volt­ meter. Das Voltmeter hat für den elektrischen Betrieb dieselbe Be­ deutung, wie das Manometer beim Dampfbetrieb. Einrichtung und Arbeitsweise des Voltmeters können erst später beschrieben werden.

Elektrizität.

§ 6.

Elektrizitätsmenge.

5

Das Coulomb.

Elektrizität besitzt weder räumliche Ausdehnung, noch Gewicht; sie kann folglich nicht durch die üblichen Raum- und Gewichtsgrößen gemessen werden. Nichtsdestoweniger ist es üblich geworden, von einer Elektrizität m e n g e zu reden. Man braucht jedoch aus dem Ausdruck nicht zu schließen, Elektrizität sei ein Stoff. Wir sprechen auch von einer Wärmemenge, obschon wir wissen, daß Wärme kein Stoff ist. Zwei frei bewegliche Körper, auf welchen Elektrizität angesam­ melt ist, stoßen sich ab. Die Abstoßung wird natürlich nicht durch die Körper, sondern durch die auf ihnen befindlichen Elektrizitätsmen­ gen bewirkt. Aus der Stärke der Abstoßung kann ein Maß für die Elektrizitätsmenge hergeleitet werden. Wir bezeichnen als Maßeinheit für die Elektrizität eine Elektrizitätsmenge, welche auf eine ihr gleiche, die sich in einer bestimmten Entfernung von ihr befindet, eine Abstoß­ ung von bestimmter Stärke ausübt. Man kommt auf diese Weise zu einer praktischen Maßeinheit für die Elektrizitätsmenge, welche 1 Cou­ lomb genannt wird. Befinden sich je 1 Coulomb Elektrizität im Abstande von 1000 m von einander, so stoßen sie sich in dieser Ent­ fernung mit einer Kraft von 917 kg ab.

§ 7.

Stromstärke.

Das Ampere.

Strömt gespannter Wasserdampf durch eine Rohrleitung, so können wir von der Stärke des Dampfstromes sprechen. Wir können beispielsweise diejenige Stromstärke als Maßeinheit annehmen, bei welcher in jeder Sekunde 1 kg Dampf durch den Querschnitt der Leitung hindurchgeht. In ähnlicher Weise bezeichnet man als Maß­ einheit der Stärke eines elektrischen Stromes diejenige Stromstärke, bei welcher in jeder Sekunde 1 Coulomb Elektrizität durch den Quer­ schnitt der Leitung befördert wird, und diese Maßeinheit heißt 1 Ampere. Das Meßinstrument zur Bestimmung der Stärke eines elek­ trischen Stromes heißt Amperemeter.

§ 8.

Amperesekunde, Ampereminute, Amperestunde.

Bei gegebener Stromstärke geht durch den Querschnitt einer elektrischen Leitung in jeder Sekunde eine bestimmte Elektrizitätsmenge hindurch, bei einer Stromstärke von 1 Ampere gerade 1 Coulomb. Will man nun bei dieser Elektrizitätsmenge berücksichtigen, daß die Elektrizität strömt, und gleichzeitig die Dauer dieser Strömung in Rech­ nung ziehen, so nennt man sie 1 Amperesekunde. 1 Ampere­ sekunde ist der Menge nach gleich 1 Coulomb. Bei dem Ausdruck 1

Elektrizität.

6

Coulomb wollen wir sagen, daß eine gewisse Elektrizitätsmenge vor­ handen ist, bei dem Ausdruck 1 Amperesekunde, daß die gleiche Menge während einer Sekunde geliefert wird. Fließt Wasser ans einer Leit­ ung so aus, daß in 1 Sekunde gerade 1 kg Wasser geliefert wird, so können wir die in 1 Sekunde gelieferte Wassermenge auch 1 Ausfluß­ sekunde nennen und sagen, die Ansflußsekunde betrage oder sei gleich 1 kg. Danach ergeben sich. weiterhin die Ausdrücke 1 Ampere­ minute und 1 Amperestunde. Ersterer bezeichnet die Elektri­ zitätsmenge, welche bei einer Stromstärke von 1 Ampere in 1 Minute, letzterer die Menge, welche bei derselben Stromstärke in 1 Stunde ge-. liefert wird oder durch den Leitungsquerschnitt hindurchgeht. Es ist darnach ersichtlich, daß 1 Amperestunde = 60 Ampereminuten — 3600 Amperesekun­ den — 3600 Coulomb. 1 Ampereminute — 60 Amperesekunden — 60 Coulomb. 1 Amperesekunde — 1 Coulomb. Bei einem geladenen Akkumulator sagt man, die Ladung betrage beispielsweise 30 Amperestunden. Das heißt somit, der Akkumulator kann 30 Stunden hindurch einen elektrischen Strom von 1 Ampere Stärke, oder 3 Stunden einen Strom von 10 Ampere oder 1 Stunde einen Strom von 30 Ampere liefern.

§ 9.

Elektrischer Widerstand.

Im § 2 wurde gesagt, daß es vollkommene Leiter der Elektri­ zität nicht giebt. Vollkommen wäre ein Leiter, welcher dem Durch­ gänge der Elektrizität keinen Widerstand entgegensetzt. Eine tropfbare Flüssigkeit oder ein Gas, welche unter Druck durch eine Rohrleitung strömen, erfahren an den Rohrwandungen Reibungswiderstand, welcher die Fortbewegung hemmt und somit die Menge der in der Zeitein­ heit durch den Querschnitt der Leitung hindurchgehenden Flüssigkeit herabmindert. Wir wissen, daß dieser Widerstand zunimmt in dem Maße, wie die Rohrleitung länger und ihr lichter Querschnitt enger wird. Genau dasselbe beobachten wir bei der strömenden Elektrizität. Jede Leitung bietet Widerstand, und der Widerstand wird um so größer, je länger die Leitung und je geringer ihr Querschnitt ist. Je mehr Dampf bei demselben Druck in der Zeiteinheit durch den Quer­ schnitt einer Rohrleitung strömen soll, um so weiter muß man das Rohr nehmen. In gleicher Weise muß man für elektrische Leitungen die Drähte umso dicker nehmen, je mehr Elektrizität in der Zeiteinheit durch den Drahtquerschnitt hindurch gehen soll.

Elektrizität. Dagegen ist es bei einer Dampfleitung für die Größe des lichten Querschnitts gleichgiltig, welche Spannung der durchgehende Dampf hat. Man kann Dampf von beliebiger Spannung durch sehr enge und sehr weite Rohre strömen lassen; erforderlich ist nur, daß die Wandungen stark genug sind, um den Dampfdruck auszuhalten. Auch bei elektri­ schen Leitungen kommt für die Drahtdicke die Spannung der durch die Leitung strömenden Elektrizität nicht in betracht. Je höher aber die Spannung der Elektrizität ist, um so stärker muß die Umhüllung, die Isolation sein, damit sie von der gespannten Elektrizität nicht durchbrochen, durchschlagen wird. Die Maßeinheit für den elektrischen Widerstand wird 1 Ohm genannt. Man versteht darunter einen Widerstand gleich dem einer Quecksilbersäule von 106,3 cm Länge und 1 qmm Querschnitt, wenn das Metall die Temperatur 0° hat. Ein Kupferdraht besitzt unter den gleichen Verhältnissen einen Widerstand von 0,01646 Ohm. Mit steigender Temperatur nimmt im allgemeinen der elektrische Widerstand eines Leiters zu. Der Bruchteil der Zunahme bei einer Temperaturerhöhung von 1° C. wird der Temperaturkoeffiz i e n t des betreffenden Leitungsmaterials genannt.

§ 10»

Das Grundgesetz der strömenden Elektrizität. Ohmsches Gesetz.

Die Bewegung gespannter Elektrizität wird einzig und allein durch die treibende Kraft bewirkt, welche wir elektromotorische Kraft nennen. Es ist klar, daß wenn diese Kraft auf das doppelte, drei­ fache re. anwächst, auch die durch sie bewirkte elektrische Strömung in gleichem Maße an Stärke zunehmen wird. Die doppelte, dreifache 2C. elektromotorische Kraft treibt in der Zeiteinheit die doppelte, dreifache 2c. Elektrizitätsmenge durch den Querschnitt der Leitung, genau so, wie bei strömendem Dampf oder bei strömendem Wasser die in der Zeit­ einheit beförderte Flüssigkeitsmenge von dem Drucke abhängt, unter welchem sie steht. Die Stärke einer elektrischen Strömung ist also unmittelbar abhängig von der treibenden oder elektromotorischen Kraft, ist, wie man zu sagen pflegt, ihr proportional. Andererseits ist bei jeder elektrischen Strömung mit dem Wider­ stand zu rechnen, den die Leitung der durchströmenden Elektrizität ent­ gegensetzt. In dem Maße, wie der Leitungswiderstand zunimmt, wird in der Zeiteinheit weniger Elektrizität durch den Leitungsquerschnitt befördert, nimmt also die Stärke der Strömung ab. Der doppelte, dreifache 2c. Widerstand mindert die Stromstärke auf die Hälfte, ein

Elektrizität.

8

Drittel re, herab. Man sagt, die Stromstärke ist dem Widerstand umgekehrt proportional. Es besteht hiernach bei der strömenden Elek­ trizität -eine Beziehung zwischen der Stromstärke, der elektromotorischen Kraft und dem Leitungswiderstande. Man kann diese Beziehung in kürzester Form in der Weise ausdrücken, daß man schreibt: . Elektromotorische Kraft Drückt man die drei Größen durch ihre Maßeinheiten aus, lautet das Gesetz: o M c m . Zahl der Volt

so

gah, d« a-m. =

Wird demnach beispielsweise ein elektrischer Strom unter einem Drucke von 110 Volt durch eine Leitung gesandt, welche 5 Ohm Widerstand leistet, so ist die

= 22 Ampere. 5 Die gegebene elektromotorische Kraft von 110 Volt treibt also in diesem Falle in jeder Sekunde 22 Coulomb Elektrizität durch den Querschnitt des Leitungsdrahtes. Die genannte Beziehung zwischen Stromstärke, elektromotorischer Kraft und dem Widerstand gestattet, immer eine der drei Größen zu berechnen, wenn die beiden anderen gegeben sind. Stromstärke —

8 11.

Elektrische Strömung in verzweigten Leitungen.

Reihenschaltung nnd Parallelschaltung. Eine gegebene Stromleitung (Fig. 1) möge sich zwischen den Punkten A und B in die beiden Leitungen ACB und ADB verzweigen. Dann ist klar, daß die beiden Zweigleitungen zusammen nicht mehr und nicht weniger Elektrizität befördern werden, als in der Haupt­ leitung nach dem Verzweigungspunkte A hinstießt. Daraus folgt

c

Elektrizität.

9

weiterhin, daß die Stromstärken in den Zweigleitungen zusammen­ genommen gleich der Stromstärke in der Hauptleitung sein müssen. Wie viel Elektrizität aber jede Zweigleitung befördert, wie groß also die Stromstärke in jeder Zweigleitung ist, hängt von dem Widerstande der Zweigleitungen ab. Hat jede Zweigleitung denselben Wlderstand, so strömt durch jede die halbe Elektrizitätsmenge der Hauptleitung, also die Stromstärke ist gleich der Hälfte derjenigen in der Haupt­ leitung. Hat aber eine Zweigleitung etwa den dreifachen Widerstand der anderen, so beträgt die von ihr beförderte Elektrizitätsmenge nur ein Drittel der von der anderen Zweigleitung beförderten. Von der gesamten durch die Hauptleitung zugeführten Elektrizität gehen also in 3 diesem Falle durch die Zweigleitung mit dem geringeren Widerstand —, durch die mit dem größeren Widerstand

Damit ist es gleichbedeutend,

3 wenn wir sagen, die Stromstärke in der einen Zweigleitung sei —, in der

andern

der

Stromstärke in der Hauptleitung.

Die treibende

oder elektromotorische Kraft für die Strömung in den Zweigleitungen ist der Spannungsunterschied in den Punkten A und B. Dieser ist offenbar für jeden Zweig derselbe. Verzweigt sich eine Stromleitung in mehr als zwei Zweige, so erweitert sich das Gesetz entsprechend. Die Stromstärken in sämtlichen Zweigleitungen sind zusammengenommen gleich der Stromstärke in der Hauptleitung, und der Teilbetrag der von jeder Zweigleitung beförderten Elektrizitätsmenge hängt von ihrem Leitungswiderstande ab. Die Verhältnisse sind genau dieselben, wie wenn von einem Hauptrohr, welches etwa gespannten Dampf führt, sich Nebenleitungen abzweigen. Die Verteilung eines elektrischen Stromes durch verzweigte Leitungen ist für die Praxis außerordentlich wichtig. Nehmen wir an, eine Leitung solle 4 stromverbrauchende Apparate, etwa Lampen, speisen. Jeder stromverbrauchende Apparat verbraucht nicht Elektrizität, sondern Spannung der Elektrizität; es ist auch klar, daß die Summe der von den 4 Apparaten verbrauchten Spannungen dieselbe sein wird, einerlei, wie die Apparate angeordnet sind. Man kann sie nun so anordnen, daß sie sämtlich in der unverzweigten Hauptleitung liegen (Fig. 2). Hier muß dieselbe Elektrizittttsmenge, nachdem sie den Apparat 1 passiert hat, zum Apparat 2, von da zum Apparat 3 u. s. w. übergehen. In diesem Falle muß diese Elektrizitätsmenge eine so große ursprüngliche

10

Elektrizität.

Spannung besitzen, daß diese hinreicht, jedem der durchströmten Apparate den erforderlichen Teil abzulassen. Man sagt in diesem Falle, die

Apparate seien hinter einander oder in Reihe geschaltet. Man kann aber auch, wie es in Fig. 3 angedeutet ist, die Hauptleitung in 4 Zweigleitungen zerlegen und in jede Zweigleitung einen Energie verzehrenden Apparat einschalten. Es geht jetzt durch jeden Apparat eine andere Elektrizitätsmenge hindurch, welche ihre Spannung an

Fig- ;3-

diesen abgiebt. Bei der Hauptstromleitung kann jetzt die Spannung entsprechend niedriger sein, dafür aber muß eine um so größere Elektri­ zitätsmenge befördert und an die 4 Zweigleitungen abgegeben werden. Man sagt jetzt, die Apparate seien nebeneinander oder parallel geschaltet. Ein anschauliches Bild dieser Verhältnisse giebt der Vergleich mit einer Wasserkraft, welche 4 Turbinen oder 4 Wasserräder speist. Man kann hierbei die Sache so einrichten, daß das Wasser, welches die erste Turbine gespeist hat, in die zweite, aus ihr in die dritte und weiterhin in die vierte fließt. Jede Turbine erhält also dasselbe Wasser. Offenkundig läßt sich das aber nur dann ausführen, wenn das Wasser ein solches Gefälle hat, daß man die 4 Turbinen hinter­ einander, oder richtiger gesagt, untereinander aufstellen kann. Man kann aber auch den Wasserstrom an einer Stelle in 4 Teile spalten und jeden der 4 Teilströme in eine der nebeneinander oder parallel gestell­ ten Turbinen laufen lassen. Jetzt hat man, vorausgesetzt, daß jede Turbine dasselbe leisten soll, nur ein Viertel des Gefälles gegen vor­ hin, dafür aber die vierfache Wassermenge nötig. Auch der Vergleich zwischen etwa einer dreicylindrigen Verbundmaschine und einer gewöhnlichen dreicylindrigen Dampfmaschine ist lehrreich. Bei der Verbundmaschine

Elektrizität.

11

geht derselbe Dampf nach einander durch die 3 Dampfcylinder und verbraucht in jedem einen Teil seiner ursprünglichen Spannung. Das ist, was man in der Elektrotechnik Reihenschaltung nennt. Bei einer gewöhnlichen Dreicylinder-Dampfmaschine aber erhält jeder Cylinder frischen Kesseldamps vom Hauptzuleitungsrohr und verbraucht die gesamte Spannung desselben. Um die gleiche Wirkung zu erzielen, kann die Spannung in der Hauptleitung niedriger sein, dafür aber muß entsprechend mehr Dampf zugesührt werden. Bei elektrischen Apparaten nennt man das Parallelschaltung.

§ 12.

Gleichstrom.

Wechselstrom.

In einer gegebenen Leitung strömt die Elektrizität von einem Punkte A nach einem Punkte B, wenn und solange in B eine geringere Spannung vorhanden ist. als in A. Wirkt die aus dem Spannungs­ unterschiede in den Punkten A und B sich ergebende elektromotorische Kraft ständig in dieser Richtung, so heißt der dadurch bewirkte elek­ trische Strom ein Gleichstrom. Es läßt sich die Sache aber auch so einrichten, daß die Richtung des Spannungsabfalls zwischen A und B ständig wechselt, so daß einmal in A, gleich darauf in B die höhere Spannung vorhanden ist. Die elektromotorische Kraft und damit die Be­ wegung der Elektrizität ändern alsdann jedesmal ihre Richtung. Die strömende Elektrizität wird jetzt zur schwingenden, d. h. hin und her gehenden Elektrizität, und ihre Bewegung besteht in Stromstößen, die einmal in der einen, das nächste mal in der entgegengesetzten Richtung erfolgen. Diese Art der bewegten Elektrizität nennt man, solange die Zahl der in der Zeiteinheit erfolgenden, entgegengesetzt gerichteten Stromstöße eine gewisse Grenze nicht überschreitet, einen Wechselstrom. Für Wechselströme mit größerer Wechselzahl in der Zeiteinheit ist die Bezeichnung schwingende Elektrizität oder elektrische Schwing­ ungen üblich geblieben. Eine besondere Form des Wechselstroms wird Drehstrom genannt. Ueber diesen siehe § 28. Aus der Eigentümlichkeit der schwingenden Bewegung ergiebt sich, daß der Wechselstrom in seinem Verhalten gegenüber dem Gleichstrom verschiedene Abweichungen zeigen muß. So ist zunächst ersichtlich, daß bei den hin und her gehenden Stromstößen die elektromotorische Kraft jedesmal von Null zu einem bestimmten Grenzwerte ansteigen und von da wieder bis zu Null fallen muß, um darauf das An- und Absteigen in derselben Weise, aber in entgegengesetzter Richtung, vor­ zunehmen. Daraus ergiebt sich, daß auch die Stromstärke innerhalb

12

Elektrizität.

des Verlaufes eines Stromstoßes sich stetig ändert, von Null zu einem größten Werte ansteigt und von da wieder bis zu Null abnimmt. Man kann deshalb nicht ohne weiteres von der Stärke des Strom­ stoßes, also auch nicht von der Stromstärke eines Wechselstromes reden. In der Praxis versteht man unter der Stärke des Wechselstromes stets eine sich aus den verschiedenen Stärken ergebende mittlere Stromstärke.

§ 13. Messen der elektrischen Energie. Bei einer Wasserkraft setzt sich die Energie zusammen' aus der Wassermenge, welche in der Zeiteinheit durch den Querschnitt der Leitung fließt, also aus der Stärke des Wasserstromes, und aus dem Druck oder Gefälle, unter welchem die Strömung erfolgt. Eine ver­ fügbare Wassermenge von 10 kg mit einem Gefälle von 5 m enthält einen Energievorrat von 10 X 5 —50 kgm. Hat das Wasser die Stromstärke 1, d. h. geht in jeder Sekunde 1 kg Wasser durch den Querschnitt der Leitung hindurch, und beträgt das Gefälle 1 m, so wird in jeder Sekunde eine Energiemenge geliefert, welche wir passend ein Sekunden kilogramm meter oder eine Kilogramm Metersekunde nennen können. Bei der elektrischen Kraft setzt sich in gleicher Weise die Energie zusammen aus der Elektrizitätsmenge, welche in der Zeit­ einheit durch den Querschnitt der Leitung fließt, also aus der Stärke des Elektrizitätsstromes, und aus der Spannung oder der elektro­ motorischen Kraft, unter welcher die Strömung erfolgt. Eine gegebene Elektrizitätsmenge von 10 Coulomb mit einer Spannung von 5 Volt enthält eine Energiemenge von 10X5 = 50 Vollcoulomb. Hat die strömende Elektrizität als Stromstärke 1 Ampere, d. h. geht in jeder Sekunde 1 Coulomb Elektrizität durch den Querschnitt der Leitung hindurch, und beträgt die elektromotorische Kraft 1 Volt, so wird in jeder Sekunde eine Energiemenge geliefert, welche man passend ein Sekun­ denvoltampere oder eine Voltamperesekunde nennt. Hier be­ deutet der Ausdruck Voltampere die Stärke der zur Verfügung stehenden Energie, und die Voltamperesekunde die Menge der Energie, welche bei der Stärke von 1 Voltampere in der Sekunde geliefert wird. Es ist üblich geworden, für den Ausdruck Voltampere die Bezeich­ nung Watt zu gebrauchen. Unter 1 Wattsekunde verstehen wir demnach die Energiemenge, welche von einem Strom von 1 Ampere Stärke und 1 Volt Spannung in 1 Sekunde geliefert wird. Aus dem Ausdruck Wattsekunde ergeben sich weiterhin die Be­ zeichnungen Wattminute, Wattstunde, Hektowattstunde, Kilo­ wattstunde. Die Wattminute ist die in 1 Minute = 60 Sekunden,

Elektrizität.

13

.die Wattstunde die in 1 Stunde — 60X60 = 3600 Sekunden ge­ lieferte Energiemenge, wenn der Strom eine Stärke von 1 Ampere und eine Spannung von 1 Volt hat. Demnach ist

1 Wattminute = 60 Wattsekunden 1 Wattstunde = 3600 Die Hektowattstunde bedeutet das Hundertfache, die Kilowatt­ stunde das Tausendfache der Energiemenge, welche unter der Bezeich­ nung 1 Wattstunde verstanden wird. Eine mechanische Energiestärke von 1 kgm braucht nicht aus einer Wasserstromstärke von 1 kg in der Sekunde mit einem Gefälle von 1 rn zu bestehen. x/2 kg Stromstärke mit 2 m Gefälle, Vio kg Stromstärke mit 10 m Gefälle geben ebenfalls eine Energiestärke von 1 kgm. Auch bei der elektrischen Energie braucht eine Energiestärke von 1 Watt nicht einen Strom von 1 Ampere Stärke mit einer elek­ tromotorischen Kraft von 1 Volt vorauszusetzen. Eine Stromstärke von V2, Vio Ampere bei einer elektromotorischen Kraft von 2 bezw. 10 Volt, oder eine Stromstärke von 2, 10 Ampere bei einer elektromotorischen Kraft von V2' V10 Volt geben ebenfalls eine Energiestärke von 1 Volt­ ampere oder Watt. Die elektrische Energie hat stets die Stärke von 1 Watt, wenn das Produkt aus Stromstärke und .elektromotorischer Kraft = 1 ist. Die verschiedenen Energieformen "stehen in einem be­ stimmten Größenverhältnis zu einander. Es ist festgestellt worden, daß 1 Pferdestärke = 736 Watt ist.

Elektrische Verbrauchsmesser sind Apparate, welche die während einer bestimmten Zeit durch eine Leitung beförderte elektrische Energie messen. Man unterscheidetAmperestundenzähler und Wattstunden­ zähler. Die Amperestundenzähler geben die Elektrizitätsmenge an, welche in gegebener Zeit durch die Leitung gegangen ist. Stand nun der Strom, welcher die Elektrizität lieferte, während der ganzen Zeit­ dauer unter derselben elektromotorischen Kraft, so hat man nur die von dem Amperestundenzähler gemessene Elektrizitätsmenge mit der elektro­ motorischen Kraft zu multiplizieren, um den Energieverbrauch festzustellen. Ist aber die elektromotorische Kraft, mit welcher der Strom geliefert wird, nicht unverändert derselbe, so genügt der Amperestundenzähler nicht, der Verbrauchsmesser muß vielmehr ein Instrument sein, welches sowohl die gelieferte Elektrizitätsmenge als auch die elekromotorische Kraft berücksichtigt, also bie wirkliche elektrische Energie mißt. Ein solches Meßinstrument heißt ein Wattstundenzähler. Die Einrichtung und Arbeitsweise dieser Instrumente wird späterhin erörtert werden.

Elektrizität.

14

§ 14.

Kurzschluß.

Bei einem unter Spannung stehenden Dampfkessel enthält der aus Wasser und Dampf bestehende Inhalt des Kessels einen gewissen Energievorrat. Wird an einem solchen Kessel eine Oeffnung angebracht, so wird Energie in Freiheit gesetzt und muß sich mit ihrer Umgebung ausgleichen, d. h. der ausströmende Dampf muß auf die Spannung der umgebenden Luft gebracht werden. In dem Maße, wie die Oeff­ nung in der Kesselwandung größer wird, wird in der Zeiteinheit eine größere Energiemenge in Freiheit gesetzt, und der Ausgleich wird plötz­ licher und gewaltsamer. Einen durch eine hinreichend große Oeffnung verursachten plötzlichen Ausgleich der im Kessel aufgespeicherten Energie nennen wir eine Kesselexplosion, obschon thatsächlich nicht der Kessel, sondern sein Inhalt explodiert. Wir können aber das Kesselinnere durch ein weites Dampfrohr ohne Gefahr mit der freien Luft in Verbindung setzen, wenn in die Dampsrohrleitung eine Dampfmaschine eingeschaltet ist, welche die Spannung und damit die Energie des Dampfes ver­ braucht. Die Dampfmaschine leistet Widerstand, und um- diesen Wider­ stand zu überwinden, d. h. um die Maschine in Bewegung zu setzen, verbraucht der arbeitende Dampf seine Spannung. Aehnliche Wirkungen, wie bei einer Kesselexplosion, treten ein, wenn ein Vorrat elektrischer Energie plötzlich in Freiheit gesetzt und zum Ausgleich gebracht wird. Hier nennt man den plötzlichen und gewaltsamen Ausgleich einen Kurz­ schluß. Wird ein unter Spannung stehender Elektrizitätsvorrat mit der Erde oder sonst mit einem Orte niederer Spannung leitend ver­ bunden, so ist das unbedenklich, wenn in der Leitung sich ein Apparat, ein Elektromotor, eine Lampe etc. befindet, welche die Spannung des durchgehenden Stromes verbraucht, also dem Durchgänge des Stromes Widerstand leistet. Stellen wir aber zwischen einem Orte höherer Spannung und einem Orte niederer Spannung eine leitende Verbindung her, welche dem Strome keinen oder keinen genügenden Widerstand entgegensetzt, so wird die aufgespeicherte Energie plötzlich in Freiheit gesetzt, und der Ausgleich ist ein gewaltsamer. Verbinden wir beispiels­ weise zwei Punkte, zwischen denen ein Spannungsunterschied von 110

Volt besteht,

durch

Widerstand leistet,

einen

dickeren Leitungsdraht,

so ergiebt

das im

daß die dadurch verursachte Stromstärke

der nur —Ohm

§ 10 erklärte Ohm'sche Gesetz, — 11 000 Ampere be-

vsöö/ trägt. Der Energieausgleich wird somit ein explosionsartiger.

Elektrizität.

15

Bei einer Kesselexplosion setzt sich die in Freiheit gesetzte Wärme­ energie in mechanische Arbeit um. Dadurch entstehen die bekannten zer­ störenden Wirkungen eines derartigen Vorganges. Elektrische Energie aber setzt sich, wenn sie sonst keine Arbeit zu leisten hat, immer in Wärme um. Bei einem elektrischen Kurzschluß wird deshalb in der Regel eine große Wärmemenge plötzlich entwickelt und dadurch eine so hohe Temperatur hervorgerufen, daß die Leitungen glühend werden, abschmelzen, vergasen und verbrennen und dadurch das Gebäude in Brand setzen. Wie leicht ersichtlich ist, werden die Wirkungen und Gefahren eines Kurzschlusses um so größer, je größer die Spannung des auf­ gespeicherten Elektrizitätsvorrates ist, und je weniger Widerstand die kurzschließende Leitung bietet. Die Gefahren für Gesundheit und Leben, welche bei der Er­ zeugung und Verwendung der elektrischen Energie auftreten, beruhen darauf, daß auch der menschliche Körper ein Leiter der Elektrizität ist, und daß schwere gesundheitliche Störungen erfolgen, selbst der Tod eintritt, wenn eine gewisse Elektrizitätsmenge durch den Körper hindurchgetrieben wird. Stellt deshalb ein Mensch durch seinen Körper eine leitende Verbindung zwischen zwei Punkten her, in denen ein erheblicher elek­ trischer Spannungsunterschied herrscht, etwa indem er mit der Hand eine Leitung berührt, die höher gespannten Strom führt, und mit den Füßen in leitender Verbindung mit dem Erdboden steht, so tritt ein Kurzschluß durch seinen Körper hindurch ein, welcher sofortigen Tod zur Folge haben kann. Die Gefahr ist im allgemeinen um so größer, je größer der Spannungsunterschied zwischen den Punkten ist, die durch den Körper verbunden werden, und je geringer der Leitungswiderstand ist, den der Körper bietet. Festes Fassen der stromführenden Leitung, nasse Hände, unbekleidete Füße oder nasses Schuhzeug, feuchter Erd­ boden vermehren die Gefahr, weil durch all dieses der Widerstand, den der Strom beim Durchgang durch den Körper zur Erde antrifft, ver­ mindert wird.

II. Die Erzeugung der elektrischen Energie. § 15.

Forme» der Energie.

Energie kann sich unter verschiedenen Formen äußern. Wir kennen sie u. a. als mechanische Energie, als Wärme, als chemische Energie, Lichtenergie und auch als elektrische Energie. Die einzelnen

Elektrizität.

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Bei einer Kesselexplosion setzt sich die in Freiheit gesetzte Wärme­ energie in mechanische Arbeit um. Dadurch entstehen die bekannten zer­ störenden Wirkungen eines derartigen Vorganges. Elektrische Energie aber setzt sich, wenn sie sonst keine Arbeit zu leisten hat, immer in Wärme um. Bei einem elektrischen Kurzschluß wird deshalb in der Regel eine große Wärmemenge plötzlich entwickelt und dadurch eine so hohe Temperatur hervorgerufen, daß die Leitungen glühend werden, abschmelzen, vergasen und verbrennen und dadurch das Gebäude in Brand setzen. Wie leicht ersichtlich ist, werden die Wirkungen und Gefahren eines Kurzschlusses um so größer, je größer die Spannung des auf­ gespeicherten Elektrizitätsvorrates ist, und je weniger Widerstand die kurzschließende Leitung bietet. Die Gefahren für Gesundheit und Leben, welche bei der Er­ zeugung und Verwendung der elektrischen Energie auftreten, beruhen darauf, daß auch der menschliche Körper ein Leiter der Elektrizität ist, und daß schwere gesundheitliche Störungen erfolgen, selbst der Tod eintritt, wenn eine gewisse Elektrizitätsmenge durch den Körper hindurchgetrieben wird. Stellt deshalb ein Mensch durch seinen Körper eine leitende Verbindung zwischen zwei Punkten her, in denen ein erheblicher elek­ trischer Spannungsunterschied herrscht, etwa indem er mit der Hand eine Leitung berührt, die höher gespannten Strom führt, und mit den Füßen in leitender Verbindung mit dem Erdboden steht, so tritt ein Kurzschluß durch seinen Körper hindurch ein, welcher sofortigen Tod zur Folge haben kann. Die Gefahr ist im allgemeinen um so größer, je größer der Spannungsunterschied zwischen den Punkten ist, die durch den Körper verbunden werden, und je geringer der Leitungswiderstand ist, den der Körper bietet. Festes Fassen der stromführenden Leitung, nasse Hände, unbekleidete Füße oder nasses Schuhzeug, feuchter Erd­ boden vermehren die Gefahr, weil durch all dieses der Widerstand, den der Strom beim Durchgang durch den Körper zur Erde antrifft, ver­ mindert wird.

II. Die Erzeugung der elektrischen Energie. § 15.

Forme» der Energie.

Energie kann sich unter verschiedenen Formen äußern. Wir kennen sie u. a. als mechanische Energie, als Wärme, als chemische Energie, Lichtenergie und auch als elektrische Energie. Die einzelnen

Elektrizität.

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Energieformen lassen sich ineinander umwandeln, und wenn von der Erzeugung elektrischer Energie geredet wird, so ist das stets so zu verstehen, daß Energie in gegebener Form in elektrische Energie um­ gewandelt wird. Wirklich erzeugen, d. h. aus dem Nichts hervor­ bringen läßt sich Energie ebenso wenig, wie die stoffliche Materie. In der heutigen Praxis wird elektrische Energie in großen^ Maßstabe stets durch Verbrauch, also durch Umwandlung mechanischer Arbeit gewonnen. Mechanische Arbeit wird geleistet in allen Kraft­ maschinen, also in Dampfmaschinen, Gas-, Petroleum-, Wassermotoren li. s. w. Diese Kraftmaschinen treiben andere Maschinen, in welchen die mechanische Arbeit in elektrische Energie umgesetzt wird. Solche Maschinen heißen allgemein magnet-elektrische Maschinen, und von diesen sind die sog. Dynamomaschinen besonders wichtig. Man kann auch durch Aufwand anderer Energie als mechanischer Arbeit elektrische Energie gewinnen, allein die Kosten der Energie­ erzeugung werden alsdann so groß, daß die Benutzung dieser Methoden wirtschaftlich nicht möglich ist. Es handelt sich also darum, die Erzeugung der elektrischen Energie in der magnet-elektrischen und insbesondere in der Dynamo­ maschine kennen zu lernen.

§ 16.

Kraftlinien und Kraftfelder.

Ein wagerecht gelagerter Karton (Fig. 4) wird gleichmäßig mit feinem Eisenpulver bestreut. In der Mitte ist durch den Karton senkrecht zu seiner Ebene ein Kupferdraht geführt. Durch ^den Kupfer­ draht wird ein elektrischer Strom geleitet. Klopft man nun, während der Strom durch den Kupferdraht geht, auf den Karton, so ordnen sich die Teilchen des Eisenpulvers in der aus der Abbildung ersicht­ lichen Weise in konzentrischen Kreisen um den Draht. Der Versuch beweist, daß beim Durchgang des elektrischen Stromes durch den Kupferdraht rings um denselben Kräfte auftreten, welche sich durch das umgebende Dielektrikum, hier also durch die Lust, verbreiten. Den Verlauf dieser Kräfte nennt man Kraftlinien. Sie bilden konzentrische Kreise, deren Ebenen senkrecht aus der 'Strom­ richtung stehen. Den Bereich, innerhalb welches sich die Kraft linien erstrecken, nennt man ein Kraftfeld. Man kann also sagen/ der durch einen Leiter fließende Strom erzeuge in dem umgebenden Dielektrikum ein Kraftfeld. Das Kraftfeld wird erfüllt von kreis­ förmigen Linien, deren Mittelpunkte in der Axe der Stromrichtung liegen.

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Elektrizität.

Es ist nun klar, daß man stets dasselbe Bild der Kraftlinien erhalten wird, an welcher Stelle des Leitungsdrahtes man den mit Eisenpulver bestreuten Karton auch anbringen mag. Mit anderen Worten, es ist klar, daß von jedem Punkte des stromdurchflossenen

Fig- 4. Drahtes oder von jedem Teilchen der durch den Draht bewegten Elektrizität Kraftlinien in Form der konzentrischen Kreise ausgehen. Folglich ist der stromdurchflossene Leitungsdraht in seinem ganzen Verlaufe von einer cylindrischen Hülle oder von einem System cylindrischer Hüllen umgeben, die durch Kraftlinien in Kreisform gebildet werden.

Die Wirkung der Kraftlinien tritt bei unserm Versuch dadurch zutage, daß die feinen Körnchen des Eisenpulvers in der Richtung dieser Linien geordnet und aneinander gelegt werden. Das Beklopfen des Kartons erfolgt nur deshalb, um die Eisenkörnchen aufspringen zu machen und sie dadurch momentan dem Reibungswiderstand, den sie an dem Papier erfahren, zu entziehen. An den Versuch aber reihen sich noch einige Erscheinungen, die man in der Abbildung nicht sichtbar machen kann. Beim Aufstreuen des Eisenpulvers auf den Karton bemerkt man, daß der stromdurch­ flossene Draht in der ganzen Ausdehnung, in welcher er dem nieder­ fallenden Pulver ausgesetzt ist, sich mit Eisenkörnchen bedeckt, so zwar,

Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

2

Elektrizität.

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daß er von einer Hülle von Eisenpulver eingeschlossen ist. Streut man das Eisenpulver auf, ehe der Strom durch den Draht geht, so zeigt sich die Erscheinung nicht, es bleibt kein Eisenpulver an ihm hängen. Dagegen fallen an dem mit Eisenpulver bedeckten Draht die Eisenkörnchen sofort ab, wie man den Strom abstellt. Legt man ferner den stromdurchflossenen Draht in beliebiger Windung auf den Tisch und bedeckt ihn mit dem eisenbestreuten Karton, so zeigt sich beim Beklopfen des letzteren, daß sich die Eisenkörnchen in dem Ver­ lauf des darunter liegenden, stromdurchflossenen Leitungsdrahtes an­ ordnen, sodaß man auf dem Karton mehr als deutlich das Blld des unter ihm liegenden Leitungsdrahtes erhält. Das Wesen der beschriebenen Erscheinung läßt sich kurz dahin ausdrücken, daß ein stromdurchflossener Leitungsdraht Eisenpulver und folglich metallisches Eisen anzieht. Nun hat der Leitungsdraht, wie wie wir wissen, mit der Sache weiter nichts zu thun, als daß er dem Strom einen Weg durch ein Dielektrikum, hier durch die Luft, bahnt. Richtig ist es also zu sagen, die bewegte und zwar die strömende Elektrizität zieht metallisches Eisen an. Hält man den stromdurchflossenen Draht parallel über oder unter einer Magnetnadel, welche in der wägerechten Ebene frei be­ weglich ist, so bemerkt man, daß die Nadel sich stets so stellt oder stellen will, daß ihre Richtung zur Stromrichtung senkrecht ist. Wir sind gewohnt, die beschriebenen Erscheinungen und Kräfte, welche sich in der Einwirkung aus metallisches Eisen und auf die

Mugnelmidcl üufjtui,

ulS

mugucl lschc

zu bezeichnen.

Mun

sagt

deshalb auch, ein elektrischer Strom erzeuge in dem umgebenden Dielektrikum ein magnetisches Kraftfeld oder kurzweg ein magne­ tisches Feld. Man denke sich nun weiterhin, daß man den in Fig. 4 be­ nutzten Kupferdraht so umbiegt, daß er eine ebene Kreisfläche um­ schließt, und die sich nicht berührenden Enden des Drahtes wieder in leitende Verbindung mit einer Stromquelle gesetzt. Die in Fig. 5 dargestellten Kraftlinien werden beim Durchgang des Stromes wieder auftreten und in Kreisen senkrecht zur Drahtrichtung verlaufen. Es ist klar, daß jetzt diese Kraftlinien auf der einen Hälfte ihrer kreis­ förmigen Bahnen das Innere des von dem Drahte gebildeten Kreises durchsetzen, auf der anderen außerhalb des Ringes verlaufen werden. Nehmen wir nun den Draht so lang, daß wir aus ihm nicht einen, sondern eine größere Anzahl fortlaufender Kreise bilden können, so bilden diese Drahtkreise eine Spirale oder Spule. In der Elektro­ technik nennt man eine solche aus Drahtkreisen gebildete Spule ge-

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Elektrizität.

wohnlich ein Solenoid. Die Spule hat die Form eines Cylinders mit kreisförmigem Querschnitt. Will man die einzelnen Kreise einer solchen Spule so dicht aneinander legen, daß die benachbarten Windungen sich berühren, so muß der Draht natürlich isoliert, d. h. von einer festen dielektrischen Substanz umgeben sein. Andernfalls würde der Strom beii Draht nicht in seiner ganzen Länge durchfließen, sondern auf dem kürzesten Wege von Windung zu Windung gehen. Eine solche stromdurchflossene Drahtspule zeigt nun eigentüm­ liche Erscheinungen. Von jedem Punkte jedes Drahtkreises gehen die in Fig. 4 dargestellten Kraftlinien aus. Diese setzen sich aber jetzt zu gemeinsamen Kreisen, d. h. geschlossenen Kurven zusammen, so zwar, daß die Kraftlinien das Innere der Spule parallel zu ihrer Axe durchsetzen und sich außerhalb der Spule zu geschlossenen Kurven ver­ einigen. (Fig. 5.) Eine derartige stromführende Spule zeigt die magnetischen Wirkungen in verstärktem Maße. Nähert man einem Ende der Spule ein Stück Eisen, so wird dieses von ihr genau wie von dem Ende eines Magnetstabes angezogen, ja die Spule zieht es, falls seine Ausdehnung

daß sie sich frei bewegen kann,

so zeigt sie auch darin ihre lieberem-

2*

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Elektrizität.

stimmung mit einem Magnetstab, daß sie sich unter dem Einfluß des Erdmagnetismus in die bekannte Süd-Nord-Richtung einstellt, also sich genau wie eine. Magnetnadel verhält, die sich in der wagerechten Ebene frei bewegen kann. Stellt man unter einem wagerecht gehaltenen, mit Eisenpulver bestreuten Karton aufrecht einmal einen Magnetstab, das andere Mal eine stromdurchflossene Spule, so zeigt das Eisenpulver beim Be­ klopfen des Kartons in beiden Fällen die in Fig. 6 dargestellten strahlenförmig verlausenden Linien.

Fig. 6.

.

Steckt man durch das Innere einer stromdurchflossenen Spule einen Stab aus gewöhnlichem, d. h. nicht magnetischem Eisen hin­ durch, so wird das Eisen ein Magnet und bleibt es, so lange der Strom die Spulenwindungen durchfließt. Ein so erzeugter Magnet heißt ein Elektromagnet. Die Kraftlinien des Stromes im Innern der Spule gehen jetzt in größter Menge durch das Eisen. Ein Elektro­ magnet ist somit als ein Stück Eisen anzusehen, welches von Strom­ kraftlinien durchsetzt wird. Elektromagnete werden hergestellt, indem man Eisenstäbe mit isoliertem Draht umwickelt und durch den Draht einen elektrischen Strom schickt. Es heißt das nichts anders, als daß man einen Eisenstab in das Innere einer stromdurchflossenen Spule hineinsteckt, oder daß man die von den Windungen der stromdurch-

Elektrizität.

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stoffenen Spule ausgehenden Kraftlinien ihren Weg durch das Eisen nehmen läßt. An einem Stabmagnet mit freien Enden nennt man die freien Enden Pole. Ist ein solcher Stab in der wagerechten Ebene frei drehbar, so stellt er sich in die Richtung des magnetischen Erd­ meridians; das eine Ende zeigt nach dem magnetischen Nordpole, das andere nach dem magnetischen Südpole, der Erde. Das nach dem Nordpol zeigende Ende nennt man Nordpol, das andere Südpol des Magneten. Gleichnamige Pole von Magneten stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Stromdurchflossene Spulen zeigen dasselbe Verhalten. Wir nennen auch bei ihnen die freien Enden Pole, nennen Nordpol das Ende, welches bei der frei wagerecht aufgehängten und durch den Erdmagnetismus gerichteten Spule nach Norden, Südpol das Ende, welches nach Süden zeigt. Auch hier stoßen gleichnamige Pole sich ab und ungleichnamige ziehen sich an. In Fig. 7 befinden sich unter der mit Eisenpulver bestreuten wagerecht gelagerten Kartonplatte zwei senkrecht gestellte Magnetstäbe

Fig- 7.

mit ungleichnamigen Polen gegenüber. Wir sehen, daß die Kraftlinien in geschlossenen Kurven von Pol zu Pol gehen. In Fig. 8 sind die Magnetstäbe durch zwei stromdurchflossene Spulen ersetzt, im übrigen

ist alles unverändert geblieben. Es erscheint dasselbe Bild wie in Fig. 7, so daß die Uebereinstimmung zwischen stromdurchflossenen

Fig. 8.

Fig. 9.

Elektrizität.

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Spulen und Magnetstäben auch hier zutage tritt. Von besonderer Wichtigkeit ist Fig. 9. Hier sind dieselben Magnetstäbe wie in Fig. 7 angewandt, nur sind sie jetzt wagerecht auf der Kartonplatte so ge­ lagert, daß ungleichnamige Pole gegenüberstehen. Die Kraftlinien verlaufen wieder in geschlossenen Kurven von Pol zu Pol. In Fig. 10 sind bje Magnetstäbe wie in Fig. 9 wagerecht so gelagert, daß ungleichnamige Pole einander gegenüberstehen. Zwischen die beiden Pole ist ein geschlossener Eisenring so gelegt, daß er die Magnete nicht berührt. Das Ergebnis ist ein sehr bemerkenswertes und insbesondere für das Verständnis der weiterhin zu besprechenden Dynamomaschine sehr wichtiges. Die Kraftlinien gehen auch hier Non Pol zu Pol, sie nehmen aber ihren Weg zum größten Teil durch das Metall des zwischenliegenden Eisenringes. Das Eisen bietet den

Fig- 10.

Kraftlinien einen bequemeren Weg als die Lust, es setzt dem Durch­ gänge der Kraftlinien weniger Widerstand entgegen, als diese, oder es ist, wie man zu sagen pflegt, ein besserer Leiter für Kraftlinien. Wir gelangen somit dazu, neben der früher besprochenen elektrischen Leitungsfähigkeit auch eine magnetische Leitungsfähigkeit kennen zu lernen. In den Abbildungen Fig. 6—10 kommen die von Magneten bezw. von stromdurchflossenen Spulen erzeugten Kraftlinien nur in soweit

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Elektrizität.

zum Vorschein, als sie in der Ebene des mit Eisenpulver bestreuten Kartons verlausen. Es ist aber klar, und man kann dies durch andere Lagerung des eisenbestrenten Kartons auch beweisen, daß die Kraft­ linien nach allen Seiten des umgebenden Raumes gleichmäßig aus­ gesandt werden, sodaß der Raum rings um die Magnet- bezw. Spulenpole von solchen Kraftlinien angefhpt ist. Wir nennen einen von magnetischen Kraftlinien durchsetzten Raum ein magnetisches Feld, auch wohl ein Kraftfeld; die Magnete, welche die Kraftlinien aus­ senden, heißen entsprechend Feldmagnete. Ein Körper befindet sich oder bewegt sich im magnetischen Felde heißt, er befindet sich in einem Raum, welcher von magnetischen Kraftlinien durchsetzt wird, bezw er bewegt sich durch einen solchen Raum hindurch. Die Kraftlinien sind stets geschlossene Kurven. Sie lausen bei Magneten bezw. strom­ durchflossenen Sptllen mit freien Enden von Pol zu Pol, und zwar nimmt maü an, daß sie vom Nordpol ausgehen und in der aus den Abbildungen ersichtlichen Weise durch die Lust zum Südpol zurück­ lehren. Die Annahme ist willkürlich und könnte auch umgekehrt erfolgen. Unter der Stärke eines Magneten versteht man gewöhnlich die Größe der Anziehung, welche er auf Eisenmassen, die in seine Nähe gebracht werden, ausübt. Die Größe dieser anziehenden Kraft ist eine Aeußerung der Kraftlinien und hängt somit von der Zahl der Kraftlinien ab, die an einer gegebenen Stelle des magnetischen Kraftfeldes vorhanden sind. So kommt man zu dem für die Elektrolechnit wichtigen Begriff der starke des magnetischen Feldes oder kurz der Feldstärke oder Feldintensität. In der Fig. 9 beispiels­ weise ist die Zahl der Kraftlinien in dem Zwischenraum zwischen den Polen am größten, d. h. die Krastlinien stehen dort am dichtesten, in weiteren Teilen des Feldes nimmt die Dichtigkeit ab. Die Stärke des magnetischen Feldes ist somit an verschiedenen Punkten verschieden. Um sie zahlenmäßig auszudrücken, ist man übereingekommen, als Maß für die Stärke an irgend einer Stelle des Feldes die Zahl der Krast­ linien anzusehen, welche eine senkrecht zu den Linien gestellte Fläche von 1 qcm Ausdehnung durchsetzen. Von einem freien Pol eines Magnetstabes oder einer strom­ durchflossenen Spule verbreiten sich die Kraftlinien gleichmäßig nach allen Richtungen und gehen, wie erwähnt, in Kurven zum anderen Pol. Bringt man aber in die Nähe des Poles ein Stück Eisen, so wird der Verlaus ein anderer. Die Kraftlinien nehmen ihren Weg zum größten Teil durch das Eisen. Ist ein Stabmagnet üi die be­ kannte Form gebogen, welche man einen Hufeisenmagnet nennt, und

Elektrizität.

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verbindet man die freien Pole durch ein vorgelegtes Eisenstück, einen Anker, so nehmen die von Pol zu Pol gehenden Kraftlinien ihren Weg zum größten Teil durch dieses Eisen. Wird ein Stabmagnet kreisförmig umgebogen und werden die Enden dabei so mit einander vereinigt, daß kein Zwischenraum bleibt, mit anderen Worten, wird ein geschlossener Ersenring magnetisiert, so entsteht ein sog. polloser Magnet; die Krastltnien nehmen ihren Weg jetzt sämtlich durch das Eisen und es treten überhaupt keine nach außen. Ein solcher EisenTing kann ein sehr starker Magnet sein und er übt trotzdem, weil er keine freien Pole hat, also keine Kraftlinien nach außen sendet, keine anziehende Wirkung auf Eisen aus. Man erklärt die Erscheinung, daß die magnetischen Kraftlinien ihren Weg, wo immer möglich, durch Eisen nehmen, damit, daß man annimmt, das metallische Eisen setze dem Durchgang der Kraftlinien einen geringern Widerstand entgegen, als ein anderer Körper, und zwar insbesondere als die atmosphärische Luft, es besitze für magnetische Kraftlinien eine größere Leitungsfähigkeit, Durchlässigkeit, Perme­ abilität. Der letztgenannte Ausdruck ist der älteste und verbreitetste. Will man deshalb magnetischen Kraftlinien einen bestimmten Weg vor­ schreiben, insbesondere auch sie an bestimmter Stelle in größerer Menge zusammenbringen, so kann man das dadurch erreichen, daß man ihnen in geeigneter Weise eine eiserne Leitung anweist. Davon macht man insbesondere bei der Dynamomaschine praktische Anwendung. Die Stärke der Magnetisierung eines Eisenstückes ist also gleich­ bedeutend mit der Zahl der Kraftlinien, welche das Eisenstück durch­ setzen, bezw. welche durch jedes Quadratcentimeter seines Querschnittes hindurchgehen. Man denkt sich den Verlauf dieser Kraftlinien als eine Art Strömung, die man folgerichtig magnetische Strömung nennt. Somit kann man von der Stärke der magnetischen Strömung oder von einer magnetischen Stromstärke reden. Jnbezug auf die magnetische Strömung besteht nun ein Gesetz, welches dem Grundgesetz über die elektrische Strömung vollkommen ähnlich ist und welches im § 10 als Ohrn'sches Gesetz bezeichnet wurde. Denken wir uns als einfachsten Fall einen geschlossenen Eisenring und diesen in vielen Windungen mit isoliertem Kupferdraht umwickelt. Schicken wir durch den Draht einen elektrischen Strom, so wird der Eisenring ein polloser Magnet, d. h. die von dem Strom erzeugten Kraftlinien verlaufen sämtlich int Innern des Ringes. Die Zahl der den Ring durchlaufenden Kraftlinien, also die Stärke der Magnetisierung oder die Stärke der magnetischen Strömung, hängt zunächst ab von der Kraft, welche die Kraftlinien erzeugt, also die magnetische Strömung hervorbringt, und

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Elektrizität.

die deshalb auch magnetomotorische Kraft genannt wird, und ferner von dem Widerstand, den das Eisen dem Durchgänge des magnetischen Stromes, also dem Durchgänge der Kraftlinien entgegen­ setzt. Erstere vermehrt, letzterer vermindert die Stärke der Strömung. Drücken wir die Beziehung so aus, wie im Ohmischen Gesetz die Stromstärke, die elektromotorische Kraft und der Leitungswiderstand miteinander verknüpft sind, so ergiebt sich: Magnetische^Stromstärkc

Zahl der Kraftlinien

=

“

Magnetomotorische Kraft Magnet. Widerstand

Die magnetomotorische Kraft wird nun offenkundig von dem elektrischen Strom geliefert, welcher die auf dem Eisenring befindlichen Drahtwindungen durchfließt und somit den Eisenkern umkreist. Ihre Größe hängt ab von der Zahl der aufgewickelten Drahtwindungen und von der Stärke des durchfließenden Stromes, also von der Zahl seiner Ampere. Bestimmend also für die Größe der magnetomotorischen Kraft ist das Produkt aus der Zahl der Windungen und aus der Zahl der Ampere. Man hat dieses Produkt zweckmäßig die Zahl der Amperewindungen genannt. Ein elektrischer Strom beispielsweise von 5 Ampere Stärke, welcher einen Eisenkern in 20 Windungen umfließt, hat dieselbe magnetisierende Wirkung oder dieselbe magneto­ motorische Kraft, wie ein Strom von 20 Ampere, der in 5 Windungen, oder ein Strom von 100 Ampere, der in einer Windung das Eisen umfließt. Das Produkt beträgt in allen Fällen 100 Amperewindungen. Will man zu genauen Feststellungen, die für die Rechnung brauchbar sind, gelangen, so ist noch die Länge in betracht zu ziehen, aus welcher das Eisenstück einer bestimmten Zahl von Amperewindungen unterliegt; mit anderen Worten, man hat die Zahl der Amperewindungen auf die Längeneinheit, also auf 1 cm, anzugeben. Wir kommen also dazu, zu sagen, daß die magnetomotorische Kraft einer stromdurchflossenen Spule gleich der Zahl der auf 1 em Spulenlänge kommenden Ampere­ windungen ist. Der magnetische Widerstand unseres geschlossenen Eisenkernes gegenüber der magnetischen Strömung hängt, genau wie der elektrische Widerstand eines Stromleiters, von seiner Länge und seinem Quer­ schnitt, ferner von der Beschaffenheit des Leitungsmaterials, hier also des Eisens, ab. Der Widerstand ist um so größer, je länger das durch­ floffene Eisenstück, und um so geringer, je dicker es ist, also je größer sein Metallquerschnitt ist. Unter sonst gleichen Verhältnissen wächst der magnetische Widerstand eines Eisens im allgemeinen mit seiner

Elektrizität.

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Härte; weiches Schmiedeeisen wird von den magnetischen Kraftlinien am leichtesten, hartes Gußeisen am schwierigsten durchsetzt. Theoretisch kann man die Stärke einer magnetischen Strömung in einem Eisenkern ins Unendliche steigern, praktisch aber gelangt man bald zu einer Grenze. So ist beispielsweise für weiches Schmiede­ eisen die Zahl 20 000 die praktisch zulässige obere Grenze. Es gehen also hierbei durch jedes Ouadratzentimeter des Eisenquerschnittes 20 000 Kraftlinien hindurch. Ist diese Grenze erreicht, so sagt man, das Eisen sei mit Magnetismus gesättigt. Wenn es heißt, die Stärke der Magnetisierung finde praktisch eine Grenze, so ist dies darin be­ gründet, daß die Leitungsfähigkeit des Eisens mit wachsender Magne­ tisierung abnimmt, oder, was dasselbe sagt, daß der Widerstand des Eisens gegen die magnetische Strömung in dem Maße zunimmt, wie mehr Kraftlinien durch das Eisen gehen. Es wird alsdann praktisch unvorteilhaft, durch Steigerung der magnetisierenden Kraft, also durch Vergrößerung der Zahl dxr Amperewindungen, die magnetische Strömung noch verstärken zu wollen. Wird der geschlossene Eisenring an einer Stelle senkrecht zu seiner Axe ausgeschnitten, so entsteht zwischen den Schnittflächen eine trennende Luftschicht. Der magnetische Stromkreis wird also jetzt von dem ring­ förmigen ausgeschnittenen Eisenstück und von der zwischen den End­ flächen befindlichen Luftschicht gebildet. Die Lust ist ein viel schlech­ terer magnetischer Leiter als Eisen; folglich wird der Widerstand des magnetischen Stromkreises erheblich vergrößert, somit die Zahl der von den Amperewindungen erzeugten Kraftlinien entsprechend verkleinert. T)er Widerstand wächst in dem Maße, wie die Luftschicht dicker wird. Aehnlich wie Luft wirken die meisten anderen Körper außer Eisen; nur Nickel und Kobalt zeigen eine größere magnetische Leitungs­ fähigkeit, die aber immer noch bedeutend geringer ist, als die des Eisens. Das Ohm'sche Gesetz für die magnetische Strömung und die verschiedenen Folgerungen, die sich aus ihm ergeben, bilden eine der Grundlagen für die Vorberechnung und die zweckmäßige Kon­ struktion einer Dynamomaschine. Wird ein geschlossener magnetischer Stromkreis aus Eisen an einer Stelle unterbrochen, so treten an der Trennungsstelle die Kraft­ linien in die Luft aus; wir sagen, es entstehen freie magnetische Pole. Es ist gleichgültig, wie oft eine solche Trennungsstelle geschaffen wird. Daraus erklärt sich die bekannte Thatsache, daß, wenn ein Magnetstab in eine Anzahl Stücke zerbrochen wird, man ebenso viele vollständige Magnete mit je zwei freien Polen erhält.

Elektrizität.

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An welchem Ende bei einem stromumflossenen Eisenstab ein Nordpol bezw. ein Südpol entsteht, hängt von der Richtung ab, in welcher der Strom das Eisen umkreist. Man kann in jedem ein­ zelnen Falle, sobald die Richtung des elektrischen Stromes bekannt ist, rasch und leicht ausfindig machen, welcher Pol im gegebenen Stab­ ende erzeugt wird. Man hat sich zu dem Zwecke vor das Ende des wagerecht liegenden Eisenstabes zu stellen, das Gesicht dem Stab­ ende zugekehrt. Fließt bei dieser Beobachtungsstellung der Strom im Sinne des Uhrzeigers um den Eisen­ stab herum, so erzeugt er an dem beobachteten Stabende einen Süd­ pol, fließt er entgegengesetzt, einen Nordpol. (Fig. 11.) Wird hiernach bei einem stromumflossenen Eisen­ stabe die Stromrichtung umgekehrt, Mg. 11. so muß sich auch die Richtung der im Eisenstab verlaufenden magnetischen Strömung umkehren, d. h. die Kraftlinien verlaufen entgegengesetzt wie vorhin, oder, was das­ selbe sagt, der Magnet kehrt seine Pole um. Wird also die den Magnetismus im Eisen erzeugende Spule von einem Wechselstrom durchflossen, so wechselt bei jedem Stromstoß mit der elektromotorischen Kraft des elektrischen Stromes auch die magnetomotorische Kraft des magnetischen Stromes ihre Richtung. Hierbei zeigt sich nun die Er­ scheinung, daß bei jedem Wechsel des elektrischen Stromes die Um­ kehrung der magnetischen Strömung hinter derjenigen der elektrischen Strömung etwas zurückbleibt. Man bezeichnet die Erscheinung als Hy stercsis (griechisch — zurückbleiben), auch wohl als magnetische Reibung. Die Hysteresis verursacht bei jeder Stromumkehrung die Umwandlung eines Teiles der erzeugten oder gegebenen elektrischen Energie in Wärme und damit einen Verlust, da diese Wärme ver­ loren geht. Sie ist überdies eine der Ursachen, weshalb alle Dynamo­ maschinen und Elektromotoren beim Betriebe warm werden und durch Lüften gekühlt werden müssen.

§ 17.

Elektrische Ströme im magnetischen Felde. Magnetelektrische Maschine.

Im vorhergehenden § wurden die Kraftfelder besprochen, welche durch einen geradlinigen Stromleiter, durch stromdurchflossene Spulen und durch Magnete erzeugt werden. Eine Erweiterung zeigt Fig. 12. Wir haben zwei wagerecht gelagerte Stabmagnete, die mit ungleich­ namigen Polen einander gegenüber stehen. Die Kraftlinien müssen

Elektrizität.

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also das in Fig. 9 dargestellte Bild zeigen. Nun werde in der Mitte zwischen den beiden Magnetpolen durch den eisenbestreuten Karton senkrecht ein Leitungsdraht, genau wie in Fig. 4, durchgeführt und durch den Draht ein Strom geleitet. Neben den Kraftlinien in Fig. 9 müßten somit die Kraftlinien der Fig. 4 zum Vorschein kommen. Wir sehen aber, daß die Wirkung des durch das magne­ tische Feld geleiteten elektrischen Stromes darin besteht, daß die magne­ tischen Kraftlinien seitwärts und zwar senkrecht zu der Stromrichtung

Fig. 12.

gedrängt werden. Wir können auch sagen, und das Bild des Ver­ laufes der magnetischen Kraftlinien läßt dies klar erkennen, daß die magnetischen Kraftlinien auf den Strom und damit auf den Strom­ leiter einen Zug ausüben, welcher bestrebt ist, den Stromleiter aus dem magnetischen Felde heraus zu bringen. Wäre der Stromleiter frei beweglich, so würde er diesem Zuge folgen und sich in der an­ gegebenen Richtung bewegen. Die Richtung, nach welcher die magnetischen Kraftlinien abgelenkt werden, bezw. der Stromleiter aus dem magnetischen Felde bewegt wird, hängt von der Richtung des durch den Leiter geschickten elek­ trischen Stromes ab. Bei Umkehrung der Stromrichtung im Strom­ leiter würde die Ablenkung der magnetischen Kraftlinien nach der entgegengesetzten Richtung erfolgen. Dies wird durch die Abbildung in

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Elektrizität.

Fig. 13 deutlich gemacht. Hier ist der durch den Karton geführte Leitungsdraht unterhalb des Kartons umgebogen und durch die zweite Oeffnung im Karton zurück nach oben geführt. Schicken wird deshalb durch den Draht einen Strom, so hat dieser in den beiden Draht­ zweigen entgegengesetzte Richtung; wir haben somit zwei parallele, aber entgegengesetzt gerichtete Ströme im magnetischen Felde. Die Wirkung dieser Ströme auf die Kraftlinien tritt sehr deutlich zutage. Jeder Strom wirft die Kraftlinien zurück, aber in entgegengesetzter Richtung; jeder Stromleiter erfährt somit einen Zug, aber in entgegengesetzter Richtung, der ihn aus dem magnetischen Felde entfernen will. Denken wir uns die beiden Stromleiter durch eine wagerechte Axe starr ver­ bunden und im übrigen frei beweglich, so würden sie um den Mittel­ punkt dieser verbindenden Axe eine drehende Bewegung ausführen

Fig. 13. müssen. Wir würden also damit elektrische Energie' in mechanische Arbeit umsetzen. Thatsächlich ist das, was in Fig. 13 dargestellt ist, nichts anderes als der Elektromotor und auch die Dynamomaschine, beide in ihrer einfachsten Form. Schicken wir durch die beiden Strom­ leiter einen elektrischen Strom, wenden wir also elektrische Energie auf, so entsteht ein mechanischer Zug auf die Stromleiter und weiter eine Bewegung derselben, also mechanische Arbeit. Wenn wir aber die Stromleiter im magnetischen Felde bewegen und zwar dem Zljge

Elektrizität.

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der Kraftlinien auf der stromdurchflossenen Seite entgegengesetzt, so entsteht in dem Stromleiter eine elektromotorische Kraft und weiterhin ein Strom. Wir wenden also mechanische Arbeit auf und setzen sie in elektrische Energie um. Dies ist die Art, wie man heute in der Praxis elektrische Energie in mechanische Arbeit ver­ wandelt und umgekehrt, und der Vorgang, wie er in magnetelek­ trischen Maschinen, also in Elektromotoren und Dynamomaschinen Platz greift.

§ 18.

Beziehung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Arbeit.

Aus den Abbildungen und Erörterungen im § 17 ergiebt sich ohne weiteres, daß zwischen den beiden Energieformen, die wir elek­ trische Energie und mechanische Arbeit nennen, eine Beziehung besteht. Die Abbildungen Fig. 12 und Fig. 13 lassen erkennen, daß ein strom­ durchflossener Leiter, der sich im magnetischen Felde befindet, auf die Kraftlinien des Feldes eine mechanische Einwirkung ausübt und folglich auch eine mechanische Einwirkung erfährt. Die Wirkung besteht in einer Zugkraft, welche den stromdurchflossenen Leiter aus dem magne­ tischen Felde heraus zu bewegen bestrebt ist. Je nachdem der Leiter oder das magnetische Feld beweglich ist, kommt die Bewegung zu­ stande. Es wird alsdann elektrische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt. Die Richtung, nach welcher die Bewegung erfolgt, ist in allen Fällen unzweideutig bestimmt; sie steht senkrecht auf der Rich­ tung der magnetischen Kraftlinien und auf der Stromrichtung. Denkt man sich deshalb durch den stromdurchflossenen Leiter und eine von ihm gekreuzte Kraftlinie eine Ebene gelegt und auf dieser Ebene im Schnittpunkt beider Linien eine Senkrechte errichtet, so giebt diese Senkrechte die Bewegungsbahn an. Nach welcher Richtung auf dieser Senkrechten die Bewegung erfolgt, hängt von der Stromrichtung im Leiter ab; eine Umkehrung der Stromrichtung bewirkt eine Um­ kehrung der mechanischen Zugkraft auf den Leiter. Dies ist aus Fig. 13 ersichtlich, wo der Strom in beiden Stromleitern entgegen­ gesetzt fließt. Es ist also möglich und verhältnismäßig leicht, durch Aufwand elektrischer Energie in Form von strömender Elektrizität mechanische Arbeit zu erhalten. Die unter dem Namen Elektromotoren bekannten Kraftmaschinen sind praktische Ausführungen dieses Gedankens und beruhen alle auf der in Fig. 12 und Fig. 13 dargestellten Thatsache, daß die Kraftlinien eines magnetischen Feldes bestrebt sind, einen in

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Elektrizität.

diesem Felde befindlichen stromdurchflossenen Leiter in der angegebenen Weise zu bewegen. Das Umsetzungsverhältnis der beiden Energie­ formen ist bekannt; wir wissen aus § 13, daß 736 Watt einer mecha­ nischen Arbeitsgröße entsprechen, die wir 1 Pferdestärke nennen. Die Sache hat indessen noch weitere Bedeutung. Wird in den Abbildungen Fig. 12 und Fig. 13 der stromdurchflossene Leiter dem Zuge, welchen die Kraftlinien des Feldes auf ihn ausüben, entgegen bewegt, so muß offenkundig ein Widerstand überwunden, also mecha­ nische Arbeit geleistet werden. Dadurch aber wird die elektromotorische Kraft in dem bewegten Leiter vergrößert. Wir erhalten also jetzt durch Aufwand mechanischer Arbeit elektrische Energie. Ist der bewegte Leiter bei Beginn der Bewegung stromlos, so entsteht in ibm eine elektromotorische Kraft, sobald die Bewegung beginnt, vorausgesetzt, daß er die Kraftlinien kreuzt oder schneidet. Damit haben wir ein Mittel, mechanische Arbeit in elektrische Energie umzusetzen, und somit auch die Möglichkeit, elektrische Energie im Großen zu einem Preise zu erhalten, der ihre praktische Verwendung gestattet. Wir sind im­ stande, unsere gebräuchlichen Kraftmaschinen, Dampf-, Wasser-, Gas­ motoren usw. in der Weise arbeiten zu lassen, daß sie metallische Leitungsdrähte durch ein magnetisches Kraftfeld bewegen und den Widerstand, den die magnetischen Kraftlinie!: dieser Bewegung, bezw. ihrer Kreuzung entgegensetzen, überwinden. Eine Vorrichtung, durch welche dieser Gedanke zur praktischen Ausführung gelangt, heißt eine Dynamomaschine, auch wohl ein elektvischer Generator, d. h. ein Erzeuger elektrischer Energie.

§ 19.

Induktion.

Werden die Kraftlinien eines Feldes durch einen Leiter ge­ schnitten, so entsteht in dem Leiter eine elektrische Spannung oder eine elektromotorische Kraft. Werden die Enden des Leiters leitend ver­ bunden, so bewirkt diese elektrische Spannung einen Strom in dem geschlossenen Kreise. Diese Wirkung wird Induktion genannt, und man spricht demzufolge von einer elektromotorischen Kraft der Induk­ tion oder einer durch Induktion bewirkten elektromotorischen Kraft. Hierbei ist es gleichgiltig, ob der Leiter oder das Kraftfeld sich be­ wegt; erforderlich ist nur, daß die Kraftlinien geschnitten werden. Die Größe der erzeugten elektromotorischen Kraft steigt und fällt mit der Zahl der Kraftlinien, die in der Zeiteinheit geschnitten werden. Die elektromotorische Kraft wird ferner an jeder Stelle erzeugt, wo der Leiter die Kraftlinien schneidet. Daraus folgt, daß die Größe

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Elektrizität.

dieser Kraft auch von der Länge des durch das Kraftfeld geführten Leiters abhängt, vorausgesetzt, daß er bei der Bewegung auf seiner ganzen Länge Kraftlinien schneidet. Man denke sich einen Leiter von 1 m Länge in 100 gleiche Teile,'also in Stücke von 1 cm Länge zerschnitten und diese Stücke in ihrer Längsrichtung vorerst so anein­ ander gefügt, daß sie an den Verbindungsstellen von einander isoliert sind. Man denke sich ferner diesen Draht senkrecht zur Richtung der Kraftlinien durch ein gleichförmiges Kraftfeld geführt, so wird in jedem Drahtstück, vorausgesetzt, daß es in der Zeiteinheit die gleiche Zahl von Kraftlinien schneidet, eine elektromotorische Kraft von gleicher Stärke entstehen. Denken wir uns nun die Drahtstücke leitend verbunden, oder, was dasselbe bedeutet, den Draht unzerscbnitten, so werden die in den angenommenen Einzelteilen erzeugten elektromotorischen Kräfte sich addieren, oder in dem Draht von 1 m Länge wird eine elektromo­ torische Kraft erzeugt, welche hundertmal so groß ist, wie die in einem Draht von 1 cm Länge erzeugte. Man ist also berechtigt, zu sagen, die in einem durch ein Kraftfeld geführten Leiter erzeugte elekromotorische Kraft nehme auch mit der Länge des Leiters zu und ab. Aus dem Vorstehenden ergiebt sich die Möglichkeit, eine Maß­ einheit für die durch Induktion erzeugte elektromotorische Kraft auf­ zustellen. Als diese Maßeinheit nimmt man diejenige Spannung, welche in einem Leiter von 1 cm Länge entsteht, wenn er in 1 Sekunde 1 Kraftlinie schneidet. Die damit gewonnene Maßgröße ist aber so klein, daß sie zur praktischen Verwendung ungeeignet erscheint. Man hat deshalb als praktische Maßeinheit ein bestimmtes Vielfaches und zwar das Hundertmillionenfache dieser Grundeinheit gewählt. Diese praktische Maßeinheit ist gleich 1 Volt. Wir können also sagen, es entsteht in einem Leiter von 1 cm Länge eine elektrische Spannung von 1 Volt, wenn er in 1 Sekunde 100 Millionen Kraft­ linien schneidet. Induktion entsteht immer, wenn ein elektrischer Leiter Kraftlinien schneidet. Woher die Kraftlinien stammen, ob sie von einem.Stahl­ magneten, einem Elektromagneten oder von einer stromdurchstossenen Spule ausgesandt werden, ist gleichgültig.

§ 20.

JnduktionSerscheinungen.

Selbstinduktion.

Man denke sich zwei Metalldrähte I und II (Fig. 14.) in einiger Entfernung parallel neben einander gehalten. Geht durch einen der Drähte, etwa durch I, ein elektrischer Strom, so entstehen rings um Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

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Elektrizität.

ihn die in Fig. 4 dqrgestellten kreisförmigen Kraftt linien. Diese Kraftlinien müssen notwendig bei ihrer : Ausbreitung den Draht II schneiden. Sogleich ent­ steht in Draht II durch Induktion eine elektromotorische Kraft. Wird der Strom in Draht I unterbrochen, so kehren die Kraftlinien auf demselben Wege, auf dem sie sich vorhin ausgebreitet hatten, wieder m den Draht I zurück. Auf diesem Wege müssen sie wieder den Draht II schneiden, folglich in ihm wiederum eine elektromotorische Kraft erzeugen. Im letzteren Falle aber hat die elektromotorische Kraft entgegengesetzte Richtung. Somit sind wir imstande, durch Schließen und Oeffnen eines Stromes in Draht I eine elektromotorische Kraft von abwechselnd entgegengesetzter Richtung in Draht II und somit, falls die Enden von II leitend verbunden sind, der Draht II also ein geschlossener Leiter ist, in diesem Wechselströme zu erzeugen. Allein um die elektromotorischen Kräfte in dem Draht II entstehen zu lassen, ist es nicht einmal nötig, den Strom I zu schließen und zu unterbrechen. Wird der Strom in I verstärkt, so hat das offenbar dieselbe Wirkung, als ob zu dem vorhandenen ein neuer Strom durch den Draht geleitet wird. Es werden somit um den Draht I herum sich neue Kraft­ linien ausbreiten und den Drayr 11 treffen und schneiden, folglich in ihm neuerdings eine elektromotorische Kraft erzeugen. Somit wird in Draht II auch eine elektromotorische Kraft induziert, wenn der durch I geleitete Strom verstärkt wird. In gleicher Weise wirkt eine Schwächung des Stromes in Draht I; die durch sie bewirkte elektro­ motorische Kraft in II ist entgegengesetzt gerichtet. Die Schwächung des Stromes in Draht I kann so betrachtet werden, als höre ein Teil des Stromes auf. Folglich kehrt alsdann ein Teil der ausgesandten Kraftlinien nach I zurück und schneidet auf diesem Wege den Draht II. Wir können folglich in dem Draht II eine elektromotorische Kraft von wechselnder Richtung und folglich auch Wechselströme hervorbringen, wenn wir einen in dem benachbarten Draht I fließenden Strom ver­ stärken oder schwächen. Endlich giebt es noch ein drittes Mittel, von dem stromdurch­ flossenen Draht I aus in dem Draht II Wechselströme zu induzieren. Das um den stromdurchflossenen Draht I befindliche Kraftfeld ist um so stärker, d. h. die Kraftlinien stehen um so dichter, je näher sie

Elektrizität.

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dem Draht I liegen. Wenn wir folglich den stromdurchflossenen Draht J dem Draht II nähern, so werden Kraftlinien, welche früher diesen Draht II nicht erreichten, ihn jetzt treffen und schneiden, also in ihm eine elektromotorische Kraft von derselben Richtung erzeugen, als wenn in Draht I ein Strom neu aufträte. Ohne weiteres ist ersichtlich, daß umgekehrt beim Entfernen des Drahtes I von dem Drahte II die Stärke des Kraftfeldes um den Draht II herum abnimmt, folglich wiederum Draht II von Kraftlinien, aber in umgekehrter Richtung wie vorhin, geschnitten wird, was wiederum das Auftreten einer ent­ gegengesetzt gerichteten elektromotorischen Kraft zur Folge hat. Natürlich kann in beiden Fällen statt des Drahtes I auch der Draht II sich nähern oder entfernen. Wir können also sagen, in dem Draht II wird eine elektromotorische Kraft induziert, wenn in dem benachbarten Draht I ein Strom entsteht oder verstärkt wird, sowie wenn die Entfernung der beiden Drähte abnimmt. In allen diesen Fällen ist die in II induzierte elektromotorische Kraft entgegengesetzt derjenigen gerichtet, welche den Strom in dem Draht I treibt. Es ist ersichtlich, daß in den genannten drei Fällen das Kraft­ feld, welches von dem Draht I ausgeht, an der Stelle verstärkt wird, wo sich der Draht II befindet. Demnach können wir unsere drei Fälle dahin zusammenfassen, daß in einem im Kraftselde befindlichen Leiter eine elektromotorische Kraft von entgegengesetzter Richtung des ursprünglichen, induzierenden oder primären, Stromes hervorgerufen wird, wenn an dem Orte, wo der Leiter sich befindet, die Stärke des Kraftfeldes zunimmt. Wir können ferner sagen, in dem Draht II wird eine elektromo­ torische Kraft induziert, wenn in dem benachbarten Draht I ein durch­ fließender Strom aushört oder geschwächt wird, oder wenn die Ent­ fernung der beiden Drähte zunimmt. In allen diesen Fällen hat die in II induzierte elektromotorische Kraft dieselbe Richtung, wie die des induzierenden Stromes in Draht I. In allen diesen Fällen nimmt offenbar die Stärke des um den Draht I herum erzeugten Kraftfeldes an der Stelle, wo sich der Draht II befindet, ab. Demnach fassen wir diese drei Fälle dahin zusammen, daß in einem im Kraftselde eines Stromes befindlichen Leiter eine elektromotorische Kraft von der­ selben Richtung, wie diejenige des induzierenden oder primären Stromes hervorgerufen wird, wenn die Stärke des Feldes an der Stelle, wo sich der Leiter befindet, abnimmt. Sonach werden wir in einem im Kraftselde befindlichen ge­ schlossenen Leiter Wechselströme induzieren, wenn wir das Kraftfeld abwechselnd stärken oder schwächen.

Elektrizität.

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Für die beschriebenen Erscheinungen ist es, wie erwähnt, gleich­ gültig, ob das Kraftfeld von stromdurchflossenen Leitern oder von Magneten ausgeht. Die in ihrer Richtung wechselnde elektromotorische Kraft entsteht in unserem Draht II auch, wenn er in einem mag­ netischen Kraftfelde sich befindet, und wenn eine Stärkung oder Schwächung des Feldes bewirkt wird. Die Sache hat aber eine noch weitere Bedeutung. Nehmen wir an Stelle der beiden getrennten Drähte I und II in Fig. 14 einen spiralförmig gebogenen Draht (Fig. 15), so daß I und II die beiden Zweige dieses Drahtes bezeichnen. Wird nun in dem Teil I ein Strom eingeleitet, so wirkt dieser zunächst in derselben Weise indu­ zierend aus den Teil II, als wenn die beiden Zweige unverbunden wären; denn es ist klar, daß die beim Durchgang des Stromes durch den Teil I auftretenden kreisförmigen Kraftlinien den Teil II treffen, schneiden und dadurch in diesem eine elektromotorische Kraft von ent-

Ng. 15.

Fig. 16.

gegengesetzter Richtung erzeugen werden. In derselben Weise wird der Strom, sobald er durch den Teil II geht, induzierend auf den Teil I zurückwirken. Dieselbe Wirkung hat offenkundig eine Ver­ stärkung des Stromes in Teil I bezw. II. Werden statt der zwei Teile in Fig. 15 deren mehrere angewandt (Fig. 16), so entsteht beim Einleiten eines Stromes in jedem Teile eine elektromotorische Kraft von entgegengesetzter Richtung. Haben wir nun eine aus vielen Windungen bestehende Spule, so wirkt jede Windung induzierend auf die übrigen Windungen und erzeugt eine elektromotorische Gegenkraft gegen den eingeleiteten oder verstärkten Strom. Diese Erscheinung nennt man Selbstinduktion, und aus ihr erklärt es sich, daß beim Einleiten eiues Stromes in einen Leiter, insbesondere dann, wenn der Leiter aus vielen parallelen Windungen besteht, der eingeleitete Strom nicht sofort mit seiner ganzen Stärke durchgeht, sondern erst allmählich und in dem Maße ansteigt, wie die in den Windungen auftretenden elektro-

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motorischen Gegenkräfte aushören. (Drosselspulen.) Es ist wohl zu be­ achten, daß der primäre Strom nur solange induzierend wirken kann, als sich sein Kraftfeld ändert, also nur momentan beim Entstehen und beim'Verstärken. Selbstinduktion tritt natürlich auch dann auf, wenn der primäre Strom unterbrochen oder wenn er geschwächt wird; jetzt aber hat die erzeugte elektromotorische Kraft die gleiche Richtung, wie die des primären Stromes, und addiert sich zu dieser. Die Erscheinungen der Selbstinduktion haben, wie sich leicht er­ sehen läßt, besondere Bedeutung bei Wechselstrommaschinen und bei Apparaten, welche Wechselstrom verarbeiten.

§ 21.

Umwandlung von Energie in der magnetelektrischen Maschine.

Eine magnetelektrische Maschine wird jede mechanische Vorrichtung genannt, welche dazu dient, elektrische Leiter fortlaufend durch ein magnetisches Kraftfeld so hindurchzusühren, daß dabei die Kraftlinien des Feldes geschnitten werden. In dem in dieser Weise durch das Kraft­ feld bewegten Leiter wird eine elektromotorische Kraft erzeugt. (§ 19) Werden die Enden des Leiters auf irgend eine Art in leitende Ver­ bindung gesetzt, so bewirkt diese elektromotorische Kraft einen elek­ trischen Strom. Der stromdurchflossene Leiter erfährt von den Kraft­ linien des magnetischen Feldes eine mechanische Einwirkung, welche ihn aus dem Kraftfelde herauszubewegen sucht. (Fig. 12. u. 13). Zur Ueberwindung dieser Einwirkung bedarf es eines Aufwandes von mechanischer Arbeit. Darin ist es begründet, daß ein Motor (Dampf­ maschine, Gasmotor, Wassermotor rc.) Arbeit leisten muß, um eine magnetelektrische Maschine, welche Strom erzeugen soll, in Thätigkeit zu erhalten. Leitet man umgekehrt durch einen im magnetischen Kraft­ felde in geeigneter Stellung befindlichen Leiter einen elektrischen Strom, der von einer fremden Stromquelle gespeist wird, so kann man die aus Fig. 12 u. 13 ersichtlichen mechanischen Einwirkungen des Kraft­ feldes auf den stromdurchflossenen Leiter nutzbar machen, um den Leiter mit einer bestimmten Kraft sich bewegen lassen uud dadurch mechanische Arbeit zu gewinnen. In diesem Falle verbraucht die Maschine elektrische Energie in Form des den Leitern zugeführten Stromes und giebt dafür mechanische Arbeit ab. Die magnetelektrischen Maschinen zerfallen somit nach dem Zwecke, welchem sie dienen, in zwei Gruppen. Sollen sie Strom erzeugen, so nennt man sie Generatoren (Erzeuger), sollen sie dagegen mecha­ nische Arbeit abgeben, so heißen sie Motoren (Kraftmaschinen). In

Elektrizität.

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ihrer Bauart und Arbeitsweise zeigen sie nur geringfügige Abweichungen; es ist möglich, ein und dieselbe Maschine nach Bedarf zu beiden Zwecken zu verwenden.

§ 22.

Die Dynamomaschine.

Jede magnetelektrische Maschine verlangt zunächst ein magnetisches Kraftfeld. Je stärker dieses Feld ist, d. h. je mehr Kraftlinien auf die Flächeneinheit kommen, um so größer ist die Leistungsfähigkeit der Maschine. Dagegen ist es gleichgültig, auf welche Weise das magnetische Kraftfeld erzeugt wird. Aus Fig. 9 ist nun ersichtlich, daß, wenn man zwei Stahlmagnete mit ungleichnamigen Polen einander gegenüberstellt, zwischen diesen Polen ein freies Kraftfeld erzeugt wird. Demnach könnte man das Kraftfeld mit Hülfe von Stahlmagneten herstellen. Anfangs geschah das auch. Viel stärkere Magnete, also auch Kraftfelder, aber erhält man, wenn man Elektromagnete benutzt, also Kerne von wei­ chem Eisen, welche von einem elektrischen Strom umflossen werden. (§ 16). Die magnetelektrischen Maschinen der heutigen Praxis besitzen als Feldmagnete, d. h. als Magnete zur Herstellung des magnetischen Kraftfeldes, ausschließlich Elektromagnete. Zur Herstellung und Er­ haltung des magnetischen Feldes aber muß ein elektrischer Strom die Eisenkerne der Feldmagnete dauernd umfließen; man hat also von vornherein einen elektrischen Strom nötig. Dieser Strom kann von irgend einer Stromquelle außerhalb der Maschine geliefert werden. Solange dieS geschieht, bleibt bie Maschine immer noch eine gewöhn­ liche magnetelektrische Maschine. Man kann aber zur Erregung der Eisenkerne in den Feldmagneten auch den Strom benutzen, welchen die Maschine beim Betriebe selbst liefert. Die Maschine ist alsdann eine selbsterregende und sie hat in dieser Form allgemein den Namen Dynamomaschine erhalten. Wichtigkeit hat das offenbar nur, wenn die Maschine als Stromerzeuger benutzt wird. Dient sie als Motor, so sind die Feldmagnete ebenfalls Elektromagnete, man braucht aber den Strom, welcher der Maschine von außen zugeführt werden muß, gleichzeitig, um die Feldmagnete zu erregen. Eine Dynamomaschine ist deshalb stets ein Stromerzeuger, und zwar ein solcher, welcher den von ihm erzeugten Strom gleichzeitig zur Erregung der Feldmagnete, also zur Herstellung des magnetischen Kraftfeldes benutzt.

§ 23.

Stromerzeugung in der Dynamomaschine.

Die Abbildung Fig. 17 stellt schematisch die Dynamomaschine dar und ist geeignet, die Stromerzeugung in ihr klar zu stellen. Die

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Eisenstücke N und S stellen die Feldmagnete dar; woher der Mag­ netismus stammt, ist gleichgültig; wir nehmen an, daß N in einen

Nordpol, 8 in einen Südpol endigt. Nach unserer Annahme (§ 16) geht alsdann die magnetische Strömung von N nach 8 über. Zwischen den Magnetpolen befindet sich ein Eisenring, welcher zwei aus Kupfer-

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draht gebildete Schleifen oder Spulen Sj und s2 trägt. Wie uns die phowgr. Abbildung in Fig. IQ lehrt, nimmt die magnetische Kraft­ strömung zwischen den Magnetpolen ihren Weg durch das Eisen des Ringes. Beim Auftreffen auf den Eisenring biegen deshalb die Kraft­ linien in der gezeichneten Weise um und nehmen symmetrisch ihren Weg durch die beiden Ringhälften. Der Eisenring ist auf einer Axe befestigt und wird von dieser in der Pfeilrichtung umgedreht. Auf der Axe sitzen ferner die beiden Kupfersegmente Kt und K2. Diese sind gegen die Axe durch nichtleitendes Material und gegeneinander durch Luft­ zwischenräume oder ebenfalls durch nichtleitendes festes Material elek­ trisch isoliert. Die Enden der Spulen st und s2 sind in der gezeichneten Weise an den Segmenten Kx und K2 befestigt. Bewegt sich nun der Ring mit den aufsitzenden Spulen, so daß st aus der Lage in A in die Lage in Ax, die Spule s2 aus der Lage in B in die Lage in B2 übergeht, so werden zunächst von beiden Spulen keine Kraftlinien ge­ schnitten, da die Spulen sich den Kraftlinien parallel bewegen. Es tritt folglich auch keine elektromotorische Kraft in den Spulen auf. Erst bei der Weiterbewegung der Spulen über At bezw. Bt hinaus tritt das Schneiden der Kraftlinien und zwar jetzt in starkem Maße auf. Die elektromotorische Kraft steigt deshalb rasch an, und solange bleibt sie auf der höchsterreichbaren Höhe, bis sf etwa in A2 und s2 etwa in B2 angelangt ist. Jetzt fällt sie wieder rasch ab und bei B bezw. A ist sie wieder gleich Null. A und B heißen deshalb die neutralen Punkte. Bei einer halben Umdrehung des Ringes schneidet jede Spule einmal sämtliche Kraftlinien des Feldes; es ist aber klar, daß die Spule s2 die Linien in entgegengesetzter Richtung durchschneidet, wie die Spule sP Dies hat zur Folge (§ 18), daß die elektromotorische Kraft und folglich auch der erzeugte Strom in s2 entgegengesetzt dem in sL gerichtet ist. Macht der Ring eine volle Umdrehung, fcr schneidet jede Spule die Linien des Kraftfeldes zweimal, und zwar das zweite Mal in entgegengesetzter Richtung zum ersten Male. In jeder Spule ent­ stehen somit bei einer vollen Umdrehung des Ringes zwei Stromstöße von gleicher Stärke, aber entgegengesetzter Richtung, also ein aus zwei Stößen bestehender Wechselstrom. Wie man leicht einsieht, wäre es nicht nötig, daß mit den Spulen sich auch der die Spulen tragende Eisenring durch das Feld bewegt, es wäre sogar aus späterhin zu er­ örternden Gründen vorteilhafter, wenn der Ring stille stände und nur die Spulen auf ihm die Kreisbewegung ausführten. Aus mechanischen Gründen läßt sich das aber gar nicht oder nur sehr schwierig aus­ führen. In allen Dynamomaschinen und auch in sämtlichen Elektro­ motoren nimmt deshalb das die Spulen tragende Eisengestell an der

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Drehbewegung teil. Die Erscheinungen, welche vorhin bezüglich der beiden auf dem Eisenring befindlichen Spulen dargelegt wurden, bietet jedes andere bezw. weitere Spulenpaar, welches auf dem Ring befestigt wird. Jede Spule muß bei einer vollen Umdrehung des Ringes einen aus zwei Stromstößen bestehenden Wechselstrom liefern. Demnach ist die Maschine zunächst nur zur Erzeugung von Wechselstrom geeignet. Durch eine einfache Vorrichtung aber kehrt man die zu den ersten entgegen­ gesetzt gerichteten zweiten Stromstöße um, sodaß in die äußere Leitung nur Stromstöße von gleicher Richtung entsandt werden. Folgen diese Stromstöße schnell genug aufeinander, so nähert sich der durch sie be­ wirkte Elektrizitätsfluß mehr und mehr einem in gleichmäßiger Stärke dahin fließenden Strome. Vollständig erreichen kann er ihn allerdings niemals, immer hat der von einer Dynamomaschine erzeugte Gleichstrom den Charakter eines pulsierenden Stromes. Zur Gleichrichtung der in den Spulen erzeugten Stromstöße dienen die beiden isoliert auf der Axe befestigten Kupfersegmente Kt und K2. Von jeder Spule ist das eine Ende an das eine, das andere an das andere Segment leitend befestigt. Nehmen wir nun an, daß in Fig. 17 der Strom in den beiden Spulen und s2 in der. durch die Pseilrichtung angedeuteten Richtung fließt, während sx sich von A nach B und s2 sich von B nach A bewegt, so fließen in beiden Spulen die Ströme, wie es sein muß, entgegengesetzt. Es ist aber ersichtlich, daß bei der getroffenen Anordnung in jeder Spule der Strom von dem Segment Kt weg- und nach dem Segment K2 hin­ fließt. Jede Spule ist also bestrebt, den elektrischen Spannungsunter­ schied in den beiden Segmenten Kt und K2 in gleicher Weise und in gleichem Sinne zu erhöhen, bezw. einen solchen Spannungsunterschied herbeizuführen. Setzen wir deshalb die beiden Segmente durch eine geschlosiene äußere Leitung in Verbindung, so muß infolge dieses Spannungsunterschiedes in dieser Leitung ein Strom erzeugt werden, und dieser Strom muß notwendig von dem höher gespannten Segment K3 zu dem niedriger gespannten Segment Kt fließen. Da die beiden Segmente sich mit der Axe, auf welcher sie sitzen, drehen, so kann die den Strom abnehmende äußere Leitung nicht fest mit ihnen verbunden werden. Dies hat dazu geführt, an die Segmente feststehende Gleit­ oder Schleifkontakte, sog. Bürsten anzulegen, welche mit gelindem Druck gegen die Segmente angepreßt werden und auch bei den sich drehenden Segmenten die leitende Verbindung mit dem äußern Stromkreis auf­ recht erhalten. Die beiden Segmente, welche den Strom aus den Spulen aufnehmen, heißen wegen dieser Aufgabe auch Stromsammler. Viel häufiger aber ist die Bezeichnung Kommutator (Umwandler)

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für dieselben, weil sie die von den Spulen kommenden entgegengesetzt gerichteten Stromstöße in gleiche Richtung bringen müssen. In der Abbildung Fig. 17 ist zur bequemeren Uebersicht der Raum zwischen den Enden der Feldmagnete und dem Umfang des Eisenringes absichtlich sehr weit genommen. In Wirklichkeit darf das nicht sein, weil der Luftraum zwischen Magnetpol und Elsenring der magnetischen Strömung einen großen Widerstand entgegensetzt, folglich das magnetische Kraftfeld erheblich schwächt. Man macht deshalb diesen Zwischenraum so eng, als es die ungehinderte Bewegung des Ringes nur zuläßt. Der Eisenring mit den aussitzenden Spulen wird der Anker der Maschine genannt. Es dreht sich hier der Anker im magnetischen Felde. Dies ist bei den meisten magnet-elektrischen Maschinen der Fall, es könnte aber auch der Anker feststehen und eine Bewegung der Feldmagnete, also auch des Kraftfeldes, um den Anker herum erfolgen. Die Wirkung bezüglich der Stromerzeugung in den Ankerspulen würde dieselbe sein. Die Thatsache aber, daß meistens der Anker der bewegte Teil der Maschine ist, hat Anlaß gegeben, daß man vielfach fälschlich den bewegten Teil der Maschine immer den Anker nennt. Richtig ist es, als Anker denjenigen Teil der Maschine zu bezeichnen, dessen Wickelung bei einer Dynamomaschine Strom erzeugt und bei einem Elektromotor von außen Strom empfängt, oder einfacher noch, welcher die Umwandlung der Energie bewirkt. Der Anker einer Dynamomaschine vezw. eines Elektromotors trägt nun nleruuls blvß zwei Leiter oder Spulen, sondern immer eine größere Menge. Immer aber zerfallen sämtliche Spulen in zwei Gruppen, in denen der er­ zeugte Strom entgegengesetzt fließt. Diese Spulen sind in der Weise, wie es in Fig. 18 dargestellt ist, fortlaufend mit einander verbunden, also hintereinander geschaltet. Der leichteren Uebersichtlichkeit halber sind in Fig. 18 auf jeder Ringhälfte nur drei weitere Spulen zu­ gefügt. Es ergeben sich somit 8 Ankerspulen, welche in der Ab­ bildung fortlaufend mit bezeichnet sind. Den 8 Spulen entsprechen 8 Segmente des Kommutators, welche die fortlaufende Bezeichnung 1—8 tragen. Jede Spule verbindet zwei aufein­ anderfolgende Segmente. Es ist nun, wie in Fig. 17, angenommen, daß 00 die neutrale Linie ist, d. h. mit demjenigen Durchmesser des Ankers zusammenfällt, an dessen Endpunkten der Wechsel der Stromrichtung in der vorbeigehenden Spule erfolgt. Die Spulen sind an dieser Stelle stromlos, nur der Uebereinstimmung wegen sind die Pfeile beigesetzt; sie zeigen hier nur an, in welcher Richtung der Strom fließen würde, wenn ein solcher vorhanden wäre. Die neutrale

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Elektrizität.

Axe 00 teilt den Anker in zwei Hälften und die aufsitzenden Spulen in zwei Gruppen. Zur ersten Gruppe gehören die Spulen srs4, zur zweiten die Spulen s5-s8. Es ist nun leicht ersichtlich, daß in den Spülen 8i>84 der Strom in derselben Richtung fließt. Dasselbe ist der Fall bezüglich der Spulen s5-s8. Die Stromrichtung aber ist in den Spulen srs4 entgegengesetzt zu der in der Spulengruppe s5-s8. Mau sieht aber ferner, daß sämtliche Spulen beider Gruppen die Elektrizität von dem Segment s4 weg- und nach dem Segment s8 hinbefördern. Zwischen den Segmenten s4 und e8 wird folglich der gesamte Spannungs­ unterschied herrschen, welcker durch die elektromotorischen Kräfte, die in den einzelnen Spulen erzeugt werden, hervorgebracht wird. Wenn wir also an die Segmente s4 und s8 Bürsten anlegen und diese mit einem äußeren Stromkreis leitend verbinden, so wird durch diesen Spannungsunterschied ein Strom von entdeckender Stärke entstehen. In der beschriebenen Anordnung geht durch sämmtliche Spulen, welche zu einer Gruppe gehören, ein und dieselbe Elektrizitätsmenge hindurch; die Wirkung der vergrößerten Spulenzahl besteht darin, daß jede folgende Spule die von der vorhergehenden empfangene Elektrizität auf eine höhere Spannung bringt. Die Spulen jeder Gruppe ent­ sprechen also einer gleichen Anzahl von Druckpumpen, welche über­ einander angebracht sind, und von welchen jede folgende das von der vorhergehenden heraufgepumpte Wasser auf eine wettere Höhe hinauf­ drückt. Je mehr Spulen also auf dem Anker angebracht und hintertinuiibrt geschaltet sind, um so größer ist die unter sonst gleichen Umständen von der Maschine erzeugte elektrische Spannung oder die elektromotorische Kraft. Bei Hintereinanderschaltung der Spulen erfordert jedes neu hmzukommende Spulenpaar auch eine entsprechende Vermehrung der Zahl der Kommutatorsegmente. Die Vermehrung der Spulen und Segmente findet natürlich schon aus mechanischen Gründen bald ihre Grenze.

§ 24. Die Erzeugung des magnetischen Feldes. Nachdem der vorhergehende § gezeigt hat, in welcher Weise in einer maguetelektrischen Maschine Strom erzeugt wird, läßt sich leicht darlegen, in welcher Weise der von der Maschine gelieferte Strom zur Erregung der Feldmagnete, also zur Herstellung und Erhaltung des Kraftfeldes benutzt, die magnetelektrische Maschine also zur Dynamo­ maschine wird. Das Nähere ist aus den Abbildungen Fig. 19—21 ersichtlich. Zur leichteren Veranschaulichung sind in den Abbildungen

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die Ankerspulen nicht gezeichnet, und der Kommutator ist nur aus zwei Segmenten bestehend angenommen. In Figur 19 wird der vom Anker abgenommene Strom, ehe er in die äußere Leitung AE gelangt, in mehreren Windungen um die Feldmagnete S und N geführt. Da der Strom in seiner ganzen Stärke die Eisenkerne umfließt, so sind nur verhältnismäßig wenige Windungen

erforderlich, um eine magnetische Kraftströmung von genügender Stärke hervorzurufen. Die Stärke der magnetischen Kraftströmung beruht ja auf der Zahl der Amperewindungen der Feldmagnete (§ 16),

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also auf dem Produkt der Windungen der Feldmagnete und der Stärke des durchfließenden Stromes. Geht also, wie hier, ein starker Strom durch die Leitung, so genügen wenige Windungen. Der Leitungsdraht muß aber, weil er einen starken Strom zu leiten hat, dick sein. Weil bei der vorliegenden Art zur Erzeugung des magnetischen Feldes der ganze von der Maschine erzeugte Strom benutzt wird, nennt man die Maschine Hauptstrommaschine. Man nennt sie auch Reihenmaschine mit Rücksicht darauf, daß in dem gesamten Stromkreis die Ankerspulen, die Windungen der Feldmagnete und die äußere Leitung in einer Reihe hintereinander geschaltet sind. Eine Hauptstrommaschine ist nur für beschränkte Zwecke verwend­ bar; insbesondere dient sie zum Speisen von Bogenlampen, die hinter­ einander geschaltet sind und stets alle gleichzeitig brennen sollen. Der Widerstand im Stromkreise bleibt alsdann ungeändert. Läßt man bei einer Hauptstrommaschine den Widerstand im äußeren Stromkreise zu­ nehmen, so hat das nach dem Ohmischen Gesetz (§ 10) eine Vermin­ derung der Stromstärke zur Folge. Wird aber der Strom schwächer, so werden die Feldmagnete weniger stark erregt, und sofort nimmt die magnetische Kraftströmung ab. Damit sinkt die elektromotorische Kraft der Maschine und folglich auch die Spannung in dem ganzen Leitungs­ netz. Ist der Stromkreis nicht geschlossen, so kann die Maschine über­ haupt keinen Strom erzeugen, da, solange kein Strom durch die Leitung geht, auch die Feldmagnete nicht erregt werden. Bei der in Figur 20 dargestellten Maschine wird an den beiden Endpunkten A und B der äußeren Leitung eine Nebenleitung ab­ gezweigt und diese in vielen Windungen um die Feldmagnete geführt. Die Nebenleitung besteht aus dünnem Kupferdraht und hat eine be­ deutende Länge, sie setzt also dem Durchgänge des Stromes einen er­ heblichen Widerstand entgegen. Die Folge ist, daß der durch die Neben­ leitung gepreßte Strom nur eine geringe Stärke hat; dafür ist aber jetzt die Zahl der Windungen sehr groß und folglich die Zahl der Amperewindungen nicht geringer als bei der Hauptstrommaschine. Der größte Teil des von der Maschine erzeugten Stromes geht durch die Hauptleitung des äußeren Stromkreises. Da die Wickelung der Feld­ magnete hier im Nebenschluß zur Hauptleitung liegt, nennt man die Maschine eine Nebenschlußmaschine. Diese Form der Dynamo­ maschine findet in der Praxis vorwiegend Anwendung, insbesondere zum Speisen von Glühlampen und Bogenlampen, die parallel geschaltet sind, (8 11) ferner zum Laden von Akkumulatoren, zu elektrochemischen Zwecken, überhaupt da, wo im äußeren Stromkreise keine sehr hohe Spannung erfordert wird, aber ein Strom nötig ist, der hinreichend

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viel der der des

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Elektrizität nach Bedarf liefert. Wächst bei der Nebenschlußmaschine Widerstand im äußeren Stromkreise, so bewirkt das nicht, wie bei Hauptstrommaschine eine Schwächung, sondern eine Verstärkung magnetischen Feldes. Bei wachsendem Widerstand tnt äußeren

Stromkreise wird nämlich mehr Strom durch die Nebenleitung gepreßt, also eine stärkere Erregung der Feldmagnete bewirkt. Damit steigt aber die elektromotorische Kraft der Maschine, und sie wird in den Stand

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gesetzt, den vergrößerten Widerstand zu überwinden. Gewöhnlich bringt man bei einer Nebenschlußmaschine in der Nebenleitung einen sog. veränderlichen Widerstand an, der nach Bedarf ein und ausgeschaltet werden kann und es ermöglicht, die Spannung im äußeren Stromkreise unverändert zu erhalten. Der Arbeiter, welcher die Maschine bedient, hat alsdann fortlaufend den Spannungsmesser des äußeren Strom­ kreises zu beobachten und darnach den Schalthebel für den veränder­ lichen Widerstand in der Nebenleitung zu stellen. Die dritte Form der Dynamomaschine ist in Fig. 21 dargestellt.

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Sie ist, wie' man leicht sieht, eine Verbindung von Hauptstrom- und Nebenschlußmaschine, indem sowohl die Hauptleitung vor Uebergang in den äußeren Stromkreis, als auch eine von den Klemmen abge­ zweigte Nebenleitung um die Eisenkerne der Feldmagnete geführt ist. Hier ergänzen sich die durch die beiden Leitungen geführten Ströme, sodaß eine unveränderliche Einwirkung auf die Feldmagnete, also ein magnetisches Kraftfeld von gleichbleibender Stärke erzeugt wird. Da­ mit bleibt aber auch die von der Maschine erzeugte elektromotorische Kraft unverändert. Eine Maschine mit der in Rede stehenden gemischten Bewicklung der Feldmagnete liefert deshalb eine unveränderliche Klemmenspannung. Sinkt die Stromstärke in der Hauptleitung, so steigt sie in der Nebenleitung, und umgekehrt; die Zahl der Ampere­ windungen auf den Feldmagneten ändert sich also nicht. Man hat deshalb die Maschine auch eine selbstregulierende genannt. Wegen der Verbindung der beiden Wickelungen der Feldmagnete nennt man sie eine Verbundmaschine oder Kompoundmaschine. Jede magnetelektrische Maschine kann nur dann in Thätigkeit treten, wenn ein magnetisches Feld vorhanden ist. Da nun die Dy­ namomaschine sich das magnetische Feld selber erzeugen muß, so scheint es, als könne sie nicht ohne weiteres angehen, d. h. ohne daß zuvor von außen ein magnetisches Feld erzeugt wird. Man müßte also beispielsweise die Feldmagnete durch einen fremden Strom zunächst magnetisieren. Thatsächlich ist das nicht erforderlich. Die Eisenkerne der Feldmagnete sind sowohl durch den Einfluß des Erdmagnetismus, als auch durch die von früheren Magnetisierungen zurückbleibende mag­ netische Strömung magnetisch, wenn auch nur in geringem Grade. Es ist also stets ein, wenn auch schwaches, Kraftfeld vorhanden. Dies genügt,- um in den Spulen des rotierenden Ankers einen zunächst schwachen Strom zu erzeugen. Geht dieser um die Feldmagnete, so verstärkt er das Kraftfeld. Dadurch entsteht in den Ankerspulen wie­ der ein stärkerer Strom, dieser verstärkt wieder das Kraftfeld u. s. w. Nach einigen Ankerumdrehungen wird somit das Kraftfeld in seiner vollen Stärke geschaffen.

§ 25.

Gegenwirkungen des Ankers.

Die Erzeugung elektrischer Energie in der Dynamomaschine ge­ staltet sich nicht so ganz einfach, wie es aus den Darlegungen in § 23 geschlossen werden kann. Ter Strom, welcher in den Ankerspulen fließt, sowie die Bewegung des Ankers im Kraftfeld rufen verschiedene Erscheinungen hervor, die man, weil sie im allgemeinen schädlich wirken^ Spennrath, Wartung eleftr. Maschinen.

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Gegenwirkungen des Ankers genannt hat. Es hat damit folgende Be­ wandtnis. Zur Vereinfachung der Darstellung wählen wir den in Figur 17 und 18 angenommenen Eifenring als Ankerform. Die neutrale Axe 00 teilt diesen Ring in zwei symmetrische Hälften, und jede Hälfte trägt eine gleiche Zahl von Spulen, die beim Betrieb der Maschine von einem Strome durchflossen werden. Denken wir uns nun den Ring in der neutralen Axe durchschnitten, also zwei getrennte Ringhälften, dann stellt jede Ringhälfte einen Eisenstab vor, welcher in einer An­ zahl von Windungen vom Strom umflossen wird, also der Einwirk­ ung von Amperewindungen ausgesetzt ist. Jeder Stab wird da­ durch ein Magnet mit freien Polen (8 16). Die Stromrichtung ist in den beiden Ringhälften entgegengesetzt, und da die Stromrichtung auch die Richtung der magnetischen Strömung, also die Lage der freien Pole bestimmt (Fig. 11), so kommt es, daß an den beiden Schnitt­ stellen des Ringes gleichnamige Magnetpole auftreten. In Fig. 22 ist dies angedeutet. Bei NN erscheinen zwei freie Nordpole, bei SS

Fig- 22. zwei freie Südpole. Werden die Ringhälften zusammengefügt, oder, was dasselbe bedeutet, bleibt der Ring ungeteilt, so ändert sich an der magnetischen Strömung in dem Eisen des Ringes nichts, die Ström­ ungen gehen von SS aus und verlaufen in beiden Ringhälften in

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gleicher Stärke nach NN, d. h. in dem geschlossenen Ring entsteht auf der neutralen Linie bei SS ein freier Südpol, bei NN ein freier Nordpol, oder vielmehr es entsteht an beiden Stellen ein Doppelpol. Anderseits geht, wie aus Fig. 17 ersichtlich ist, die magnetische Strömung zwischen den Polen der beiden Feldmagnete in der Richtung senkrecht zur neutralen Axe durch das Eisen des Ankerringes hindurch. Die durch die Ankerspulen bewirkte Magnetisierung des Ringes steht also zu der Richtung der von den Feldmagneten bewirkten magnetischen Strömung senkrecht oder quer. Man sagt deshalb auch, der Strom der Ankerspulen bewirke eine Quermagnetisierung des Ankereisens. Diese Quermagnetisierung verursacht eine Verschiebung der magnetischen Strömung zwischen den Feldmagneten im Sinne der Bewegungsricht­ ung des Ankers, sodaß ein größerer Teil dieser Strömung nach der­ jenigen Seite der Feldmagnete gedrückt wird, von welcher sich der Anker abbewegt. Die Anbäusung der Strömung an diesen Stellen bewirkt eine stärkere Sättigung und damit einen größeren Widerstand der Feldmagnete gegen die magnetische Strömung, somit auch eine Schwächung dieser Strömung, also eine Schwächung des Kraftfeldes. Man kann dem schädlichen Einfluß der Quermagnetisierung nur dadurch entgegenwirken, daß man das Kraftfeld, also den Magnetis­ mus der Feldmagnete möglichst stark und die Quermagnetisierung des Ankereisens durch die Ankerspulen möglichst schwach macht. Ersteres erreicht man durch Vermehrung der Zahl der Amperewindungen auf den Feldmagneten, letzteres dadurch, daß man auf dem Anker nicht zu­ viele Spulen anbringt. Es sind dann allerdings weniger Spulen vor­ handen, welche die Kraftlinien schneiden, aber dafür erzeugt die stär­ kere Magnetisierung der Feldmagnete mehr Kraftlinien, sodaß der Ver­ lust dadurch ausgewogen wird, daß die einzelne Spule mehr Kraft­ linien als sonst schneidet. Die elektromotorische Kraft bleibt also un­ geändert. Es liegt auf der Hand, daß das Kraftfeld der Feldmagnete um so weniger von der quer gerichteten magnetischen Strömung im Ankereisen beeinflußt wird, je stärker es selbst und je schwächer die Querströmung im Anker ist. Das Gesetz, daß in jedem geschlossenen Leiter, welcher durch ein magnetisches Feld bewegt wird und Kraftlinien schneidet, Ströme ent­ stehen, findet selbstredend auch auf die bewegten Eisenteile des Ankers Anwendung, da auch diese geschlossene Leiter darstellen. Es werdet! folglich in dem Ankereisen Ströme hervorgerufen. Man nennt sie Wirbelströme. Sie sind schädlich, weil sie Energie der Triebmaschine verbrauchen, und weil die in ihnen enthaltene Energie sich in Wärme umsetzt. Diese Wärme ist nicht nur verloren, sie wirkt sogar direkt 4*

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nachteilig, weil sie den Anker erhitzt. Man muß deshalb darauf bedacht sein, das Auftreten dieser Wirbelströme im Ankereisen nach Möglichkeit zu verhindern. Die Richtung der Wirbelströme steht senkrecht auf der Ebene, welche durch die Bewegungsrichtung des Ankers und durch die Richtung der Kraftlinien des magnetischen Feldes bestimmt ist (§ 18), sie verläuft folglich parallel zur Axenrichtung des Ankers Unterbricht man deshalb das Ankereisen quer zu dieser Richtung, so schneidet man den Wirbelströmen den Weg ab. Dies ist der Grund, weshalb in den magnetelektrischen Maschinen das Anker­ eisen geblättert, d. h. der Ankerkern aus Blättern oder Lamellen zusammengesetzt wird, die in der Axenrichtung des Ankers aneinander­ gefügt werden. Zwischen je zwei Scheiben legt man eine isolierende Zwischenlage, etwa geöltes Papier. Je mehr der Anker geblättert wird, je dünner also die einzelnen Scheiben sind, umso weniger können Wirbelströme in den einzelnen Scheiben auftreten. Man darf aber in der Blätlerung auch nicht zu weit gehen; denn je mehr Scheiben man hat, umso mehr Isolierschichten sind auch nötig, und umso geringer wird folglich die Eisenmasse des Ankers. Das Eisen des Ankers aber soll den Weg für die Kraftströmung zwischen den Feldmagneten bilden, und in dem Maße, wie man diesen Weg verengt, wächst der Wider­ stand gegen die Strömung, wird die Strömung selbst also schwächer. Man sucht dem schädlichen Einfluß der Blätterung in dieser Beziehung dadurch entgegen zu wirken, daß man als Material zu dem Anker sehr weiches schwedisches Holzkohlen-Schweißeisen nimmt, welches von allen Eisensorten die größte Leitungsfähigkeit für magnetische Strömung besitzt. Zu den Gegenwirkungen des Ankers ist auch das Erwärmen der Feldmagnete zu rechnen. Bei jeder Ankerumdrehung werden in jeder Ankerspule zwei Stromstöße von entgegengesetzter Richtung erzeugt. Wenn auch durch den Kommutator diese Stromstöße so gerichtet werden, daß sie in der äußeren Leitung in gleicher Richtung verlaufen, so bleiben sie doch immer Stromstöße. Der von den Bürsten einer Dynamomaschine ausgehende Strom ist deshalb durchaus kein gleich­ mäßiger, sondern em pulsierender, und er erhält umso mehr den Charakter eines gleichmäßigen Stromes, je rascher die Stromstöße auf­ einander folgen; vollkommen erreichen kann er ihn niemals. Dieser pulsierende Strom wird nun ganz oder teilweise um die Eisenkerne der Feldmagnete geleitet. Nun wissen wir, daß rings um einen stromdurchflossenen Leiter Kraftlinien entstehen, und daß bei der Ver­ stärkung sowohl als bei der Schwächung des Stromes in einem benachbarten Leiter Jnduktionsströme austreten (§ 20). Bei der

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Wickelung der Feldmagnete ist der eingeschlossene Eisenkern dieser benachbarte Leiter. Stromstöße aber sind zu- und abnehmende Ströme. Der durch die Wickelung der Feldmagnete gehende Strom erzeugt also notwendig Wirbelströme in den Feldmagneten und erzeugt dadurch Wärme. Daher müssen in einer im Betrieb befindlichen Dynamomaschine die Feldmagnete sich allmählich erwärmen. Natürlich bedeutet das einen Energieverlust. Jeder Strom, welcher einen Leiter durchfließt, der Widerstand bietet, setzt notwendig einen Teil der von ihm transportierten Energie in Wärme um. Widerstandsfreie Leiter giebt es nun nicht. ^Folglich müssen auch die Ankerspulen, welche von starken Strömen durchflossen werden, sich erwärmen. Die Wärmeerzeugung wächst im quadratischen Verhältnis zur Stärke des durchfließenden Stromes, d. h. ein Strom von doppelter Stärke erzeugt nicht die doppelte, sondern die vierfache Wärme. Hierin liegt besonders der Grund, weshalb der Anker einer im Betrieb befindlichen Maschine warm wird, und weshalb man die Maschine durch Lüften kühl halten muß. Wie bei allen bewegten Maschinenteilen, entsteht auch bei magnetelektrischen Maschinen ein Arbeitsverlust durch Reibung und Luftwiderstand. Hier kommt wesentlich die Reibung der Ankeraxe in den Lagern zur Geltung. Man muß deshalb für eine gute Schmierung sorgen. In vielen neueren magnetelektrischen Maschinen werden die Leiter auf dem Anker versenkt angebracht. Der Querschnitt des Ankereisens hat infolgedessen das Aussehen eines Zahnrades, und in die Zahnlücken werden die Leiter gelegt. Es geschieht dies, um den Widerstand gegen die magnetische Strömung zwischen den Polen der Feldmagnete und dem eisernen Ankerkern zu verringern. Die Kupferleiter auf dem Eisenkern leiten die magnetische Strömung ebenso schlecht wie die Luft; die vorspringenden Eisenzähne verkürzen also den schlechtleitenden Zwischenraum zwischen Magnetpol und Anker. Jeder vorspringende Zahn aber reißt einen Teil der Kraftlinien des Feldes mit sich und läßt sie bei Entfernung von dem Magnetpol fahren. Es entstehen dadurch Wirbelströme in dem Ende des Magnetpoles, von welchem sich der Zahn abbewegt, und dadurch wird dieser Teil des Poles stärker erhitzt.

§ 26.

Bürstenverschiebung und funkensreier Gang der Maschine.

An einer im Betrieb befindlichen Maschine bemerkt man sehr häufig das Auftreten glänzender Funken von blau-grüner Färbung an

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den Stellen, wo die den Strom abnehmenden Bürsten am Kommutator anliegen. Die Färbung der Funken rührt von dem verbrennenden Kupfer der Kommutatorsegmente her. Starke Funkenbildung („Feuern" der Maschine) ist eine gefährliche Erscheinung, weil sie den Kommutator in kurzer Zeit zerstört. Bei einer richtig konstruierten Maschine kann die Funkenbildung stets verhindert oder doch auf ein geringes, unschäd­ liches Maß herabgemindert werden. Eine Hauptaufgabe des Wärters einer magnetelektrischen Maschine ist, hierfür zu sorgen. Im regel­ rechten Betriebe tritt Funkenbildung nur bei unrichtiger Stellung der Bürsten auf und sie kann durch richtige Einstellung der Bürsten ver­ hindert werden. Die Stromabnehmer oder Bürsten werden an dem Kommutator da angelegt, wo die Ströme aus den Spulenabteilungen in beiden Ringhälsten zusammentreffen (§ 23, Fig. 18). Diese Punkte liegen an den Enden des Durchmessers, welcher als neutrale Axe bezeichnet wurde, also da, wo in den vorbeigehenden Spulen die Aenderung in der Stromrichtung erfolgt. Die neutrale Axe würde, wenn keine Gegenwirkungen im Anker stattfänden, senkrecht zur Axenrichtung der Feldmagnete liegen (Fig. 18). Nun tritt aber, wie aus § 25 ersicht­ lich ist, in Folge der Quermagnetisierung des Ankereisens eine Ver­ zerrung des magnetischen Kraftfeldes nach der Bewegungsrichtung des Ankers hin ein. Die Folge davon ist, daß die neutrale Axe sich um einen gewissen Winkel gegen die wagerechte Lage verschiebt. Daraus folgt, daß man auch die Bürsten entsprechend nach vorwärts, b h in der Bewegungsrichtung des Ankers verschieben muß. Allein um einen funkenlosen Gang einer Maschine zu erzielen, darf man die Bürsten nicht an den Enden der wirklichen neutralen Axe anlegen, man muß sie bei einer stromerzeugenden Maschine über die neutralen Punkte hinaus in der Drehrichtung des Ankers unb bei einer elektrischen Kraftmaschine in entgegengesetzter Richtung noch etwa- verschieben. Dies ergiebt sich aus folgendem: Fig. 23 stellt einen Teil eines Kommutators mit einigen Seg­ menten a— e in der Gegend der neutralen Axe 00 dar. Die mit diesen Segmenten verbundenen Spulen sind mit A—E bezeichnet. M bezeichnet einen Feldmagnet. Der die Spulen tragende Eisenring ist weggelassen. Die Bürste Z ist am neutralen Punkte angelegt. Sie steht mit den Segmenten b und c in Berührung und schaltet somit die Spule c aus ihrer Verbindung mit den übrigen Spulen aus, schließt sie, wie man zu sagen pflegt, kurz. Der von den Spulen E und D kommende Strom geht durch das Segment c zur Bürste. Rückt im nächsten Augenblick das Segment bei der Bewegung des

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Ankers unter der Bürste Z weg, so muß dieser Strom, um zur Bürste zu gelangen, seinen Weg durch die Spule C nehmen. Da tritt nun zunächst die Selbstinduktion (§ 20) der Spule C störend in den Weg; sie verhindert, daß der von E und D kommende Strom so­

fort in voller Stärke durch C stießt. Ferner wird die Spule C, auch wenn sie durch die Bürste kurz geschlossen ist, nicht sofort stromlos, da ein in einem Leiter fließender Strom nicht sofort, d. h. ohne jeden Zeitaufwand aufhören kann. Der in ihr fließende Strom hatte aber, als die Spule unter die Bürste gelangte, entgegengesetzte Richtung

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zu dem Strome der Spulen E und D, welcher nun seinen Weg durch C nehmen soll. Der aus beiden Ursachen sich ergebende Widerstand bewirkt, daß der von E und D kommende Strom im Augenblicke der Trennung des Segmentes c von der Bürste unter Entwickelung eines starken Funkens durch die Luft von dem Seg­ ment c zu der Bürste übergeht. Daraus erklärt sich, weshalb bei feuernden Maschinen die Kommutatorsegmente immer an der Endseite, also da, wo sie die Bürste verlassen, angegriffen, verbrannt werden. Die Sache wird ganz anders, wenn das Segment c erst jen­ seits der neutralen Zone unter der Bürste hingeht, also da, wo die Spule C schon Kraftlinien in entgegengesetzter Richtung schneidet. Hier ist infolgedessen in der Spule C schon eine elektromotorische Kraft von entgegengesetzter Richtung, also eine solche vorhanden, welche einen Strom in der Richtung des von E und D kommenden erzeugen will. Ist diese stark genug, um den vorhin erwähnten Widerstand zu über­ winden, so können natürlich keine Funken austreten, der von E und D kommende Strom bildet dann einfach eine Fortsetzung des in der Spule C bereits fließenden. Wie weit man die Bürsten verstellen muß, um eine die Funken­ bildung hindernde elektromotorische Gegenkraft zu erzeugen, hängt natürlich von der Stärke des Stromes ab, der durch die Ankerspulen fließt. Die Verschiebung ist demnach bei starker Belastung der Maschine größer, als bei geringerer. Der Wärter der Maschine muß deßhalb nach Bedarf das Stellen der Bürsten besorgen. Weshalb bei Elektromotoren zum funkenfreien Gang die Bürsten rückwärts zu verschieben sind, wird zweckmäßig bei Besprechung der -elektrischen Kraftmaschine erörtert.

§ 27.

Mehrpolige Maschinen.

Für die magnetelektrische Maschine wurde bisher immer ein Paar von Feldmagneten angenommen. Es giebt indessen, wie man weiß, Maschinen mit zwei und mehr Paaren von Feldmagneten. Man nennt sie mehrpolige Maschinen. Ihre Wirkung beruht auf folgendem: Reicht eine gegebene Dynamomaschine für eine bestimmte Leistung nicht aus, so muß man eine zweite Maschine hinzunehmen. Diese zweite Maschine kann der ersten parallel und zu ihr in Reihe ge­ schaltet werden. Im ersteren Falle liefern beide Maschinen zusammen einen stärkeren Strom, aber von derselben elektromotorischen Kraft, wie jede Maschine für sich, im zweiten Falle bringt die zweite

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Maschine die Elektrizität, welche von der ersten Maschine bereits auf eine gewisse Spannung gebracht wurde, auf eine entsprechend höhere Spannung. Die Sache ist genau so, als wenn man zwei Druck­ pumpen vereinigt. Sie können neben einander stehen. Alsdann drückt jede Pumpe eine Wassermenge auf eine gewisse Höhe. Man erzielt also, — gleiche Leistung der Pumpen vorausgesetzt, — die doppelte Wassermenge auf der für jede Pumpe erreichbaren Höhe. Man kann aber auch die zweite Pumpe auf der Höhe anbringen, auf welche die erste das Wasser drückt, und durch sie das von dieser gehobene Wasser nochmals höher treiben lassen. Man erhält dann nicht mehr Wasser, als die einzelne Pumpe liefert, aber das Wasser ist auf die doppelte Höhe gehoben. Um in beiden Beziehungen die doppelte Leistung einer gegebe­ nen Dynamomaschine zu erzielen, ist es nun keineswegs nötig, zwei vollständige Maschinen zu bauen und diese miteinander zu verbinden, man kann vielmehr den Zweck in weit einfacherer Weise erreichen. Die Leistung einer Dynamomaschine hängt, wie wir wissen, davon ab, daß die Ankerspulen die Kraftlinien des magnetischen Feldes schneiden. Also je mehr Kraftlinien und je mehr Spulen vorhanden sind, um so größer die Leistung. Eine Vermehrung der Ankerspulen macht nun eine Vergrößerung des Ankerdurchmessers nötig. Die Feldmagnete können bei gegebener Größe nur bis zu einer bestimmten Grenze mag­ netisiert werden. Mit der Vergrößerung des Ankers müßten somit auch die Feldmagnete entsprechend dicker werden. Das ist praktisch schwierig ausführbar. Viel bequemer ist es, weitere Paare von Feldmagneten anzubringen und auf den Anker wirken zu lassen. So kommt man zu mehrpoligen Maschinen. Eine Maschine mit 2, 3, 4 Polpaaren ist so­ mit als eine zweifache etc. Dynamomaschine aufzufassen. Ob durch die Vermehrung der Feldmagnete die Stromstärke oder die elektromotorische Kraft der Maschine erhöht wird, hängt von der Anordnung der Anker­ spulen, also von der Ankerwickelung ab. In Fig. 24 ist eine vierpolige Dynamomaschine dargestellt, welche die doppelte Stromstärke gegenüber einer: zweipoligen Maschine liefern soll. Wie die Abbildung erkennen läßt, verläuft die magnetische Kraftströmung jetzt zwischen je zwei aufeinander folgenden Magnet­ polen, sodaß in dem ganzen Ankerring 4 Strömungen austreten, von denen' je 2 gegenüberliegende entgegengesetzt gerichtet sind. Jede auf dem Anker sitzende Spule schneidet bei einer vollen Umdrehung des Ankers die 4 Kraftströmungen und erzeugt 4 Stromstöße, von denen je 2 entgegengesetzt gerichtet sind und durch den Kommutator gleichge­ richtet werden müssen. Es giebt jetzt auf dem Anker 4 neutrale Punkte,

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sie liegen an den Endpunkten der von den Axen Ot 0^ und 02 02 ge­ bildeten Durchmesser. Hinter jedem der neutralen Punkte wird ein Stromabnehmer angebracht, sodaß der Anker 4 Bürsten trägt. Man kann die Bürstenzahl auch auf 2 beschränken, muß dann aber je zwei Ankerspulen, in denen gleiche elektromotorische Kraft und gleiche Strom­ richtung herrscht, mit einander leitend verbinden und zwar parallel schalten. Soll die vierpolige Dynamomaschine auf größere elektro­ motorische Kraft arbeiten, so ist die Anordnung der Ankerspulen die-

Fig. 24.

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selbe, wie in einer zweipoligen Maschine. Je zwei tut gleichnamigen Kraftfeld befindliche Spulen von gleicher elektromotorischer Kraft wer­ den in Reihenschaltung mit einander verbunden. Erforderlich sind 2 Bürsten. Es giebt auch zweipolige Maschinen mit mehr als zwei Feldmagneten. Denkt man sich in einer gewöhnlichen Maschine, statt je eines, zwei Feldmagnete mit gleichen Polen nebeneinander gestellt, so hört die Maschine nicht auf, eine zweipolige zu sein, obschon sie 4 Feldmagnete besitzt. Man hat nun statt je eines einfachen einen dop­ pelten Feldmagnet. Bei älteren Maschinen findet sich diese Einrichtung häufig. Man nennt sie Maschinen mit Folgepolen. In den Abbildungen Fig. 25 und 26 sind zwei Gleichstrom­ maschinen in ihrer äußeren Ansicht dargestellt. Fig. 25 ist eine zweipolige, Fig. 26 eine vierpolige Maschine. An den Vollansichten von magnetelektrischen Maschinen ist im allgemeinen nicht viel zu sehen, namentlich nichts, was die Energieumwandlung deutlich macht. Nach den Erklärungen in den §§ 21 — 23 werden die Abbildungen indessen dem Verständnis keine Schwierigkeit bereiten. Bemerkenswert ist noch das in Fig. 25 rechteckige, in Fig. 26 kreisförmige, vollkommen ge-

Fig- 25.

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schlossene Eisengchäuse, in welchem die Feldmagnete befestigt sind. Dieser geschlossene Eisenmantel ist von größter Bedeutung, da er die Nückleitung für die von Pol zu Pol durch den Anker gehenden Kraftlinien bildet, somit eine Streuung der Kraftlinien nach Möglich­ keit verhindert. Der Eisenmantel wird deshalb auch, soweit irgend

Fig. 26. möglich, mit den Feldmagneten aus einem Stück gegossen. Wo dies bei größeren Maschinen aus praktischen Gründen nicht angängig ist, werden die einzelnen Teile an den Verbindungsstellen möglichst fest verschraubt. Jeder Luftzwischenraum in dem magnetischen Kreis schafft einen erheblichen Widerstand gegen die magnetische Strömung, ver­ mindert also die Zahl der Kraftlinien im Ankerraum. Die Handhaben rechts vom Kommutator in beiden Abbildungen dienen zum Anlegen und Abnehmen der als Stromabnehmer dienenden Bürsten. Die Ankerscheiben sind am Umfange mit Nuten versehen. In diese Muten werden die Ankerwickelungen eingebettet. Es sind dies entweder eine oder mehrere Drahtwindungen neben und übereinander oder ein oder zwei Kupferstäbe von rechteckigem Querschnitt. Die Wahl der

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Fig- 27.

Fig- 28.

Ankerwicklung richtet sich darnach, ob die Maschine hohe Spannung oder hohe Stromstärke liefern soll. Die Abbildungen Fig. 27 und 28 geben die äußeren Ansichten der Anker. Bei Fig. 27 trägt der Anker Drahtwindungen, bei Fig. 28 Kupferstäbe. Fig. 29 giebt eine äußere Ansicht des Kommutators. Die Bürsten bestehen meistens aus Kupfer, neuerdings vielfach auch aus Kohle. Die W Zusammensetzung der Kupferbürsten ist verschieden. Man formt sie aus dünnen Blechen, aus Drähten und aus sog. Kupsergaze. Kupferbllrsten eignen sich besonders für Fig- 29. hohe Stromstärken, weil sie viel besser leiten als Kohle, Kohlenbürsten dagegen mehr für hohe Spannungen und geringe Stromstärke. Sie greifen den Kommutator weniger an. Die in Fig. 25—29 dargestellten Maschinen und Maschinen­ teile stammen von der Firma Siemens & Halske in Berlin.

§ 28.

Wechselstrom und Wechselstrommaschinen.

Aus § 12 ist bekannt, daß jeder Wechselstrom aus Stromstößen besteht, welche abwechselnd in entgegengesetzter Richtung erfolgen. Zwei aufeinanderfolgende, entgegengesetzt gerichtete Ströme bilden eine Pe­ riode des Wechselstromes, die Zahl der auf 1 Sekunde kommenden Perioden heißt die Frequenz des Stromes. Ein Wechselstrom mit der Frequenz 50 zählt also in der Sekunde 2 X 50 = 100 Stromstöße. Zwei Gleichströme können sich von einander nur. durch ihre Stärke unterscheiden. Anders ist es bei Wechselströmen. Zwei Wechsel­ ströme können sich ebenfalls durch eine verschiedene mittlere Stromstärke (§ 12) unterscheiden, sie können aber überdies eine verschiedene Fre-^

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guenz haben. Endlich kann noch ein drittes Unterscheidungsmerkmal austreten; hiermit hat es folgende Bewandtnis. In Fig. 30 ist der Verlauf eines Wechselstromes während einer Periode graphisch dargestellt. Die Periode besteht aus zwei entgegen­ gesetzt gerichteten Stromstößen. Während jedes Stromstoßes muß die Stärke des Stromes von Null anfangen, zu einem größten Werte all­ mählich ansteigen und ebenso wieder bis zu Null abnehmen. Die

ist der Mittelpunkt der Strecke AB. Es ist klar, daß alsdann die Zeitdauer der beiden Stötze durch Die Strecken AC und BC gemessen wird. In den Punkten A, C und B beginnt oder endet ein Stromstoß; die Stromstärke muß also hier gleich Null sein. Wir wollen nun die Strecken AC und BC in je 8 gleiche Teile zerlegen, dann bedeutet jede Teil­ strecke den achten Teil der Zeit eines Stromstoßes. Steigt nun bei jedem Stoß die Stromstärke etlva bis zu 10 Ampere an, so ist klar, daß der Strom zwischen den Punkten A und C alle Stärken zwischen 0 und 10 Ampere annehmen wird. In A ist die Stromstärke gleich Null, in D hat sie ihren größten Wert, von da fällt sie in derselben Art wieder bis C, wo sie abermals gleich Null ist. Für die Strecke CD wiederholt sich der Verlauf, nur ist zu berücksichtigen, daß die Stromrichtung entgegengesetzt ist. Tragen wir nun in den einzelnen Teilpunkten die dort vorhandenen Stromstärken in beliebigem Maß in Form von Senkrechten auf und zwar, um die entgegengesetzte Richtung des zweiten Stromstoßes zu versinnbilden, dessen Stromstärken durch Senkrechte unterhalb der Linie A B, so erscheint, wenn wir die Enden der Senkrechten unter Berücksichtigung

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des steten Anwachsens und Abnehmens der Stromstärke verbinden, die in Fig. 30 dargestellte Kurve. Sie versinnbildet den Verlauf der Stromstärke eines Wechselstromes während einer Periode. Nehmen wir nun an, daß zwei gegebene Wechselströme gleiche mittlere Stromstärke und gleiche Frequenz haben, dann können sie sich noch dadurch unterscheiden, daß in beiden Anfang und also auch Ende einer Periode zeitlich nicht zusammenfallen. Wir sagen alsdann, die beiden Ströme hätten eine verschiedene Phase oder einen Phasen­ unterschied. Haben wir beispielsweise zwei Wechselströme mit gleicher Stärke und gleicher Frequenz, von denen der zweite seine Periode beginnt, nachdem der erste die Hälfte seines Weges vollendet hat, so nennen wir sie zusammen einen zweiphasigen Wechselstrom. In ähnlicher Weise besteht ein dreiphasiger Wechselstrom aus drei Wechselströmen, deren Phasen um ein Drittel verschieden sind. Wir haben somit zwischen einphasigem, d. h. gewöhnlichem Wechselstrom und mehrphasigen Wechselströmen zu unterscheiden. Jeder mehrphasige Wechselstrom ist, wie weiterhin gezeigt werden wird, im­ stande, einen geschlossenen Eisenring so zu magnetisieren, daß die Magnetpole in dem Eisen des Ringes fortwährend herumlaufen, also ein sich drehendes magnetisches Kraftfeld oder ein Drehfeld zu erzeugen. Man nennt aus diesem Grunde einen mehrphasigen Wechselstrom auch einen Drehstrom. In der Praxis ist es üblich geworden, unter einem Drehstrom stets einen dreiphasigen Wechselstrom zu verstehen.

§ 29.

Einteilung der Wechselstrommaschinen.

Wechselstrommaschinen sind im allgemeinen einfacher als Gleich­ strommaschinen, sie sind aber mannigfaltiger in ihrer Bauart und Arbeitsweise. Bei den Gleichstrommaschinen stehen in der Regel die Feldmagnete fest, und der Anker dreht sich. Das kommt auch bei Wechselstrommaschinen vor. Es giebt aber auch Maschinen, in denen der Anker feststeht, und das Kraftfeld, also die Feldmagnete sich drehen. Endlich hat man Maschinen, in denen Anker und Feldmagnete unbeweglich sind, und in denen durch umlaufende Eisenstücke, die man Induktoren nennt, die Veränderung des Kraftfeldes gegen die Anker­ spulen bewirkt wird. Darnach sind drei Gruppen von Wechselstrom­ maschinen zu unterscheiden. Ferner kann eine Wechselstrommaschine einphasigen und mehr­ phasigen Strom liefern. Daraus ergiebt sich ein anderer Gesichtspunkt für die Einteilung dieser Maschinen.

Elektrizität.

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§ 30.

Formen von Wechselstrommaschinen.

Die einfachste Form einer Wechselstrommaschine ist in Fig. 31 schematisch dargestellt. Sie gleicht in ihrem Aufbau einer zweipoligen Gleichstrommaschine mit je einer einzigen Spule auf beiden Anker­ hälften. Die rechts und links von der neutralen Linie 00 befindlichen

\ü Fig. 31. Ankerwindungen sind als je eine einzige Spule auszufassen. Der einzige Unterschied von der Gleichstrommaschine besteht darin, daß der Kommutator fehlt und dafür zwei Stromabgeber in Form von metallenen Schleifringen 1 und 2 angebracht sind. In dem Fehlen des Kom­ mutators liegt der Vorzug der Wechselstrommaschine vor der Gleich­ strommaschine, da der Kommutator an letzterer der empfindlichste und am meisten dem Verderben ausgesetzte Teil ist. Gegen die Schleifringe 1 und 2 sind wie bei einer Gleichstrommaschine Bürsten als Strom­ abnehmer angedrückt. Durch die metallischen Verbindungen I und II wird der in den Ankerwicklungen erzeugte Strom zu den Schleifringen 1 und 2 geleitet. Mit den Bürsten steht, wie üblich, der äußere

Elektrizität.

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Stromkreis in Verbindung. Wir wissen nun, (§ 23) daß bei einer halben Ankerumdrehung in den Wickelungen der beiden Ankerhälften Ströme von entgegengesetzter Richtung erzeugt werden. Sind diese bei der ersten halben Umdrehung etwa so gerichtet, daß sie beide nach I und von da nach dem Schleifring 1 hin und von, dem Ring 2 durch die Leitung II abströmen, so entsteht in der äußeren Leitung ein Strom von der darnach sich ergebenden Richtung. Bei der nächsten halben Ankerumdrehung kehrt sich in den Wickelungen beider Ankerhälften die Stromrichtung um, sie geht also jetzt von dem Schleif­ ring 1 zu dem Schleifring 2 und in der darnach sich ergebenden ent­ gegensetzten Richtung durch den äußeren Stromkreis. Der äußere Stromkreis wird also bei jeder Ankerumdrehung von entgegengesetzt gerichteten Stromstößen durchflossen, d. h. es fließt in ihm ein Wechselstrom.

Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

5

66

Elektrizität.

Die Wechselstrommaschinen werden meistens als mehrpolige gebaut. In Fig. 32 ist eine sechspölige Maschine schematisch dargestellt, welche im übrigen ryit der in Fig. 31 dargestellten übereinstimmt. Die Maschine kann als eine dreifache zweipolige Maschine aufgefaßt werden. Die Bewickelung des Ankerringes zerfällt in 6 Teile, von welchen je zwei auf einem Durchmesser befindliche an ungleich­ namigen Magnetpolen vorübergehen, also einen Strom von entgegen­ gesetzter Richtung erzeugen. Daraus ergiebt sich, daß je 3 Verbin­

dungen mit den Schleifringen 1 und

2 nötig

sind.

Nach je

einer 6 Ankerumdrehung kehrt sich in sämtlichen Windungen die Stromrichtung um. Jede Ankerdrehung schafft also 6 Stromstöße von abwechselnd entgegengesetzter Richtung. Es steht nun nichts im Wege, die 6 Feldmagnete auch inner­ halb des Ankerringes anzubringen, so daß die Pole dem inneren Ankerumfang zugerichtet sind. Ferner kann man alsdann die Feld­ magnete aus dem Umfange einer gemeinsamen Trommel befestigen und diese mit Hülfe einer Axe drehen, den Anker aber still stehen lassen. Wir haben alsdann eine Maschine mit feststehendem Anker und um­ laufenden Feldmagneten. Die Trommel mit den Feldmagneten heißt in diesem Falle das Magnetrad. Stromabnehmer in Form von Schleifbürsten sind alsdann nicht nötig, die Stromzuleitungen werden mit den Stromsammlern 1 und 2 fest verbunden. Wie bei den Gleichstr-ommischinen müssen nnch bei bet Wechsel­ strommaschine die Feldmagnete erregt werden. Dazu gehört ein Gleich­ strom, der um die Eisenkerne geleitet wird. Wechselstrom ist dazu nicht brauchbar, da mit der Stromrichtung auch bie Richtung der magnetischen Strömung umgekehrt wird, die Feldmagnete also fort­ während ummagnetisiert werden. Man schafft den erforderlichen Magnetisierungsstrom, indem man entweder einen Kommutator an­ bringt und den Strom einiger Ankerspulen in Gleichstrom verwandelt, oder indem man der Wechselstrommaschine eine kleine Gleichstrommaschine zufügt und diese den zur Herstellung des Kraftfeldes erforderlichen Strom erzeugen läßt. Letzteres ist gegenwärtig bei größeren Wechsel­ strommaschinen allgemein üblich. Fig. 33 stellt das Bild einer zweiphasigen Wechselstrom­ maschine einfachster Form dar. Die Ankerwicklung zerfällt in 4 Teile, und die Stromleiter 1 und 2 bezw. I und II führen zu je einem Paar zusammengehöriger Schleifringe. Es ist ersichtlich, daß die von den Stromleitern I und II zu den Schleifringen geführten Stromstöße immer um die Zeit einer halben Ankerumdrehung hinter den von den

Elektrizität.

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Leitern 1 und 2 abgenommenen Stromstößen zurück sind. Man sagt deshalb, die erzeugten Wechselströme hätten einen Phasenunterschied von x/2 Kreisumsang oder von 180°. Offenkundig sind zur Fort­ leitung dieser Ströme zwei äußere Stromkreise und folglich auch zwei Paar zusammmengehöriger Schleifringe bezw. Strommsammler nötig. Teilt man die Ankerwickelung in 6 gleiche Teile, so entstehen 3 Paare gleichwertiger Ankerwickelungen, die man in derselben Weise mit je einem Paar von Schleifringen verbindet. Bei einer Ankerumdrehung entstehen drei Wechselströme, deren Phasen nur 1/3 der Zeit einer Ankerumdrehung, also nur x/3 des Ankerumfanges = 120° verschieden sind. Der erzeugte Wechselstrom heißt folglich ein dreiphasiger und erfordert drei äußere Stromkreise, die sich indessen auf 2 und sogar auf 1 vereinfachen lassen (§ 45). Der Ausbau der modernen Wechselstrommaschinen für ein- und mehrphasigen Wechselstrom ist aus den Abbildungen Fig. 34—38 zu ersehen. Fig. 34 stellt Anker und Feldmagnete schematisch dar. Der Anker R besteht aus zwei Teilen, einem äußeren Gehäuse aus Gußeisen und einer inneren Lage aus Eisenblechen, die durch Bolzen zusammengehalten werden und mit dem gußeisernen Gehäuse fest ver­ schraubt sind. Der Anker bildet somit einen Hohlcylinder. Auf seiner inneren Fläche sind Nuten zur Aufnahme der Drahtwickelungen an­ gebracht. Die Wickelungen bestehen aus Kupferstäben, Kupferlitzen oder 5*

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Elektrizität.

einfachen Kupferdrähten. Die Feldmagnete sind im Innern des Ankers angebracht und bilden ein Magnetrad oder einen Polstern M. Zur Verhütung der bei Wechselstrommaschinen besonders stark auftretenden Wirbelströme stellt man sie ebenfalls aus Eisenblechen her. Wie beim Anker, so sind auch bei den Feldmagneten die Bleche durch zwischen­ gelegtes Papier sorgfältig von einander isoliert, um die Wirbelströme abzuschneiden. Am äußeren Ende sind die Feldmagnete mit kreisförmig gebogenen Ansätzen, den sog. Polschuhen versehen. Die Erregung der Feldmagnete muß durch Gleichstrom erfolgen. Die Kerne der Feld­ magnete werden so gewickelt, daß der durchfließende Gleichstrom ab­ wechselnd einen Nordpol und einen Südpol erzeugt. (Fig. 11.) Je nachdem nun die Maschine einphasigen oder mehrphasigen Wechselstrom liefern soll, muß die Ankerwickelung in den Nuten des Ankers R verschieden angeordnet werden. Das Nähere ist aus Fig. 35—38 ersichtlich. Bei Fig. 35 und 36 ist in die Nuten 1 und 4 eine Drahtspule gewickelt. Bei Fig. 35 steht vor der Nute 1 ein Nordpol, bei Fig. 36 ein Südvol des Magnetrades. Die Dreh­ richtung des Magnetrades ist aus dem beigesetzten Pfeil ersichtlich. Die

Fig- 36.

Elektrizität.

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Nuten 1 und 4 haben denselben Winkelabstand, wie die Nuten von je zwei aufeinanderfolgenden Magnetpolen. Steht also ein Nordpol vor der Nute 1, so steht ein Südpol vor Nute 4. Der an Nute 1 vorbeigehende Nordpol erzeugt in der Spule eine elektromotorische Kraft, die derjenigen entgegengesetzt gerichtet ist, welche der Südpol beim Vorbeigehen an Nute 4 hervorruft. Bei Nute 1 fließt ter Strom vom Beschauer ab, bei Nute 4 auf ihn zu, so daß die beiden elektromotorischen Kräfte sich addieren und in der vorderen Stirnfläche einen Strom in der gezeichneten Pfeilrichtung erzeugen. (Fig. 35.) Gleich darauf ist die Stellung der Magnetpole zu den Nuten 1 und 4 die in Fig. 36 gezeichnete. Die Magnetpole sind vertauscht, und es wird jetzt in a ein Strom von entgegengesetzter Richtung hervorgerufen. Die Drehung des Magnetrades muß somit in der Spule a Wechselstrom erzeugen. Die Zeit, welche erforderlich ist, damit das Magnetrad sich um den Winkelabstand zweier aufein­ anderfolgender gleichnamiger Magnetpole, in Fig. 36 also von A bis C dreht, ist die Periode des Wechselstromes. Man richtet die Umdrehungsgeschwindigkeit so ein, daß die Periode 1/5Q einer Sekunde beträgt. Man geht unter die Periodenzahl 50 in der Sekunde nicht herab, weil sonst die Stromstöße nicht rasch genug aufeinander folgen und deshalb beispielsweise von der Maschine gespeiste Bogenlampen stark flimmern. Erheblich größere Periodenzahlen sind unzulässig, weil dann zu starke Energieverluste austreten. (§ 16.) Man könnte nun, um einphasigen Wechselstrom zu erhalten, den Anker so wickeln, daß für die erste Spule die Nuten 1 und 4 je halbvoll, für die zweite Spule die Nute 4 zur zweiten Hälfte und die Nute 7 wieder halbvoll gewickelt würde u. s. f. Dadurch würden aber zwischen je zwei bewickelten Nuten immer zwei Nuten freibleiben.

Man wickelt deshalb den Anker nach Angabe von Fig. 37. Hier ist die erste Spule a in die Nuten 1 und 3, die Spule b in die Nuten 4 und 6, die dritte Spule c in die Nuten 7 und 9 gewickelt u.s.w. Die Nuten 2, 5, 8 u. s. f. bleiben frei. Diese Art der Wickelung hat

70

Elektrizität.

gegen die in Fig. 35 und 36 dargestellte den Nachteil, daß, wenn beispielsweise ein Nordpol N genau vor Nute 1 steht, der nächste Südpol 8 schon über die zugehörige Nute 3 mit dem Polansatz teilweise hinaus ist, hier also nicht mehr eine so starke elektromotorische Kraft erzeugen kann. Die Folge ist, daß in jeder Spule eine um einige Prozent geringere Kraft erzeugt wird. Dagegen hat man den Vorteil, daß nur halb so viel Nuten, wie in Fig. 35 und 36, leer bleiben. Wie man leicht einsieht, werden in den Spulen a und c u.s.w. Ströme von gleicher Richtung erzeugt, ebenso in den Spulen b und d usw. In letzteren sind jedoch die Ströme entgegengesetzt ge­ richtet wie die in den Spulen a und c. Sollen deshalb die sämt­ lichen Ankerspulen hintereinander geschaltet werden, so muß man das Ende der Spule a nicht mit dem Anfang, sondern mit dem Ende der Spule b, den Anfang von b mit dem Anfang von c, das Ende von c wieder mit dem Ende von d verbinden u. s. w. Auf diese Art geht der Strom bei jedem Stromstoß durch sämtliche Spulen in der­ selben Richtung. Soll nun die Maschine mehrphasigen und zwar dreiphasigen Wechselstrom, also Drehstrom liefern, so wickelt man den Anker, wie Fig. 38 zeigt. Hier ist die Spule a in die Nuten 1 und 4, Spule b in die Nuten 3 und 6, Spule c in die Nuten 5 und 8 gewickelt u. s. f.; sämtliche Nuten sind folglich mit Wickelungen belegt. Die Nuten 1, 3 und 5 einerseits, 2, 4 und 6 anderseits stehen um je

ein Drittel des Winkels, den die Mittellinie eines Mngnetpnles, etwn A, in einer Periode durchläuft, von einander ab. Infolgedessen sind die elektromotorischen Kräfte in den Spulen a, b und c um eiu Drittel ihrer Periode gegeneinander verschoben, liefern folglich bei geschlossenen Stromkreisen dreiphasigen Wechselstrom. Von a ab hat jede vierte Spule, in Fig. 38 also d, Strom von gleicher Phase. Dasselbe ist der Fall mit jeder vierten Spule von bezw. b und c ab. Man kann folglich, wenn wir der alphabetischen Anordnung folgen, bte Spulen a, d u. s. f., b, e u. s. f. c, f u. s. f. hinter einander schalten. Es ergeben sich dann drei Stromkreise mit Strömen, die einen Phasen­ unterschied von je ein Drittel der Periode (120°) haben. Es ist ersichtlich, daß die Maschine eine größere Leistungsfähig­ keit besitzt, wenn sie auf Drehstrom arbeitet, als wenn sie einphasigen Wechselstrom liefern soll. Es liegt dies daran, daß bei der Drehstrom-Maschine der Wickelungsraum und die Spulen besser ausgenutzt werden, als bei der einfachen Wechselstron^Maschine. Der Unterschied in der Leistung beträgt 30 Prozent.

Elektrizität.

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Fig- 39. Eine Drehstrom-Maschine neuester Bauart ist in der Abbildung Fig. 39 dargestellt; sie stammt aus der Fabrik von Helios in Köln.

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Elektrizität.

Der Umformer oder Transformator. § 31.

Umformen der elektrischen Energie.

Die elektrische Energie setzt sich aus zwei Größen zusammen, aus der Menge der zur Verfügung stehenden oder während einer Zeil gelieferten Elektrizität und aus dem Druck oder der Spannung, unter welcher sie steht (§ 13). Für die Energie der strömenden Elek­ trizität bildet das Voltampere oder Watt die Maßeinheit. Energie in Stärke von beispielsweise 1000 Watt ist nun bei strömender Elektrizität vorhanden, wenn wir einen Strom von solcher Stärke und solcher elektromotorischen Kraft zur Verfügung haben, daß das Produkt aus der Zahl der Maßeinheiten für Stromstärke und Spannung, also die Zahl der Ampere multipliziert mit der Zahl der Volt, gleich 1000 ist. Die Energiestärke ist also dieselbe, wenn wir einen Stvom haben von 1000 Ampere Stärke unter 1 Spannung „ „ 10 100 100 10 1 „ „ 1000 Aehnliches gilt für andere Energieformen. 1000 kg Wasser mit einem Gefälle von 1 m sind als Energiegröße gleichwertig 1 kg Wasser mit einem Gefälle von 1000 m. 1000 kg Dampf von 1 9thnnfpfjrtn> föprmnimo sind gleichwertig 100 kg Dampf von 10 At­ mosphären Spannung usw. Elektrizität, Wasser, Dampf sind nun nicht die Energie, sondern Träger derselben. Die Energie wird erst geschaffen, wenn die genann­ ten Energieträger Druck, Gefälle, Spannung haben. Wenn man nun Energie auf weite Strecken transportieren will, so ist es vorteilhaft, möglichst geringe Mengen der Energieträger be­ fördern zu müssen, weil alsdann die Transportgefäße oder Leitungen entsprechend weniger umfangreich sein können. Je weniger Dampf oder Waffer in der Zeiteinheit durch den Querschnitt einer Leitung hindurchzugehen braucht, um so enger kann das Leitungsrohr sein. Ebenso darf ein elektrischer Leitungsdraht um so dünner sein, je weni­ ger Elektrizität er befördern muß, also je geringer die Stärke des transportierten Stromes ist. Beim Transport von Elektrizität durch einen Draht muß stets der Leitungswiderstand überwunden werden. Der Widerstand ist um so größer, je kleiner der Querschnitt des Leit­ ungsdrahtes ist. (§ 9.) Zur Ueberwindung des Leitungswiderstandes wird Energie verbraucht; der Verlust setzt sich in Wärme um. Die

Elektrizität.

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erzeugte Wärme, also auch der Energieverlust, wächst im quadratischen Verhältnis zur Stromstärke, d. h. ein Strom von doppelter Stärke erzeugt in demselben Leitungsdraht die 4fache, ein Strom von 3facher Stärke die 9fache Wärme usw. Tie Spannung der transportierten Elektrizität ist dagegen auf die Wärmeerzeugung ohne Einfluß. Wollen wir demnach eine gegebene Menge elektrischer Energie durch eine Leit­ ung befördern, so können wir um so dünnere Leitungsdrähte nehmen, je höher die Spannung ist, weil in dem Maße die zu befördernde Elektrizitätsmenge abnimmt. Da zu Leitungsdrähten immer Kupfer genommen werden muß, so fällt die Ersparnis an Metall erheblich ins Gewicht. Andererseits ist es aber nicht oder nicht immer angängig, am Verbrauchsorte Elektrizität von sehr hoher Spannung zu verwenden. Es wäre deshalb sehr wertvoll, wenn man elektrische Energie für die Versendung so gestalten könnte, daß sie aus einer geringen Menge sehr hoch gespannter Elektrizität besteht, und wenn man sie am Verbrauchs­ orte so umformen könnte, daß sie aus einer größeren Elektrizitäts­ menge mit entsprechend niederer Spannung besteht. Diese Möglichkeit ist vorhanden, und bei elektrischer Energie in Form von Wechselströmen ist sie sogar leicht praktisch auszuführen. Beim Gleichstrom ist die Um­ wandlung erheblich schwieriger. Apparate, in denen die Umformung der elektrischen Energie in der besprochenen Weise vorgenommen wird, heißen Umformer oder Transformatoren.

§ 32.

Der Wechselstromtransformator.

Die einfachste Form des Wechselstromtransformators, aus welcher sich zugleich die Arbeits- und Wirkungsweise des Apparates am be­ quemsten ersehen läßt, ist in Fig. 40 dargestellt. Ein Eisenring trägt zwei Drahtwickelungen I und TI. Erstere soll die primäre Wickelung sein, d. b. diejenige, durch welche der ankommende und zu trans­ formierende Strom hindurchgeht. Die Wickelung II bildet dann die sekundäre Spule, in welcher ein transformierter Strom entsteht. Wird durch die Spule I ein Wechselstrom geleitet, so entsteht bei jedem Stromstoß in dem Eisenring A eine magnetische Strömung (§ 16), die innerhalb des Eisens verläuft. Der Eisenring wird ein polloser Magnet. Umkehrung der Stromrichtung in der Spule I be­ wirkt Umkehrung der magnetischen Strömung in A. Die magnetischen Strömungen im Eisenring gehen nun durch die sekundäre Spule II hindurch und erzeugen in den Windungen dieser Spule elektromotorische Kräfte. (§ 19.) Werden somit die Enden der Spule II durch einen äußeren Stromkreis geschlossen, so entsteht in diesem und in den Spulenwindungen ein Wechselstrom, welcher offenbar dieselbe Frequenz

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Elektrizität.

und Phase hat, wie der durch die primäre Spule I fließende Strom. Haben die beiden Spulen I und II dieselbe Zahl von Windungen, so ist auch die elektromotorische Kraft der beiden Ströme dieselbe. Hat aber die sekundäre Spule II die doppelte, dreifache, zehnfache re. Zahl von Windungen, so ist die Spannung des in ihr erzeugten Stromes dte zwei-, drei-, zehnfache re. Es kommt dies daher, daß die durch den Strom in Spule I erzeugte magnetische Strömung in dem Ring A bei ihrem Durchgang durch die Spule II in jeder Einheit der Drahtlänge, sagen wir also in jedem (Zentimeter Draht der Spule, eine elektomotorische Kraft von bestimmter Stärke erzeugt. Sind nun viele Centimeter Draht in der Spule hintereinander geschaltet, d. h. hat die Spule II eine große Drahtlänge oder, was dasselbe bedeutet, viele Windungen, so addieren sich die elektromotorischen Kräfte, und es entsteht ein Strom von entsprechend höherer Gesamtspannung. Anderer­ seits geht durch den gesamten Draht nicht mehr Elektrizität hindurch, als durch das erste (Zentimeter desselben, jedes folgende (Zentimeter bringt vielmehr die von dem vorhergehenden gelieferte Elektrizität auf eine bestimmte höhere Spannung. Die Stärke der magnetischen Strömung in Ä hängt von der Zahl der Amperewindungen der Spule I ab (§ 16), also bei gegebener Windungszahl dieser Spule von der Stärke des durchgehenden Stromes. Andererseits hängt die Spannung des in 1 cm Draht der Spule II erzeugten Stromes von

Elektrizität.

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der Stärke der magnetischen Strömung im Eisenring ab. Man sieht also, daß man mit Hülfe des Eisenringes bezw. der in ihm erzeugten magnetischen Strömung gewissermaßen die Stromstärke der Spule I in Spannung in der Spule II umsetzen kann. Besteht umgekehrt die Spule II aus wenigen Windungen eines dicken Drahtes, so kann man dies so auffassen, als ob die Wickelung aus sehr vielen parallelen Einzeldrähten besteht. Die Gesamtspannung in II wird dann verhältnismäßig klein, da die Drahtlänge in II nur gering ist, dafür aber liefert jeder der angenommenen Einzeldrähte die gleiche Elektrizitätsmenge. Es addieren sich also jetzt die Strom­ stärken, der Gesamtstrom in Spule II wächst zu entsprechend höherer Stärke an. In allen Fällen ist das Produkt aus Stromstärke und Spannung in beiden Spulen theoretisch dasselbe; es würde auch thatsächlich unveränderlich sein, wenn bei der Umformung nicht Energie­ verluste entständen. Diese Energieverluste kommen daher, daß in jeder Spule der Strom notwendig einen Teil seiner Energie in nutzlose Wärme umsetzt, ferner, weil die fortwährende Umkehrung der magnelischen Strömung in dem Eisenring Widerstand erfährt, zu desien Ueberwindung ebenfalls Energie erfordert wird. Dieser Widerstand des Eisens wächst mit der Frequenz des Wechselstromes. Des­ halb geht man in der Praxis nicht über eine sekundliche Wechselzahl von 60 hinaus. Endlich entstehen in dem Eisenring aus denselben Gründen, wie beim Ankereisen einer Dynamomaschine, Wirbelströme (8 25). Um diese nach Möglichkeit abzuschneiden, wird das die magnetische Strömung eines Transformators leitende Eisen geblättert (§ 25). Damit es die magnetische Strömung möglichst gut leitet, wird es, wie das Ankereisen einer Dynamomaschine, aus weichem Schweißeisen hergestellt. In der in Fig. 40 dargestellten Form würde der Trans­ formator noch nicht sehr leistungsfähig sein. Es liegt dies daran, daß ein Teil der magnetischen Strömung des Ringes A durch die Luft von einem Ringpunkte zwischen den Spulen zu dem gegenüberliegenden übergehen würde. Diese Kraftlinien werden gestreut, d. h. sie gehen nicht durch die sekundäre Spule, tragen also zur Erzeugung der elektromotorischen Kraft in dieser Spule nicht bei. Man kann dieses Streuen offenbar dadurch verhindern, daß der ganze Ring von Spulen­ windungen umgeben wird. Zuerst machte man das in der Weise, daß die primären und sekundären Wickelungen abwechselnd in Form von Kreissektoren über den Eisenring verteilt wurden. Man kann aber auch die beiden Wickelungen in getrennten Lagen übereinander auf dem Ring anbringen.

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Elektrizität.

Transformatoren, in denen, wie in den angeführten Beispielen, die Spulen um einen inneren Eisenkern gewickelt sind, heißen Kern­ transformatoren. Die einfache Ringform wurde später vielfach um­ gestaltet. Eine in der Praxis vielbenutzte Form des Kerntransformators ist der in Fig. 41 dargestellte Transformator von Helios in Köln. Der Eisenkern ist aus rechteckigen Eisenblechen aufgebaut. Die primären und die sekundären Wickelungen werden auf je zwei viereckige Spulen gebracht und zwar so, daß die primären Spulen genau in die sekun­ dären hineinpassen. In die Hohlräume der inneren Spulen werden die Eisenbleche in der Weise hineingelegt, daß man durch zweck­ mäßiges Uebereinanderlegen derselben einen geschlossenen magnetischen Kreis erhält.

Fig. 41.

Elektrizität.

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Die neueste verbesserte Form des Helios-Transformators ist in den Figuren 42 und 43 dargestellt. Fig. 42 zeigt den Aufbau der Eisenkerne. Die Bleche werden zu Packeten vereinigt und diese mit einander verzapft. Der magnetische Kreis ist also vollkommen vor­ handen. Dies ist in dem Maße von größerer Wichtigkeit, als der Transformator stärker belastet wird. Mit stärkerer Belastung steigt die Stromstärke und mit dieser die magnetomotorische Kraft, also auch die magnetische Strömung. Mit wachsender magnetischer Strömung aber wächst die Neigung der Kraftlinien, aus der eisernen Leitung seitlich herauszutreten und durch die Luft zu gehen. Es ist deshalb wesentlich, daß der Transformator auch bei stärkster Belastung nicht streut. Fig. 43 zeigt die äußere Ansicht dieses neuesten mit den Eisenkernen in Fig. 42 aufgebauten- Transformators. Die primären und die sekundären Spulen sind abwechselnd übereinander angeordnet. Alle Trans­ formatoren sind mit einem Gehäuse aus Eisen umgeben. Sollen sie draußen, überhaupt an einem Orte aufgestellt werden, wo Nässe zu­ treten kann, so muß das Eisengehäuse dicht geschlossen sein. (Fig. 44.) Zutretende Feuchtigkeit kann die Isolierung der Spulendrähte schädigen, und da in einer der Spulen immer ein Strom von sehr hoher Spannung fließt, so muß die Isolierung sehr wirksam sein und tadellos erhalten werden. Eine Vervollkommung der Isolierung schafft man wohl dadurch, daß man den ganzen Transformator in Oel einbettet.

Fig. 42.

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Elektrizität.

Fig. 43.

Fig- 44.

Elektrizität.

79

Oele sind im allgemeinen Dielektrika von sehr großer ^Wirksamkeit. Oeltransformatoren werden für sehr hohe Spannungen angewandt. Neben den Kerntransformatoren unterscheidet man als zweite Art die Manteltransformatoren. Sie bilden in gewisser Be­ ziehung die Umkehrung der ersteren. Bei den Kerntransformatoren sind die stromführenden Spulen um einen inneren Eisenkern gewickelt; bei den Manteltransformatoren werden umgekehrt die Spulen von einem Eisenmantel umhüllt. Ein Beispiel dieser Ausführung ist in Fig. 45 in der Vollansicht und im Querschnitt dargestellt. Den Eisen­

Fig. 45.

mantel schafft man hier durch Umwickelung der Kupferspulen mit Eisendraht. Unzerteiltes Eisen ist auch hier nicht anwendbar, weil sonst auftretende Wirbelströme das Eisen stark erhitzen und einen großen Energieverlust herbeiführen würden. Aus rein praktischen Gründen wendet man heute vorwiegend Kerntransformatoren an. Aehnlich wie einphasigen kann man auch mehrphasigen Wechsel­ strom umformen. In der Praxis werden auch Drehstrom-Trans­ formatoren, also Umformer für dreiphasigen Wechselstrom (§ 28) an­ gewandt. Der Drehstrom besteht aus drei Wechselströmen, deren Phasenunterschied je

einer Periode beträgt.

Seine Umformung er-

Elektrizität.

80

Fig. 46.

§ 33.

fordert also grundsätzlich 3 Strom­ kreise und somit auch 3 Trans­ formatoren. Man kann die Sache aber in der Weise vereinfachen, daß die Eisenkerne zu einem ge­ schlossenen magnetischen Kreis verbunden werden. Fig. 46 zeigt die äußere Ansicht eines neuen Drehstrom-Transformators von Helios. Die sämtlichen WechselstromTransformatoren sind deshalb für die praktische Verwendung ausgezeichnete Apparate, weil sie keine bewegten Teile haben, folg­ lich auch keine Beaufsichtigung und Wartung erfordern. Gut konstruierte Umformer haben auch einen sehr hohen Wirkungsgrad, indem der Energieverlust aus 4 % und darunter herabgeht. Man unterscheidet sie als Hoch­ spannungs- und Niederspannungs­ Transformatoren, je nachdem sie die Spannung seines zugeführten primären Stromes erhöhen oder erniedrigen sollen. Für ihre Bau­ art und Wirkungsweise macht das natürlich keinen Unterschied.

Gleichstrom-Transformatoren.

Aus den Darlegungen über den Wechselstrom-Umformer ist ohne weiteres ersichtlich, daß und weshalb man Gleichstrom nicht in der­ selben Weise uniformen kann, wie Wechselstrom. Der in der sekundären Spule II Fig. 40 entstehende Strom beruht auf einer Induktions­ wirkung und wird dadurch hervorgerufen, daß die magnetische Strömung oder das durch sie dargestellte Kraftfeld zu- und abnimmt (§ 20). Der aus einzelnen entgegengesetzt gerichteten Stromstößen bestehende Wechsel­ strom kann nicht anders, als magnetische Stromstöße in dem Eisen-

8t

Elektrizität.

kern von abwechselnd entgegengesetzter Richtung erzeugen. Die Stärke der magnetischen Strömung steigt also bei jedem Stoß von Null zu einem höchsten Werte an und fällt von da wieder bis zu Null. Die Stärke des magnetischen Feldes ändert sich also fortwährend. Indem die Kraftlinien des magnetischen Kraftfeldes fortwährend wandern, schneiden sie die Windungen der sekundären Spule. Dadurch entsteht in dieser eine elektromotorische Kraft und bei geschloffenem Stromkreis ein Strom. Anders ist es beim Gleichstrom. Hier kann eine Induktion in der sekundären Spule nur austreten, wenn der Strom in der pri­ mären Spule seine Stärke ändert, und da der Gleichstrom unveränderte Stärke hat oder haben soll, so ist eine Induktion in der sekundären Spule ausgeschlossen. Ein Gleichstrom kann nur in der Weise umgeformt werden, daß man etwa einen gegebenen Strom von niederer Spannung benutzt, um einen Elektromotor zu treiben, und daß dieser hinwiederum eine zweite Dynamomaschine treibt, welche Strom von höherer Spannung liefert. Die beiden Maschinen besitzen sich drehende, also bewegte Teile, meistens sich drehende Anker. Einen derariigeu Apparat nennt man deshalb auch einen rotierenden Umformer. Hierbei kann man nun offenkundig Gleichstrom sowohl in Gleich­ strom als auch in Wechselstrom umformen. Im zweiten Falle läßt man von dem Elektromotor eine Wechselstrommaschine treiben. Auch läßt sich in derselben Art Wechselstrom in Gleichstrom umformen. Der gegebene Wechselstrom treibt alsdann einen Wechselstrommotor und dieser eine Gleichstrom-Dynamomaschine. Gleichströme von sehr hoher Spannung lassen sich praktisch nicht erzeugen, und es läßt sich auch ein gegebener Gleichstrom nicht auf sehr hohe Spannung umformen, deshalb nicht, weil man die Segmente des Kommutators der Gleichstrommaschine nicht so isolieren kann, daß bei sehr hohen Spannungen nicht ein Uebersprtngeu des Stromes eintritt Es ist zur Umformung von Gleichstrom nicht unbedingt nötig, stets zwei getrennte Maschinen anzuwenden, von denen die eine als Motor, die andere als Generator dient. Man kann beispielsweise dem Anker einer Gleichstrommaschine auch zwei übereinander liegende getrennte Wickelungen geben, von denen die eine wenige Windungen von dickem, die andere viele Windungen von dünnem Kupserdraht enthält. Leitet man niedrig gespannten Strom von großer Stärke durch den dickeren Draht, so dreht sich der Anker im magnetischen Felde, wirkt also als Motor. Gleichzeitig entsteht in den vielen Windungen des dünnen Drahtes eine elektromotorische Kraft von entsprechender Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

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Elektrizität.

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Höhe. Bei geschlossenem Stromkreis entsteht also ein Strom von hoher Spannung. In derselben Art kann die dünne Wickelung hoch­ gespannten Strom von außen aufnehmen und in der Maschine als Motor wirken. Die Wickelung mit dickem Draht liefert dann Strom von größerer Stärke und niederer Spannung. Jede Ankerwicklung hat natürlich ihren besonderen Kommutator mit entsprechend eingeteilten Segmenten. Gleichstrom-Umformer haben den Nachteil, daß sie Maschinen mit bewegten Teilen sind, also Wartung und Aufsicht erfordern. Ueberdies ist die ganze Anlage umständlicher und kostspieliger.

Der Sammler oder Akkumulator. § 34.

Aufspeicherung von Energie.

Bei der Erzeugung elektrischer Energie in einer Dynamo­ maschine muß die Energie in dem Maße, wie sie geliefert wird, ver­ braucht, und in dem Maße, wie sie verbraucht wird, erzeugt werden. Eine Ansammlung von Energie in Form von gespannter Elektrizität, ähnlich einer Ansammlung von gespanntem Dampf, unter Druck oder Gefälle stehendem Wasser re. ist praktisch nicht möglich. Die Erzeugung elektrischer Energie muß also mit ihrem jewciligeu Verbrauch glelcheit Schritt halten. Nun verteilt sich der Verbrauch elektrischer Energie sehr ungleichmäßig auf verschiedene Tageszeiten. Dient die Energie, wie es meistens der Fall ist, zu Beleuchtungsztvecken, so entfällt der Verbrauch wesentlich auf wenige Abendstunden, während er in der übrigen Zeit verhältnismäßig sehr gering ist. Die Folge ist, daß man Stromerzeuger und entsprechende Kraftmaschinen haben muß, die dem starken Verbrauch während der kurzen Zeit genügen können. Könnte man elektrische Energie auf Vorrat herstellen, wie etwa eine Gas­ fabrik Leuchtgas in ihren Gasbehältern aus Vorrat ansammelt, so könnten die Stromerzeuger und Kraftmaschinen während der ganzen Arbeitszeit thätig sein, und sie brauchten somit in der Zeiteinheit weniger zu leisten. Anschaffung und Unterhaltung einer elektrischen Anlage würden dadurch erheblich billiger. Energie in Form von gespannter Elektrizität läßt sich nun nicht aufspeichern, wenigstens nicht in praktisch brauchbarer Form. Es ist ober möglich, elektrische Energie in eine andere Energieform umzu-

Elektrizität.

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wandeln, die den doppelten Vorzug hat, daß sie sich auf Vorrat an­ sammeln und jederzeit wieder in elektrische Energie umwandeln läßt. Eine Vorrichtung, die diesen Zweck erfüllt, heißt ein elektrischer Sammler oder Akkumulator. Es ist aber zu beachten, daß der geladene, d. h. einen Energievorrat enthaltende Akkumulator gespannte Elektrizität überhaupt nicht besitzt, sondern einen Energievorrat, der sich in gespannte Elektrizität umsetzen läßt. Ein geladener Akkumulator ist etwas ähnliches, wie ein Vorrat von Brennstoff, etwa von Stein­ kohlen. Die Steinkohlen enthalten keine Wärme, aber sie können jederzeit, indem sie verbrannt werden, Energie in Form von Wärme liefern. In diesem Sinne können wir einen Brennstoffvorrat als eine Ansammlung von Wärmeenergie ansehen.

§ 35.

Energieumwandlung im Akkumulator.

Leitet man einen elektrischen Gleichstrom in die Lösung irgend einer chemischen Verbindung ein, und vermag die Lösung den Strom zu leiten, so wird in jedem Falle die zugeführte elektrische Energie verbraucht, um chemische Arbeit zu leisten. Die chemische Arbeit be­ steht darin, daß die in der Lösung befindliche chemische Verbindung in zwei Teile gespalten wird. Die entstehenden Spaltungserzeugnisse können sich nachher wieder chemisch vereinigen, und bei dieser Ver­ einigung wird die zur Spaltung verbrauchte Energie wieder zurück­ gegeben. Man kann es in einzelnen Fällen so einrichten, daß die Rückgabe der Energie wieder in Form gespannter Elektrizität, und zwar in Form von strömender Elektrizität erfolgt. Mit anderen Worten, man leitet in die Lösung einen elektrischen Strom ein, spaltet durch ihn den in Lösung befindlichen Körper und benutzt die Wieder­ vereinigung der Spaltungserzeugnisse, um neuerdings einen elektrischen Strom zu erzielen. Dies ist der Vorgang in jedem elektrischen Akkumulator. Die Aufspeicherung der Energie in ihm geschieht also nicht in Form gespannter Elektrizität, sondern in Form von chemischer Energie. Die Spaltungserzeugnisse befinden sich in einem gewissen chemischen Spannungszustande, der sie zur Wiedervereinigung treibt, und indem sie dieser Spannung folgen, verbrauchen sie chemische Arbeit. Nach dem Gesetz von der Erhaltung der Energie muß diese Arbeit in irgend einer Form wieder zum Vorschein kommen; im Akkumulator geschieht dies in Form elektrischer Energie. Der mit chemischen Umsetzungen nicht Vertraute kann sich den Vorgang bildlich klar machen. Man denke sich zwei feste Körper, die durch elastische Schnüre so zusammengehalten werden, daß sie mit einer gewissen Kraft

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an einander hasten. Es gehört alsdann Arbeit dazu, sie Don einander zu trennen. Im Zustande der Trennung aber stehen sie unter der Spannung der elastischen Schnüre. Es ist also jetzt Energie in ihnen aufgespeichert. Läßt man sie dem Zug der Schnüre folgen, so be­ wegen sie sich zu einander und prallen schließlich aufeinander. Die aufgespeicherte Energie ist jetzt verbraucht, aber sie erscheint wieder in Form von Wärme, da beim Auseinanderprall der Körper Wärme er­ zeugt wird. Was hier die Zugkraft der elastischen Schnüre ist, ist bei chemischen Vereinigungen von Körpern eine Kraft, die wir chemische Anziehung, chemische Verwandtschaft (Affinität) nennen. Die Wirkung ist in beiden Fällen dieselbe. Auch bei der Vereinigung von Körpern durch chemische Anziehungskraft wird Energie frei, meistens in Form von Wärme. In einzelnen Fällen kann man es so einrichten, daß man die freiwerdende Energie nicht als Wärme, sondern ganz oder teilweise als elektrische Energie erhält. Vorrichtungen, in denen man von dieser Möglichkeit Gebrauch macht, also in denen man elektrische Energie auf Kosten chemischer Arbeit erzeugt, heißen allgemein galva­ nische Elemente. Diese Art der Erzeugung elektrischer Energie war früher die allgemein übliche; sie ist für die Benutzung im Großen wirtschaftlich nicht geeignet, weil sie zu teuer ist. Ein geladener, d. h. einen Energievorrat enthaltender Akkumu­ lator ist somit ebenfalls als ein galvanisches Element anzusehen. Er unterscheidet sich von den galvanischen Elementen gewöhnlicher Art dadurch, daß man hie durch WipderNereinigung der Spaltungserzeugnifse entstandenen chemischen Verbindungen durch Aufwand elektrischer Energie neuerdings spaltet, somit den Spannungszustand wieder herstellt. Einen Akkumulator kann man deshalb mit Rücksicht darauf auch ein umkehr­ bares galvanisches Element nennen.

§ 36.

Der Bleiakkumulator.

Die Zersetzung einer in Lösung oder überhaupt in flüssigem Zustande befindlichen chemischen Verbindung durch den elektrischen Strom wird Elektrolyse genannt; der der Zersetzung unterliegende Körper heißt Elektrolyt. Die Zuführung des Stromes zu dem Elektrolyten erfolgt durch leitende Körper, die in die Lösung gestellt werden; ebenso die Abführung des Stromes aus der Flüfsigkeit. Diese Körper heißen mit Rücksicht auf ihre Bestimmung, dem Strom einen Weg zu und aus der Flüssigkeit zu bahnen, Elektroden, d. h. Körper, die den Zufuhr- und Abfuhrweg für die Elektrizität bilden. Als Elektroden dienen beim Akkumulator allgemein Bleiplatten. Hier-

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von hat der Apparat den Namen Bleiakkumulator erhalten. In der Abbildung Fig. 47 stellen A und B die als Elektroden dienenden Bleiplatten dar. Die Platte, durch welche der Strom eintritt, heißt insbesondere positive Elektrode, auch wohl Anode, die andere, also die, durch welche die Elektrizität aus der Flüssigkeit austritt, negative Elektrode oder Kathode. In der Zeichnung pflegt man die Anode durch das beigesetzte Zeichen -s-, die Kathode durch das Zeichen —

Fig- 47. anzudeuten. Die Flüssigkeit, in welcher die Elektroden stehen, ist ver­ dünnte Schwefelsäure, also eine Lösung von Schwefelsäure in Wasser. Schwefelsäure ist der Elektrolyt, also der Körper, welcher vom Strome zersetzt wird. Stellen wir uns nun vor, der Akkumulator sei geladen, also imstande, Energie abzugeben. Alsdann besteht die Kathode aus reinem metallischen Blei, auch ihre Oberfläche besteht aus reinem Bleimetall. Die Anode aber trägt auf ihrer Oberfläche eine Schicht, welche aus

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einer Verbindung von Blei mit Sauerstoff besteht und Bleisuperoxyd genannt wird. Sie ist eine braunrote Masse, welche auf 207 Gewichts­ teile Blei 32 Gewichtsteile Sauerstoff enthält. Wenn sich unter gewöhnlichen Verhältnissen Blei mit Sauerstoff verbindet, so vereinigen sich 207 Gewichtsteile Blei nur mit 16 Gewichtsteilen Sauerstoff. Bei dieser Vereinigung wird Energie frei. Die entstehende Verbindung heißt Bleioxyd. Will man aber das Blei zwingen, die doppelte Menge Sauerstoff aufzunehmen, also sich mit diesem im Verhältnis 207 : 32 zu verbinden, so kann das nur durch Zufuhr äußerer Energie geschehen. Die mit Bleisuperoxyd bedeckte Anode befindet sich somit in einem chemischen Spannungszustande, und in der Sauerstoff­ anhäufung auf der Anode liegt wesentlich der Energievorrat des ge­ ladenen Akkumulators. Die Flüssigkeit ist verdünnte Schwefelsäure vom spez. Gewicht 1,20; das ist eine Lösung, welche 27,3 % Schwefel­ säure enthält. Verbindet man nun die beiden Bleiplatten außerhalb der Flüssig­ keit durch einen geschlossenen Stromkreis, so entsteht infolge des chemischen Spannungszustandes oder Spannungsunterschiedes der beiden Platten in dem Stromkreis eine elektromotorische Kraft und folglich ein Strom. Die höhere Spannung besitzt die Anode, folglich fließt der Strom durch den äußeren Stromkreis zur Kathode. Diese elektro­ motorische Kraft und somit der Strom im äußeren Stromkreis bleiben erhalten, solange die Anode noch Bleisuperoxyd und damit einen Ueberschnß nn Saner-stoff enthält In hem Maße aber, wie Strom geliefert und damit Energie abgegeben wird, geht Sauerstoff von der Anode zur Kathode und verbindet sich mit dieser. Auf der Kathode entsteht also durch Ausnahme von Sauerstoff Bleioxyd, und auf der Anode hinter­ bleibt infolge der Abgabe von überschüssigem Sauerstoff ebenfalls Blei­ oxyd. Auf beiden Platten aber vereinigt sich das Bleioxyd mit der Schwefelsäure zu schwefelsaurem Blei. Sobald die Anode den sämt­ lichen überschüssigen Sauerstoff abgegeben hat, also auf ihr alles Blei­ superoxyd in Bleioxyd verwandelt ist, hört die chemische Spannung zwischen beiden Platten und damit auch die elektromotorische Kraft auf; der Akkumulator ist entladen. In dem entladenen Akkumulator hat die Schwefelsäure noch ein spez. Gewicht von 1,15; also enthält die Lösung nur noch 20,9 % Schwefelsäure. Der Rest ist verbraucht worden, um das Bleioxyd auf beiden Platten in schwefelsaures Blei zu verwandeln. Immerhin aber ist noch freie Schwefelsäure in be­ trächtlicher Menge vorhanden. Wird jetzt von außen Strom in den Apparat geleitet, so zer­ setzt dieser die vorhandene Schwefelsäure. Aus dieser Zersetzung ent-

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stehen verschiedene Spaltungserzeugnisse, welche aus beiden Platten das beim Entladen erzeugte schwefelsaure Blei zersetzen, die gebundene Schwefelsäure wieder freimachen und überdies an der Kathode wieder die Entstehung von metallischem Blei, an der Anode von Bleisuper­ oxyd bewirken. Die Spaltungsprodukte der Schwefelsäure, welche die Zersetzung des schwefelsauren Bleis bewirken, sind Wasserstoff und Sauerstoff. Ersterer entsteht und wirkt an der Kathode, letzterer an der Anode. Ein drittes Zersetzungserzeugnis der Schwefelsäure ver­ bindet sich mit dem Wasser im Apparate und bildet wieder freie Schwefelsäure. Es ist also klar, daß beim Entladen des Apparates der Gehalt an freier Schwefelsäure zunehmen, beim Entladen abnehmen muß. Ist alles schwefelsaure Blei zersetzt, so kann der Akkumulator weitere Energie nicht mehr aufnehmen. Leitet man noch weiter Strom ein, so entweichen der entstehende Wasserstoff und Sauerstoff als Gase in die Lust. Das Austreten der Gase aus der Flüssigkeit verursacht ein summendes Geräusch, ähnlich wie wenn Wasserdampf aus Wasser entweicht; man sagt, der Akkumulator kocht.

Es ist ersichtlich, daß die Energiemenge, welche ein Akkumulator aufspeichern und folglich auch abgeben kann, von der Größe der Ober­ fläche der Elektroden abhängt. Ferner ist von der äußersten Wichtig­ keit, daß die bei den chemischen Umsetzungen gebildeten festen Körper, insbesondere das Bleisuperoxyd der Anode, an der Plattenfläche fest anhaften, sodaß es beim Laden und Entladen sowie bei mechanischen Erschütterungen des Apparates nicht abfällt. Beide Rücksichten, ins­ besondere die letztere, haben dazu geführt, als Elektroden nicht Blei­ platten mit glatter Oberfläche zu wählen, sondern die Oberflächen als Gitter oder als schmale Rippen auszulnlden. Zwischen den Rahmen der Gitter und zwischen den Rippen lagern sich die durch die chemischen Umsetzungen gebildeten Körper. Es liegt auf der Hand, daß durch diese Gestaltung der Plattenoberflächen auch die wirksame Arbeitsfläche einer Platte vergrößert wird.

Ein aus Anode und Kathode bestehendes Plattenpaar eines Akkumulators wird eine Zelle genannt. Gewöhnlich vereinigt man in einem Behälter eine Anzahl Zellen. Die Plattenanordnung ist dann immer so, daß die erste und letzte Platte des Behälters eine Kathode ist, so daß also eine positive Platte stets auf beiden Seiten einer negativen Platte gegenübersteht. Die Zahl der Kathoden ist also stets um 1 größer als die der Anoden. Im vollständig geladenen Zustand entwickelt jede Zelle eine elektromotorische Kraft von etwa 2 Volt. Beim Entladen sinkt die Spannung. Bis zu vollständiger Entladung treibt

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man die Energieentnahme nicht; ist die Spannung auf 1,8 Volt ge­ sunken, so soll die Zelle neu geladen werden. Werden die Zellen einer Akkumulatorenbatterie hintereinander geschaltet, indem man die Anode der ersten mit der Kathode der zweiten, die Anode der zweiten mit der Kathode der dritten verbindet u. s. w., so addieren sich die elektromotorischen Kräfte. 50 geladene Zellen hintereinander geschaltet geben also 100 Volt Spannung. Um den Akkumulator zu schonen, darf er nicht mit zu hoher Spannung geladen, und es darf beim Entladen nicht zu viel Strom auf einmal, also kein Strom von zu großer Stärke entnommen werden. Der Ladungsstrom muß höher gespannt sein, als die Spannung des sich ladenden Akkumulators beträgt, weil es sonst nicht möglich wäre, der Gegenspannung entgegen Strom durch den Apparat zu treiben. Wie hoch die Spannung des Ladestromes im einzelnen Falle sein muß, richtet sich nach der Zahl der hintereinander geschalteten Zellen. Man rechnet, daß die Spannung des Ladestromes in Volt das 2,35fache der Zellenzahl ist. Zum Laden einer Akkumulatorenbatterie eignet sich am besten eine Nebenschluß-Dynamomaschine. Zu rasche Entladung erfolgt, wenn die Anode und Kathode einer Zelle durch einen Leiter von sehr geringem Widerstand verbunden, also kurz geschlossen werden. Kurzschluß tritt auch dann ein, wenn etwa Masse von den Plätten herabfällt und eine leitende Verbindung zwischen zwei benachbarten Platten herstellt. Um dies nach Möglichkeit zu verhüten, stellt man die Elektroden nicht so in den Behälter, daß sie mit ihren Unterkanten auf dem Boden ausruyen, Indern man hängt sie |o em, daß die Unterkonten sich in einiger Höhe über dem Boden befinden. Um das Aushängen zu ermöglichen, sind seitlich an den Platten Nasen ange­ gossen. Um eine zufällige Berührung zweier aufeinanderfolgenden Platten zu verhüten, trennt man die Platten durch zwischengehängte Glasstäbe. Die zum Laden eines Akkumulators benutzte Schwefelsäure muß durchaus rein sein, namentlich darf sie nicht Chlor-, Arsen- und Stickstoffverbindungen, — es sind dies die gewöhnlichen Verunreinigungen der käuflichen Schwefelsäure, — enthalten. Bei der Ladung des Akku­ mulators werden diese verunreinigenden Verbindungen ebenfalls zer­ setzt, die aus ihnen entstehenden Spaltungserzeugnisse aber greifen das Blei der Elektroden heftig an. Bei jeder folgenden Ladung wiederholt sich dies, und schließlich fallen ganze Blätter und Streifen von den Bleiplatten ab. Akkumulatoren dürfen auch nicht in Räumen stehen, in denen Spiritusdämpfe entwickelt werden, wie in Brennereien und Brauereien. Der Spiritusdampf wird von dem Wasser der Schwefel-

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säurelösung des Akkumulators ausgenommen, bei der nächsten Leitung elektrolytisch zersetzt und allmählich in Essigsäure verwandelt. Diese greift die Bleiplatten heftig an und zerstört sie allmählich. Die Bleiplatten einer Zelle müssen stets von der Säureflüssig­ keit vollständig bedeckt sein; die Säure soll etwa 1 cm höher als die Oberkaüte der Platten reichen. Die Teile der Platten, welche nicht von der Säure berührt werden, können an der Arbeit des Akkumula­ tors nicht teilnehmen, sind also nutzlos. Mit dem Laden und Entladen sind aber Raumveränderungen in den auf den Platten sich bildenden Körpern verbunden. Finden diese an allen Teilen der Platten gleich­ zeitig statt, so schaden sie nicht; ist aber ein Teil einer Platte den Wirkungen dieser Raumveränderung nicht ausgesetzt, so wirft und krümmt sich die Platte, es kann zum Kurzschluß zwischen benachbarten Platten kommen. Die Säure eines Akkumulators soll häufig mit dem Aräometer geprüft werden; die Säurestärke soll beim geladenen Akkumulator das spz. Gew. 1,20 nicht übersteigen, beim entladenen unter 1,15 nicht herabgehen. Zu starke Säure greift das Bleisuperoxyd der Anode an, zu schwache Säure giebt zuviel Widerstand beim Laden. Der Akkumu­ lator ist thunlichst vor Staub zu schützen, da einfallender Staub die Säure verunreinigt. Ganz besonders muß verhütet werden, daß leitende feste Körper in die Zellen fallen und einen Kurzschluß herbeiführen. Zur Aufnahme der Säure und Elektroden dienen säurefeste Gefäße aus Blei oder Steingut, häufig Holzbehälter, die im Innern mit Blei ausgeschtagen sind. Hierbei ist sorgfältig zu verhüten, daß die Säure­ flüssigkeit an das Holz gelangt. Dieses wird dadurch mürbe und zer­ fällt langsam zu Pulver. Auch der hölzerne Fußboden von Akkumu­ latorräumen ist gegen Zutritt der Säure sorgfältig zu schützen. Beim Laden des Akkumulators entweichen aus der Flüssigkeit Gase; es soll dies in möglichst geringer Menge geschehen, da ent­ weichende Gase verlorene Energie bedeuten. Wesentlich auch aus die­ sem Grunde soll nicht mit zu großer überschüssiger Spannung geladen werden. Ganz zu vermeiden ist die Gasentwicklung nie. Das aus der Flüssigkeit entweichende Gasgemisch ist brennbar; man muß deshalb durch energisches Lüften für Abfuhr der Gase sorgen; niemals darf beim Laden brennendes Licht in dem Raume vorhanden sein, die Er­ leuchtung soll durch elektrische Glühlampen erfolgen. Die aus der Flüssigkeit austretenden Gase reißen Säurelösung in feinen Tröpfchen mit. Alles Holz- und Eisenwerk im Akkumulatorraume muß deshalb durch Anstrich sorgfältig geschützt werden. Auch ist durch Lüften für Abfuhr der Säuredämpfe zu sorgen.

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Die Fig. 48 enthält die Abbildung eines Akkumulators aus der Akkumulatorenfabrik von Gottfried Hagen in Kalk. Die Zelle besteht aus einer Anzahl von Plattenpaaren; sämtliche Anoden und sämtliche Kathoden sind untereinander verbunden, sodaß die Zelle in der Energie­ aufnahme gleich ist einem Plattenpaar, welches entsprechend größere Platten hat.

Fig. 48. Das Aufnahmevermögen eines Akkumulators für Energie, seine Kapazität, wird in Amperestunden ausgedrückt (§ 8). Eine Zelle mit einer Ladung von 10 Amperestunden kann einen Strom von 1 Ampere Stärke 10 Stunden speisen, oder einen Strom von größerer Stärke eine entsprechend kürzere Zeit. Jede Zelle besitzt geladen eine elektromotorische Kraft von rund 2 Volt, die aber beim Entladen sinkt. Dieses Sinken der Spannung ist zu berücksichtigen, wenn eine Akkumulatorenbatterie stromverbrauchende Apparate, Lampen etc. speisen muß. In dem Maße, wie die Spannung der Batterie sinkt, müssen mehr Zellen hintereinander geschaltet werden. Beim Laden ist umgekehrt das Anwachsen der Spannung zu berücksichtigen Die Span­ nung des Ladestromes ist anfangs 2,05 Volt für Zelle, und steigt bis zu 2,35 Volt an.

Elektrizität.

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III. Die Verwendung der elektrischen Energie. § 37.

Umwandlung elektrischer Energie

in andere Energieformen. Die elektrische Energie besitzt den großen Vorzug, daß sie sich leicht und ohne erheblichen Verlust in andere Energieformen um­ wandeln läßt. Man kann mit ihr Wärme, Licht erzeugen, mechanische und chemische Arbeit leisten rc. Darin liegt der große Wert der elektrischen Energie für die praktische Verwendung. Dazu kommt noch die Möglichkeit, sie auf weite Entfernung hin zu versenden, so daß die Erzeugungs- und die Verbrauchsstellen der elektrischen Energie von einander unabhängig sind und räumlich weit auseinander liegen können.

§ 38.

Erzeugung von Wärme durch elektrische Energie.

Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme ist die einfachste und bequemste. Sie erfolgt von selbst überall da, wo die elektrische Energie keine andere Arbeit zu leisten gezwungen wird. Fließt ein Strom durch einen Leitnngsdraht, so muß er den Leitungswider­ stand überwinden; dazu verbraucht er einen Teil seiner Energie. Jede Wattsekunde verbrauchter Energie liefert hierbei 0,24 Gramm-Kalorien an Wärme, also eine Wärmemenge, mit der man 0,24 Gramm Wasser ein 1° (S. wärmer machen kann. Die Erzeugung von Wärme durch den elektrischen Strom wird zu verschiedenen Zwecken praktisch nutzbar gemacht. Die elektrischen Heiz- und Kochapparate, Brenneisen, Zigarrenanzünder rc. sind hierhin zu zählen; Bügeleisen, Preßplatten zu den Pressen in Tuchfabriken werden durch Strom erhitzt. Bei allen diesen Apparaten beruht die Wärmewirkung darauf, daß man elektrischen Strom von hinreichender Stärke durch Leitungsdrähte von großem Widerstand preßt und die Drähte dadurch erhitzt und heiß erhält. Diese geben ihre Wärme an Metallflächen ab, mit denen sie in Berührung stehen. In leitender Verbindung dürfen natürlich Drähte und Heizflächen nicht stehen. Die Drähte sind deshalb mit einer wärmebeständigen Isolierung versehen. Auf der Wärmewirkung des elektrischen Stromes beruhen auch die verschiedenen Methoden des elektrischen Schweißens und Lötens. Die Verwendung elektrischer Energie zur Wärmeerzeugung ist nur in beschränktem Umfange, nämlich nur da möglich, wo die hohen Kosten nicht ins Gewicht fallen oder anderweitig ausgeglichen werden.

Elektrizität.

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Auf der Wärmeerzeugung durch den elektrischen Strom beruhen auch die sog. Sicherungen, welche in elektrischen Leitungen angebracht werden und den Durchgang eines Stromes, dessen Stärke eine bestimmte Grenze übersteigt, verhindern sollen. Sie bestehen aus Drähten oder dünnen Blechen aus Blei, Zinn rc. Der Querschnitt der Drähte oder Bleche ist so gewählt, daß bei Ueberschreitung einer gewissen Strom­ stärke das Metall infolge der Wärmeentwicklung flüssig wird und ab­ schmilzt, infolgedessen die Leitung unterbricht. Schmelzen in einer elektrischen Anlage häufiger die Sicherungen durch, so ist zu vermuten, daß durch die Leitung mehr Strom durchgeht, als die stromverbrauchen­ den Apparate, Lampen, Motoren rc. verzehren, daß also ein Strom­ verlust durch mangelhafte Isolierung vorhanden ist. (Vergl. § 55.)

Die elektrische Beleuchtung. ,§ 39.

Umwandlung elektrischer Energie in Licht.

Es ist möglich, ^urch Aufwand elektrischer Energie unmittelbar, d. h. ohne Vermittelung einer anderen Energieform, die Aetherschwingungen hervorzubringen, die wir Licht nennen. Die Sache hat jedoch nur ein wissenschaftliches Interesse. Eine praktische Ausbeutung dieser Möglichkeit ist bis jetzt noch nicht eingetreten. Das gegen­ wärtig als „elektrisches" bezeichnete Licht wird niemals unmittelbar aus elektrischer Energie gewonnen, sondern mit Hülfe von Wärme, und entsteht, wie bei allen künstlichen Beleuchtungsarten, dadurch, dast ein fester Körper durch Wärmezufuhr glühend gemacht und glühend erhalten wird. Der glühende feste Körper strahlt Licht aus. Bei den sonstigen künstlichen Beleuchtungsarten beschafft man die erforderliche Wärme durch Aufwand chemischer Arbeit, und zwar ausschließlich durch chemische Umsetzungen, die wir Verbrennung nennen. Das elektrische Licht unterscheidet sich von diesen nur dadurch, daß die zum Glühend­ machen und Glühenderhalten des festen Leuchtkörpers nötige Wärme durch Aufwand elektrischer Energie erzeugt wird.

§ 40.

Die elektrische Glühlampe.

Bei der elektrischen Glühlampe ist die Art der Lichterzeugung theoretisch die einfachste. Der Glühkörper besteht aus einem dünnen und verhältnismäßig langen Kohlenfaden, der dem Durchgänge des Stromes einen sehr hohen Widerstand entgegensetzt. Ist die Spannung des Stromes hinreichend stark, um eine genügende Menge Elektrizität durch den engen Kanal zu pressen, so wird der Kohlenfaden glühend.

Elektrizität.

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Da Kohlenstoff in der Glühhitze sich sofort mit Sauerstoff vereinigt, d. h. verbrennt, so muß der Zutritt von Sauerstoff und also auch von Lust abgehalten werden. Das ist der Grund, weshalb der Leucht­ körper der elektrischen Glühlampe in einem geschlossenen und vorher luftleer gemachten Glasbehälter angebracht wird. Die Leuchtkraft einer Glühlampe hängt davon ab, wie stark der Glühkörper erhitzt wird, und welche Länge er hat. Die Höhe der Temperatur hängt von der Menge der durchgepreßten Elektriziät ab. Hierbei darf man über eine bestimmte Grenze bei gegebenem Kohlenfaden nicht hinausgehen, will man den Glühkörper nicht in kurzer Zeit ruinieren. Je länger der Kohlenfaden ist, um so mehr Widerstand bietet er bei gegebenem Querschnitt, um so mehr Spannung ist deshalb nötig, um die erforderliche Menge Elektrizität durchzupressen. Man sieht, daß unter allen Umständen eine Vermehrung der Leucht­ kraft nur durch Zufuhr einer entsprechend größeren Menge elektrischer Energie möglich ist. Uebrigens setzt eine Glühlampe nur etwa 5°/0 der ihr zugeführten Energie in Licht um, der Rest wird in Form von Wärme in die Umgebung entsandt. Beim Durchgang des Stromes durch den Kohlenfaden werden von diesem Kohlenteilchen in feinster Form zerstäubt. Diese setzen sich als Ueberzug an die Glaswände an, schwärzen sie und erzeugen auf die Dauer einen aus dichter Kohlenmasse bestehenden Spiegel. Es wird dadurch mehr und mehr Licht verschluckt, die Leuchtkraft der Lampe also vermindert. Ueberdies wird durch die Abgabe dieser Kohlen­ teilchen der Leuchtkörper wehr und mehr geschwächt, er sendet weniger Licht aus und reißt schließlich an der schwächsten Stelle. Glühlampen haben deshalb stets eine beschränkte Lebensdauer. Für eine elektrische Glühlampe ist es gleichgültig, in welcher Richtung der Strom den Kohlenfaden durchfließt, also auch, ob er seine Richtung stetig wechselt. Zum Speisen von Glühlampen ist des­ halb Wechselstrom ebenso geeignet, wie Gleichstrom.

§ 41.

Die elektrische Bogenlampe.

Verbindet man zwei Kohlenstäbe mit den Polen einer Strom­ quelle, so geht, wenn man die freien Enden der Stäbe in Berührung bringt, ein Strom durch, da der freie Kohlenstoff ein Leiter der Elektrizität ist. Trennt man jetzt die Kohlenstäbe von einander, so wird der Strom, falls er unter einer hinreichenden Spannung steht, nicht unterbrochen. Es werden vielmehr Teilchen von der einen Kohlen­ spitze zur anderen überführt, und diese bilden eine Art Leitung zwischen

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Elektrizität.

den Kohlenspitzen. Hierbei wird eine so hohe Temperatur erzeugt, daß sowohl die Enden der stromleitenden Kohlenstäbe, als auch die von einer Kohle zur anderen übergeführten Teilchen in außerordentlich starke Weißglut kommen Diese glühenden Kohlenmassen geben das Licht dieser Lampe. In Fig. 49 sind die Kohlenstäbe einer Gleichstromlampe dargestellt; gleichzeitig ist aus der Abbildung zu ersehen, welche Formveränderungen die Enden der Stäbe beim Brennen der Lampe an­ nehmen Der Strom fließt von der oberen zur unteren Kohle; es ist üblich geworden, erstere die po­ sitive, letztere die negative Kohle zu nennen. Die po­ sitive Kohle höhlt sich aus, sie bildet an ihrer Spitze einen Krater; die negative Kohle spitzt sich in der aus der Abbildung ersichtlichen Weise zu. Die Größe des Lichtbogens zwischen den Kohlenspitzen, also die Ent­ fernung der Kohlen, ist von wesentlicher Bedeutung. Bei zu langem Bogen verschwindet die Spitze der unteren Kohle, eine violette Flamme wandert um die Kohlenenden herum, das Licht brennt unruhig. Bei zu kleinem Lichtbogen spitzt sich die untere Kohle zu lang zu und die Kohlen drohen sich zu Fig. 49. berühren. Da die Lichtwirkung in der Bogenlampe ebenfalls auf der Wärmeerzeugung durch den elektrischen Strom beruht, so ist auch für die Bogenlampe sowohl Gleichstrom als Wechselstrom geeignet. Die Erscheinungen sind jedoch verschieden. Beim Gleichstrom brennt die positive Kohle doppelt so schnell ab, wie die negative; sie wird des­ halb entsprechend stärker genommen. Die Kraterbildung tritt nur an der positiven Kohle auf, welche in der Regel oben angebracht wird. Das Licht wird folglich zum größten Teil nach unten geworfen. Gleichstrombogenlampen eignen sich deshalb vorwiegend für Boden­ beleuchtung, insbesondere für Straßenbeleuchtung. Beim Wechselstrom bilden sich an beiden Kohlenspitzen Krater. Es entstehen also zwei Lichtkegel, von denen der eine nach unten, der andere nach oben geht. Bei Wechselstrombogenlampen werden deshalb auch Decken und Wände beleuchtet. Größere, gleichmäßig zu beleuchtende Lokale, Schaufenster rc. eignen sich deshalb besser für Wechselstrom. Um die Kraterbildung zu begünstigen, werden die Kohlen in der Mitte durchbohrt, der ent­ stehende Kanal wird mit Kohlenpulver fest ausgefüllt. In dem Kanal brennt die Kohle rascher ab, die Kraterbildung wird deshalb stärker. Solche Kohlen nennt man Dochtkohlen.

Elektrizität.

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Gleichstromlampen erfordern eine Spannung von 40 — 47 Volt, Wcchselstromlampen eine solche von 27—35 Volt. Je geringer die Stärke des durch die Kohlen gehenden Stromes ist, um so mehr Spannung wird zur Erzeugung des Lichtbogens erforderlich. Der Grund liegt darin, daß mit sinkender Stromstärke die Temperatur des Lichtbogens abnimmt und in diesem Maße weniger Kohlenteilchen von der einen zur anderen Kohle übergeführt werden, der Widerstand des Lichtbogens also wächst. Bei normalem Betrieb in den üblichen Lampen hat der Lichtbogen eine Temperatur von mehr als 2000° C. Die Temperatur kann bis zu 4000° C. ansteigen. Die Bogenlampen arbeiten um so vorteilhafter, je größer ihr Stromverbrauch ist; im Mittel setzt eine Bogenlampe 10% der ihr zugeführten Energie in Licht um.

§ 42.

Regulierung der Bogenlampe.

Der Lichtbogen zwischen zwei Kohlenspitzen entsteht nur dann, wenn während des Stromdurchganges die vorher sich berührenden Kohlenspitzen von einander entfernt werden. Die Entfernung darf nicht zu groß werden, weil sonst die Lampe erlischt. Die beiden Kohlenstäbe brennen aber an ihren Spitzen langsam ab, ihre Ent­ fernung wächst also. Das ständige und gleichmäßige Brennen einer Bogenlampe erfordert somit eine Reguliervorrichtung. Diese muß folgendes leisten: 1. beim Inbetriebsetzen der Lampe die sich berührenden Kohlen­ spitzen auf die erforderliche Strecke von einander entfernen; 2. während des Betriebes die Kohlenstäbe in dem Maße auf­ einander zu bewegen, wie die Kohlenspitzen abbrennen; 3. bei Außerbetriebsetzung der Lampe die Kohlenstäbe wieder miteinander in Berührung bringen. Die unter 3 genannte Bedingung ist deshalb nötig, weil nur durch sie die Lampe jederzeit beim Einschalten des Stromes in Thätig­ keit treten kann. Nach der Art der Regulierung unterscheidet man Hauptstrom-, Nebenschluß- und Differentiallampen. Hauptstromlampen werden heute nicht mehr benutzt; die Differentiallampen haben die größte Bedeutung, weil bei ihnen die Regulierung am sichersten und genauesten ist. Als Reguliervorrichtung in den Bogenlampen benutzt man die Wirkung, welche eine stromdurchflossene Spule auf einen in ihre Oeffnung hineinragenden Eisenkern ausübt. Die Spule zieht den Eisenkern soweit in sich hinein, bis ihr Mittelpunkt mit dem Schwer-

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Elektrizität. punkt des Eisenkernes zusammenfällt. Bei der Differentiallampe bringt man zwei Spulen übereinander an. Die Wirkung der einen Spule auf den Eisenkern sucht die Kohlen der Lampe von einander zu entfernen, die der anderen sie zu nähern. Die wirksame Kraft ist also stets die Differenz der Einwirkungen der Spulen auf den gemeinsamen Eisenkern; daher heißt die Lampe Differentiallampe. Bei der Nebenschlußlampe ist eine der Spulen und zwar diejenige, welche die Kohlen von ein­ ander zu entfernen sucht, durch eine Spiralfeder ersetzt; die verbleibende Spule liegt im Nebenschluß zum Lampenstrom.

Fig- 50,

Die Abbildungen Fig. 50—52 zeigen gebräuchliche Formen von Differentiallam­ pen, und zwar giebt Fig. 50 den Durch­ schnitt, Fig. 51 die perspektivische Ansicht der Reguliervorrichtung. Bei Fig. 52 fehlt ein noch näher zu besprechender Teil. 4 Spulen A (Fig. 50) sind paarweise übereinander angeordet. Durch die oberen Spulen geht der ganze Lampenstrom, d.h. sie liegen in der Hauptstromleitung. Ihre Wickelungen bestehen infolgedessen aus wenigen Windungen dicken Drahtes. Die unteren Spulen liegen in einer Neben­ leitung, welche nur wenig Strom führen soll. Die Wickelungen bestehen deshalb aus vielen Windungen dünnen Drahtes. Der Eisenkörper B hat die Form eines H; seine 4 Schenkel ragen in die Oeffnungen der Spulen hinein. Die beiden oberen Spulen A suchen somit den Elsenkörper aufwärts zu ziehen, während die unteren Nebenschlußspulen ihn abwärts zu bewegen bestrebt sind. Der Eisenanker H ist in einer Gabel D zwischen Zapfenschrauben gelagert. Die oberen Spulen A sind durch eine Eisenplatte C verbunden

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Elektrizität.

und

werden

von

zwei

auf

dem

Lampenteller

stehenden

Säulen

getragen. Die beiden Kohlenträger sind an den Enden eines Kupferseiles F befestigt. Das Seil, nach welchem die Lampe Seillampe genannt wird, besteht aus 1000 feinen" Kupferdrähten und läuft über eine Schnurscheibe, die am Umfang eine Nute trägt. Der obere Kohlenträger besitzt Uebergewicht, so daß, wenn kein'Strom durch die Lampe geht, die Kohlenstäbe durch die Wirkung der Schwerkraft zur Berührung gebracht und in Berührung erhalten werden. Die Schnurscheibe bildet nun einen Teil des Laufwerkes E, welches aus einem Hauptrad, zwei

Fig- 51. Spennath, Wartung elektr. Maschinen.

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Zwischenrädern und einem Sternrad besteht. Das Hauptrad ist durch ein Gesperre mit der Schnurscheibe gekuppelt. Geht nun Strom durch die Lampe, so ziehen die oberen Spulen A den Eisenkörper B in sich hinein und heben die Gabel D. Die Kohlen entfernen sich von einander, und das Laufwerk wird fest­ gehalten. In dem Maße, wie die Entfernung der Kohlenspitzen von einander wächst, wird der Widerstand des Lichtbogens und damit der Widerstand in der Hauptleitung größer. Infolgedessen wird jetzt mehr Strom durch die Nebenleitung, also durch die unteren Spulen A getrieben. Diese ziehen jetzt den Eisenkörper stärker nach unten, und dadurch wird das Laufwerk wieder frei gegeben. Die Schwerkraft bewirkt also wieder ein Nähern der Kohlenspitzen. Es ist klar, daß auf diese Art ein Gleichgewichtszustand zwischen den Wirkungen der beiden Spulenpaare eintreten und eine bestimmte Entfernung der Kohlenspitzen erreicht und erhalten wird. Um beim Anzünden der Lampe ein plötzliches Emporschnellen des Eisenkörpers B zu verhüten, ist die Ventilpumpe H angebracht. Sie bietet der Aufwärtsbewegung des Laufwerkes Widerstand. Das Laufwerk ist ferner zu beiden Seiten seines Drehpunktes an Federn G aufgehängt. Es geschieht dies, um die Reibung in der Lagerung des Laufwerkes zu vermindern. Die Federn tragen sowohl das Laufwerk als auch die mit diesem in Ver­ bindung stehenden Kohlenführungen unb entlasten somit die Zapfen der Laufwerklagerung. Soll hie Lamve für Gleichstrom benutzt werden, so trägt sie den sog. Sparer L, einen emaillierten Eisenkörper in Form eines Hohlkegels, unmittelbar über dem Lichtbogen. Der Nutzen der Vor­ richtung besteht darin, daß die Luft in und unter diesem Hohlkegel arm an Sauerstoff wird, weil durch das Verbrennen der Kohlen fort­ während Sauerstoff verzehrt, dieser aber aus der Umgebung nicht hin­ reichend schnell erneuert wird. In dem Maße, wie die Lust an Sauerstoff ärmer wird, brennen die Kohlen langsamer ab. Man erzielt auf diese Art eine Kohlenersparnis bis zu 40 %• Wechselstromlampen erhalten an Stelle, des Sparers L einen Reflektor M, der das von der unteren Kohle ausgestrahlte Licht auffängt und nach unten wirft, die Lampe also für Bodenbeleuchtung geeignet macht. Im übrigen besteht der Unterschied zwischen Gleichstrom- und Wechselstromlampe dieser Art nur in der Verschiedenheit der Wickelung in den Nebenschluß­ spulen. Zur Vermeidung der Wirbelströme werden die Eisenkerne B bei Wechselstromlampen geblättert. Werden die Lampen zu zwei oder mehreren in Reihe geschaltet, so muß dafür gesorgt werden, daß beim Erlöschen oder Versagen einer

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Lampe in der Reihe die übrigen weiter brennen können. Zu dem Zwecke erhalten die Lampen einen Nebenschließer J, der auf der Platte C angeordnet und dessen Anker K im Laufwerk befestigt ist. Der Nebenschließer hat denselben Widerstand, wie die Lampe. Tritt also die Lampe außer Thätigkeit, so bleibt der Widerstand ungeändert,

die Nebenschlußspulen erhalten nicht zuviel Strom, der sie verbrennen würde, und die übrigen Lampen brennen weiter. Bei Parallelschaltung der Lampen ist die Außerbetriebsetzung einer Lampe für die übrigen gleichgültig. Der Nebenschließer ist also nicht erforderlich. Die Lampe

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hat deshalb dann die in Fig. 52 dargestellte Einrichtung. Ersetzt man in der Differenüallampe die Hauptstromspuleu durch Spiralfedern, so wird die Lampe zur Nebenschlußlampe. (Fig. 53.)

Die vorbeschriebene Lampenkonstruktion stammt von Siemens & Halske in Berlin. Es giebt eine große Zahl verschiedener Ausführungs­ formen von Reguliervorrichtungen zu Bogenlampen, die alle auf dem­ selben Prinzip beruhen, einen Eisenkern durch eine stromdurchflossene Spule anziehen zu lassen. Hierbei besteht nun allerdings der Uebel­ stand, daß die Anziehung der Spule auf den Eisenkörper nicht in

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allen Lagen des letzteren zur Spule dieselbe ist. Die Anziehung wächst in dem Maße, wie die zwischen Spulenöffnung und Spulen­ mittelpunkt befindliche Eisenmasse zunimmt, ist also am größten, wenn das Ende des Eisenkörpers mit dem Spulenmittelpunkt zusammenfällt. Dieser Wechsel in der anziehenden Kraft macht die Verwendung von Hebeln und Räderwerken in den Regulatoren erforderlich. Eine neuere Konstruktion umgeht diese Schwierigkeit, indem sie den Eisenkörper der Solenoide nicht cylindrisch gestaltet, sondern vom Mittelpunkte aus nach beiden Seiten spitz zulaufen läßt. Die Anziehung der Spule ist jetzt in jeder Stellung des Eisenkörpers dieselbe. Ein Räder- und Sperrwerk fällt bei dieser Lampe, die nach ihrem Erfinder die Krizck'sche heißt, weg. Von Interesse ist eine von der Elektrizitäts-Aktiengesellschaft Dorrn. Schuckert u. Co. in Nürnberg gebaute Regullervorrichtung für Wechselstrom-Bogenlampen, welche aus der Wirkung eines Drehstrom­ motors beruht. Die Arbeitsweise eines Drehstrommotors ist in § 45 dargelegt. Die Abbildung Fig 54 zeigt die Einrichtung der Lampe. Der Regul'ermechanismus besteht aus einer Aluminiumscheibe a, auf welche zwei Elektromagnete E und c wirken. Die Wickelung des Magneten E wird von dem Hauptstrom, welcher die Lampe speist, durchflossen, die Wickelung des Magneten c liegt im Nebenschluß, also parallel. Jeder Magnet erzeugt in Verbindung mit einem passenden Eisenanker in der Aluminiumscheibe a Wechselströme. Diese haben gegen den Magnetisierungsstrom eine zeitliche Phasenverschiebung, und dadurch wird, wie aus § 45 ersichtlich ist, eine Drehwirkung auf die Scheibe a ausgeübt. Der eine Magnet sucht die Scheibe nach rechts, der andere sie nach links zu drehen. Die Drehung wird durch Zabnradtrieb auf eine Rolle b übertragen, welche eine Kette trägt. An den Enden dieser Kette sind die Kohlenhalter befestigt. Bei richtiger Größe des Lichtbogens, also bei normaler Stellung der Kohlenstäbe im Betriebe, sind die auf die Scheibe a ausgcübten Drehwirkungen gleich, heben sich also auf. Wird infolge des Abbrandes der Kohlen der Lichtbogen größer, so geht mehr Strom durch die Nebenleitung des Elektromagneten c. Dieser übt eine stärkere Drehwirkung auf die Scheibe a aus, und die Kohlen müssen sich einander nähern. Ties geschieht solange, bis die normale Kohlenstellung wieder erreicht ist. Ist dagegen die durch die Hauptleitung gehende Stromstärke zu groß, was beispielsweise beim Inbetriebsetzen der Lampe, also bei der Bild­ ung des Lichtbogens der Fall ist, so erhält die Scheibe a entgegenge­ setzte Drehung, und die Kohlen werden von einander entfernt. Es ist klar, daß in kürzester Zeit ein Gleichgewichtszustand erreicht und

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Elektrizität.

dieser dauernd erhalten wird. Als Wechselstromlampe erhält die Lampe einen Reflektor c. Die Kohlenhalter bewegen sich zwischen, den senk­ rechten Lampenstäben. Die obere Kohle wird durch einen Speckstein­ ring D geführt, die untere durch den Specksteinring d. Außerdem hat die untere Kohle als Führung noch das gegabelte Querstück f an den Lampenstäben.

Da in jeder Bogenlampe die Kohlen allmählich abbrennen. so würde es schließlich dahin kommen, daß die metallenen Kohlenhalter einander so nahe stehen, daß sich zwischen ihnen der Lichtbogen bildet. Die Teile würden aldann abschmelzen und zerstört werden. Es muß des-

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halb dafür gesorgt werden, daß die Lampe selbstthätig erlischt, ehe diese Gefahr eintritt. Man erreicht dies bei den einzelnen Lampensystemen auf verschiedene Art In der in Fig. 54 dargestellten Lampe ist am oberen Ende des Stabes g eine Platte angebracht. Ist der untere Kohlenhalter in seiner höchsten Lage angekommen, so stößt diese Platte gegen den Stift h und hebt den Ausschalter c aus. Die Platte ist mit dem Stab g verstellbar verbunden, um etwaige Verläugerungen der die Kohlenhalter tragenden Kette ausgleichen zu können. Beim Heben des Ausschalters i wird die um den Elektromagneten e ge­ führte Nebenschlußleitung unterbrochen, sodaß nur die durch den Mag­ neten g bewirkte Drehkraft die Scheibe a treibt. Diese entfernt folg­ lich die Kohlen soweit von einander, daß die Lampe erlöschen muß. Dynamomaschinen werden neuerdings in der Regel für eine Spannung von 110 Volt gebaut. Von den Bogenlampen aber er­ fordert, wie erwähnt, die Gleichstromlampe 40—50 Volt, die Wechsel­ stromlampe 27 — 35 Volt. Die Spannung von 110 Volt reicht also hin, um 2 Gleichstromlampen, oder 3 Wechselstromlampen, die in Reihe geschaltet sind, zu speisen. Außerdem ist noch ein Ueberschuß an Spannung vorhanden, die durch Vorschallwiderstand verzehrt wer­ den muß. Die dazu verbrauchte Energie setzt sich in Wärme um. Erst neuerdings ist mit Erfolg versucht worden, Gleichstromlampen für 35 Volt Sp. nnung zu konstruieren und diese zu je 3 in Reihe zu schalten. Als Vorschaltwiderstände dienen Drähte aus Material von großem Widerstand, die spiralförmig gewilnden sind. In diesen setzt sich die verbrauchte Energie in Wärme um. Bel Wechselstromlampen braucht man als Vorschaltwiderstand häufig und vorteilhaft eine sog. Drosselspule. Es ist dies eine gewöhnliche Stromspule, in deren Win­ dungen beim Durchgang eines Wechselstromes durch die Selbstinduk­ tion (§ 20) eine elektromotorische Gegenkraft entsteht, die die Spannung der Lampenstromes entsprechend herabmindert. Eine solche Drossel­ spule wirkt vorteilhaft, weil sie bei weitem nicht so viel Energie in Wärme umsetzt, wie ein gewöhnlicher Vorschaltwiderstand. Will man bei einer üblichen Stromspannung von 110—120 Volt nur eine oder zwei Bogenlampen brennen, sy kann dies bei Wechselstromlampen einfach dadurch erreicht werde«, daß man vor der Lampe einen Transformator anbringt, welcher die Spannung auf das erforderliche und zulässige Maß herabmindert. Bei Glelchstromlampen ist dies nicht möglich; will man hier bei 110 Volt Spannung nur eine Lampe brennen lassen, so muß die überflüssige Spannung durch Vorschaltwiderstand gänzlich verbraucht, also eine entsprechende Energiemenge in nutzlose Wärme verwandelt werden.

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Qr(ettri;ität.

Die elektrische Kraftmaschine. § 43.

Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Arbeit.

Die Art und Weise, wie elektrische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wird, ist aus den photographischen Kraftlinienbildern Fig. 12 und 13 ersichtlich. In Fig. 12 befindet sich ein stromdurchflossener Leiter im magnetischen Felde. Man sieht, wie die Kraftlinien einen Zug auf den Leiter ausüben, der senkrecht zu der Kraftlinienrichtung steht und den Leiter aus dem Felde heraus zu bewegen bestrebt ist. In Fig. 13 sind zwei Leiter im magnetischen Felde, welche von Strömen in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. Die Ein­ wirkung der Kraftlinien des Feldes auf die Leiter tritt wieder deutlich zutage; wir sehen aber gleichzeitig, daß mit der Richtung des Stromes im Leiter auch die Richtung des Zuges der Kraftlinien umgekehrt wird. Befinden sich also die beiden Leiter aus dem Umfange eines Ankerringes, so werden sie beide den Anker in demselben Sinne zu drehen suchen. Wird also ein Anker genau wie bei einer GleichstromDynamomaschine mit Spulen bewickelt, und senden wir durch die Spulen mit Hülfe eines Kommutators von außen Strom, so werden sämtliche Spulen den Anker zu drehen suchen. Die Maschine wirkt jetzt als Kraftmaschine. Das magnetische Feld wird ebenfalls durch den von außen zugesührten Strom erzeugt, indem man diesen Strom durch die Wickelungen der Feldmagnete gehen läßt. Hierbei kann man, rote bet der Dynamomaschine, die Magnetschenkelwickelung im Hauptstromkreise und im Nebenschluß anbringen, kann auch, wie bei der KompoundDynamomaschine, eine aus Haupt- und Nebenleitung gemischte Be­ wickelung anwenden. Die gegenwärtig angewandten Gleichstrommotoren sind zum größten Teil, wenn nicht ausschließlich, Nebenschlußmaschinen. Der Elektromotor verlangt somit Zufuhr äußerer Energie in Form von strömender Elektrizität; woher der zu seiner Speisung er­ forderliche Strom stammt, ist gleichgültig. Natürlich wird man in der Praxis nur den von Dynamomaschinen erzeugten Strom zum Betrieb elektrischer Krafimaschinen benutzen, da nur dieser hinreichend billig zu beschaffen ist. Da die treibende Kraft im Elektromotor in einer Zugwirkung der Kraftlinien des magnetischen Feldes auf die Ankerwickelung, bezw. auf den in den Ankerwickelungen fließenden Strom besteht, so ist klar, daß diese Kraft um so größer sein wird, je stärker die magnetische Strömung zwischen den Polen der Feldmagnete, je stärker der elek-

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Irische Strom in den Ankerspulen ist, und je mehr wirksame Anker­ spulen vorhanden sind. Jede Kraftmaschine ist nun tu der Regel einer wechselnden äußeren Belastung ausgesetzt. Man verlangt von ihr, daß sie bei dieser wechselnden Belastung ihre Geschwindigkeit an­ nähernd beibehält, und daß insbesondere Geschwindigkeitsänderungen nicht sprungweise erfolgen. Die gebräuchlichen Kraftmaschinen, wie Dampfmaschinen, Gasmotoren rc., erhalten zu diesem Zweck besondere Reguliervorrichtungen, die meistens ziemlich verwickelte und umfangreiche Konstruktionen erfordern. Der Elektromotor ist in dieser Beziehung allen anderen Kraftmaschinen überlegen. Damit hat es folgende Be­ wandtnis : Sobald der Anker eines Elektromotors sich dreht, schneiden seine Spulen die Kraftlinien des magnetischen Feldes. Folglich entsteht in ihnen eine elektromotorische Kraft. Diese ist der elektromotorischen Kraft des von außen zugeführten Stromes entgegengesetzt gerichtet. Die treibende Kraft, welche den Speisestrom durch die Ankerwicklung preßt, ist also die Differenz aus der Spannung dieses Speisestromes und der durch den Umlauf des Ankers bewirkten Gegenspannung. Hat beispielsweise der Speisestrom eine Spannung von 110 Bolt und beträgt die Gegenspannung 105,5 Volt, so wird der Speisestrom mit einem Druck von 110—105,5 = 4,5 Volt durch die Ankerwicklung ge­ trieben. Hat die Ankerwicklung einen Widerstand von 0,075 Ohm, 4 5 so beträgt die Stärke des durchgehenden Stromes —= 60 Ampere. 0,075 Bei dieser Stromstärke erfahren die Ankerwickelungen einen Zug von bestimmter Stärke durch die Kraftlinien des Feldes, d. h. der Motor kann eine bestimmte Arbeit leisten. Wird nun der Motor stärker belastet, so hat das zunächst zur Folge, daß die Geschwindigkeit des Ankers abnimmt. Damit fällt aber sofort die Gegenspannung im Anker, und folglich vergrößert sich der wirksame Druck und damit die Stärke des Speisestromes. Der stärkere Strom in den Ankerwickelungen vermehrt aber die Zugkraft. Aehnlich ist es, wenn die Belastung des Motors abnimmt. Die Umlaufsgeschwindigkeit des Ankers und damit die Gegenspannung in seinen Spulen nimmt zu, die Stärke des Speisestromes folglich ab. Der Motor entnimmt folglich selbstthätig der Speiseleitung immer genau soviel Energie, wie er als mechanische Arbeit liefern wuß Natürlich hat die Tourenzahl zwischen Leerlauf und Vollbelastung verschiedene Werte, der Unterschied beträgt jedoch nicht mehr als 4%. Jeder Elektromotor kann theoretisch eine beliebige Menge Arbeit leisten, indem er entsprechend mehr Energie aus der Speiseleitung ent-

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Elektrizität.

nimmt. Praktisch findet dies bald seine Grenze darin, daß die Strom­ stärke in den Ankerspulen nicht zu stark werden darf, sollen diese sich nicht übermäßig erhitzen. Für größere Arbeitsleistungen muß man mehr Ankerspulen, folglich größere Anker und damit größere Maschmen nehmen. Ein großer Vorzug der elektrischen Kraftmaschine liegt darin, daß die Wirkung auf den Anker ursprünglich eine rein drehende ist. Es braucht deshalb nicht, wie bei Kolbendampfmaschinen, Gasmotoren etc., erst eine hin und hergehende Bewegung in eine drehende umgewondelt zu werden. Die schwingenden, d. h. hin und her gehenden schweren Metallmassen mit all' den Uebelständen dieser schwingenden Bewegung fallen fort. Für dos Anlassen des Elektromotors ist zu beachten, daß in den Ankerspulen erst dann eine Gegenspannung Auftritt, wenn der Anker sich dreht; in den Spulen des ruhenden Ankers ist eine solche natur­ gemäß nicht vorhanden. Würde man nun beim Anlassen der Maschine sofort den Speisestrom mit seiner vollen Spannung einleiten, so er­ hielten die Ankerspulen für den ersten Augenblick einen Strom von solcher Stärke, daß die Kupserdrähte schmelzen würden. Der Anker würde sich zwar sofort in Bewegung setzen, aber ehe er Zeit hätte, die erforderliche Gegenspannung zu erzeugen, wäre das Unglück fertig. Ein Gleichstromelekrromotor darf deshalb nur mit Hülfe eines Anlaß­ widerstandes in Gang gesetzt werden. Dieser gestattet, vorerst einen Strom von geringer Stärke durch die Ankerspulen zu treiben. Sobald der Anker sich dreht, wird der Anlatzwid rstand allmählich und lang­ sam ausgeschaltet. Beim Abstellen der Maschine wird durch Bewegen des Schalthebels der ganze Anlaßwiderstand wieder eingeschaltet. Hier soll^man möglichst schnell verfahren. Die Zugkraft der Kraftlinien des Feldes wird, wie man sieht, aus die Ankerwicklung der Maschine ausgeübt. Die Wickelung muß den Anker mitreißen. Es ist deshalb erforderlich, die Wickelung stark und zugkräftig zu machen. Aus diesem Grunde nimmt man als treibende Ankerwicklung Kupferstäbe, die in Nuten des Ankereisens versenkt werden. Dieselben Erscheinungen, welche bei der Dynamomaschine eine Verschiebung der neutralen Zone Hervorrufen und eine Verschiebung der Bürsten erfordern, sind auch beim Elektromotor vorhanden. Um funkenlosen Gang zu erzielen, müssen aber beim Elektromotor die Bürsten rückwärts verschoben werden. Die Drehrichtung des Ankers hängt von der Richtung ab, in welcher der Speisestrom die Anker­ spulen durchfließt. Vertauscht man deshalb die Bürsten oder verstellt

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man sie um 180°, so bewegt sich der Anker entgegengesetzt. Als Bürsten verwendet man beil Elektromotoren vorwiegend Kohlenstäbe. Im übrigen gilt alles, was bezüglich der Gleichstrom-Dynamomaschine gesagt wurde, auch für den Elektromotor. Jede Dynamomaschine kann auch als Elek­ tromotor benutzt werden.

§ 44.

Die Wechselstrom- und Drehstrommotoren.

Elektrische Kraftmaschinen, welche em- und mehrphasigen Wechsel­ strom als Betriebskraft benutzen, sind erst in der neuesten Zeit zur Bedeutung gelangt. Man wußte lange Zeit die Energie eines Wechsel­ stromes nicht in mechanische Arbeit umzusetzen. Der Gleichstrommotor kann für Wechselstrom nicht benutzt werden, da die abwechselnd ent­ gegengesetzt gerichteten Stromstöße den Anker in eutgegengesetzter Rich­ tung zu bewegen suchen, der Anker also still stehen muß. Erst als man erkannte, daß der mehrphasige Wechselstrom imstande wäre, ein Drehseld, d. h. ein sich drehendes Kraftfeld zu erzeugen (§ 45), wurde die Umsetzung von Wechselstromenergie in mechanische Arbeit möglich. Die ersten Wechselstrommotoren waren Drehstrommotoren, d. h. sie er­ hielten als Speisestrom mehrphasigen Wechselstrom. Erst nach ihnen und aufgrund der an ihnen gemachten Erfahrungen gelang es weiter­ hin, auch Motoren für einphasigen, also gewöhnlichen Wechselstrom zu bauen. Es empfiehlt sich, die Drehstrommotoren zunächst zu besprechen. Aehnlich, wie die Wechselstrom-Dynamomaschine einfacher ist, als die Maschine für Gleichstrom, zeichnet sich auch der Wechselstrommotor vor dem Gleichstrommotor durch größere Einfachheit aus.

§ 45.

Der Drehstrommotor.

Die Arbeitsweise eines Drehstrommotors läßt sich mit Hülfe der Abbildung Fig. 55 leicht erkennen. Der Elsenring 8 trägt vier getrennteWickelungen Ax Ä2 und Bx B2. Die Wickelungen sind paarweise mit einander verbunden; für Ax A2 ist die Verbindung in der Zeichnung angedeutet, füt Bx B2 der Einfachheit wegen weggelassen. Durch die Wickelungen wird nun von einer Strom­ quelle aus zweiphasiger Wechselstrom geleitet und zwar so, daß in den Spulenpaaren Ax A2 und Bx B2 Wechselströme fließen, die einen Phasenunterschied von einer halben Periode haben. Die Periodenzahl der beiden Ströme, ebenso ihre mittlere Stromstärke ist dieselbe. Wenn folglich der Strom in den Spulen Ax A2 seine größte Stärke erreicht hat, so ist er in den Spulen Bt B2 gleich Null. In dem Maße, wie

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die Stromstärke in Ax Ä2 abnimmt, wächst sie in Bx B2. Ist sie m Ax A2 gleich Null, so hat der Strom in Bx B2 [feine größte Stärke u. s. f. Der Strom in den Spulenpaaren Ax A2 bezw. Bx B2 ruft nun in bekannter Weise eine magnetische Strömung in dem Eisen des Ringes 8 hervor. Hat der Strom in Ax A2 seine größte Stärke und ist er in Bx B2 gleich Null, so liegen die Pole des Magneten 8 auf der Verbindungslinie von Bx B2; ist der Strom in Bx B2 in seiner vollen Stärke und in Ax A2 gleich Null, so liegen die Magnetpole auf der Verbindungslinie von Ax A2. Nimmt der Strom in Ax A2 von seiner höchsten Stärke ab und in Bx B2 von Null an zu, so gehen die Pole aus der Stellung Bx B2 über Cx C2 in die Lage Ax A2 über. In dem Maße, wie jetzt wieder der Strom in Ax A2 anste igt und in Bx B2 abnimmt, gehen die Pole in 8 von Ax A2

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über Dx D, in die Stellung Bx B2. Die Magnetpole in dem Eisen­ körper 8 wandern also im Kreise herum, es entsteht ein sich drehendes Kraftfeld oder ein Drehfeld. In allen Leitern, welche sich im Bereich dieses drehenden Kraftfeldes befinden, entstehen nun in bekannter Weise (§ 20) elektromotorische Kräfte und bei geschlossenen Leitern Ströme. Ohne besondere Anordnung würden diese Ströme in Form von nutz­ losen oder schädlichen Wirbelströmen verlaufen; man kann sie aber durch richtige Lagerung der Leiter so anordnen, daß die aus Fig. 12 und 13 ersichtliche Zugwirkung der Kraftlinien des Feldes auf die stromdurchflossenen Leiter entsteht. Wird zu dem Zwecke innerhalb des Ringes 8 ein beweglicher Eisenring L angebracht, welcher an seinem Umfange in Löchern oder Nuten Kupferstäbe oder sonstwie Leiter in Form einer üblichen Ankerwicklung trägt, so erzeugt das sich drehende Kraftfeld in 8 Ströme in den Leitern auf L, und die Zugwirkung des Feldes auf diese Ströme bewirkt, daß der Ring L sich ständig dreht. Auf diese Art kann der mehrphasige Wechselstrommotor Arbeit leisten. Die bei magnetelektrischen Maschinen, mögen sie als Strom­ erzeuger oder als Kraftmaschinen dienen, übliche Unterscheidung zwischen Anker und Feldmagnet ist bei den Drehstrommotoren nicht mehr an­ wendbar, da man je nach der Auffassung jeden der Teile 8 und L sowohl als Feldmagnet wie als Anker bezeichnen kann. Es ist üblich geworden, bei diesen Maschinen die beiden Teile als feststehenden und beweglichen Teil zu unterscheiden. Ersterer, in unserer Abbildung also 8, heißt Ständer (Stator), letzterer, also L, Läufer (Rotor). Die in den Leitern des Läufers erzeugte elektromotorische Kraft und demnach auch die durch sie bewirkte Stromstärke hängt, genau wie bei der Ankenvickelung einer Gleichstrom-Dynamomaschme, von der Zahl- der Kraftlinien des magnetischen Feldes ab, die in der Zeiteinheit von dem Leiter durchschnitten werden. Nun dreht sich der Läufer L in derselben Richtung, wie das Kraftfeld im Ständer 8. Würde folg­ lich der Läufer sich mit derselben Winkelgeschwindigkeit bewegen, wie das umlaufende Kraftfeld, so ist klar, daß ein Schneiden von Kraft­ linien durch die Leiter nicht erfolgen könnte. In den Leitern entstände folglich kein Strom, und das Kraftfeld lönnte aus sie auch keine Zug­ kraft ausüben. Würden wir den Läufer durch äußeren Antrieb so schnell drehen, daß er bezüglich seiner Winkelgeschwindigkeit mit dem Kraftfeld gleichen Schritt hielte, so blieben die Leiter dauernd strom­ los. Soll also Strom in den Leitern und damit Zug auf sie entstehen, so muß der Läufer hinter dem voreilenden Kraftfelde im Ständer zurückbleiben, es muß eine Differenz in der Winkelgeschwindigkeit von Läufer und Drehfeld vorhanden sein. Diese Differenz wird der

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„Schlipf" ober die „Schlüpfung" der Maschine genannt. Bon ihrer Größe hängt die Leistung der Maschine ab. Wird der Lauser stärker belastet, so verringert er seine Umlaufsgeschwindigkeit und bleibt hinter dem Drehseid, das seine Umlaufsgeschwindigkeit unverändert bei­ behält, weiter zurück. Dadurch aber durchschneiden mehr Kraftlinien des Feldes die Leiter des Läufers, es entsteht in ihnen ein stärkerer Strom, und dieser bewirkt eine stärkere Zugkraft durch die Kraftlinien. In kürzester Zeit wird somit ein der stärkeren Belastung entsprechender Gleichgewichtszustand eintreten. Wird umgekehrt der Läufer weniger belastet, so vergrößert er seine Geschwindigkeit, der Schlipf wird kleiner, die Stromstärke in den Leitern und damit die Zugkraft der Kraft­ linien auf die Leiter wird entsprechend geringer. Der Gleichgewichts­ zustand muß also ebenfalls baldigst eintreten. Wir sehen also, daß auch der mehrphasige Wechselstrommotor immer soviel an elektrischer Energie verbraucht, wie er als mechanische Arbeit liefern muß. Der Schlipf der Maschine ist offenbar dann am größten, wenn der Läufer still steht, also auch in dem Augenblicke, wo bie Maschine angelassen wird. Es würde jetzt, sobald der Ständer 8 erregt wird, in den Leitern des Läufers ein Strom von übermäßig großer Stärke entstehen. Um dies zu verhüten, giebt man der Maschine, wie dem Gleichstrommotor, einen Anlaßwiderstand bei, der ausgeschaltet wird, sobald der Läufer seine normale Geschwindigkeit ertongt hat. In der mehrphasigen Wechselstromkraftmaschine hat also der

Läufer bad Bestreben, die DrohungSgeschwindigkeit

deS

rrnilaufenben

Kraftfeldes anzunehmen, er kann sie aber niemals erreichen. In dem Maße, wie der Läufer weniger belastet wird, nähert er sich dieser Grenze Diese Thatsache, daß Läufer und Kraftfeld einen gegebenen Winkelraum niemals zu derselben Zeit durcheilen, hat zu einer be­ sonderen Bezeichnung der Maschine geführt; man nennt sie asynchronen (ungleichzeitigen) Wechselstrommotor. Der Schlipf beträgt bei größeren Maschinen nicht über 4 %, bei kleineren geht er bis zu 10 %. Vor dem Gleichstrommotor hat die mehrphasige Wechselstromkraftmaschine mehrere bemerkenswerte Vorzüge. Sie hat weder Kommutator noch Schleifringe zur Strom Zuführung, folglich auch keine Bürsten. Die empfindlichsten und am leichtesten dem Verschleiß und Verderb ausgesetzten Teile fallen also weg. Funkenbildung ist bei der Maschine überhaupt unmöglich; sie kann deshalb auch in Räumen arbeiten, wo die Gleichstrommaschine wegen der Feuersgefahr nicht verwendbar ist, beispielsweise in Räumen, in welchen brennbare Gas und brennbarer Staub entwickelt werden Sie ist auch in hohem Grade unempfindlich gegen Nässe sowie gegen schädliche Dämpfe. Es ist nur dafür zu

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sorgen, daß die Isolierung der stromführenden Teile widerstands­ fähig ist. Die Eisenkerne sowohl des Ständers al- auch des Läufers werden, um schädliche Wirbelströme nach Möglichkeit abzuschneiden, aus geblättertem Eisen hergestellt Die Drehstrommotoren der heutigen Praxis werden nicht mit dem in Fig. 55 angenommenen zweiphasigen, sondern mit dreiphasigem Wechselstrom gespeist. Der Ständer 8 trägt alsdann 3 Spulenpaare, die sich im Durchmesser gegenüber liegen. Natürlich werden die Spulen so groß genommen, daß sie den ganzen Umfang des Ständers über­ decken. Die Umsetzung der elektrischen Energie in mechanische Arbeit ist im übrigen dieselbe. Bei der Verwendung mehrphasigen Wechselstromes in Kraft­ maschinen kommt in betracht, daß der Speisestrom aus verschiedenen, beim dreiphasigen Strom aus drei Einzelströmen von verschiedener Phase besteht, und daß jeder Einzelstrom einen besonderen Stromkreis erfordert. Würde man demnach für jeden Einzelstrom eine besondere Zu- und Rückleitung anbringen, so würde der dreiphasige Wechsel­ strommotor sechs Leitungsdrähte erfordern. Gerade beim dreiphasigen Wechselstrom läßt sich die Sache aber vereinfachen. Man kann für alle drei Ströme eine einzige gemeinsame Rückleitung anwenden, sodaß insgesamt vier Leitungen nötig sind, kann aber die Einrichtung auch jo treffen, daß für je zwei Ströme die dritte Leitung als Rückleitung dient. Die Zahl der Leitungsdrähte ermäßigt sich dann ans drei.

Hierzu ist nötig, die Enden der Spulenpaare auf dem Ständer in der Weise zu verbinden, wie es in Fig. 46 oder in Fig. 57 dar­ gestellt ist. Die Verbindung nach Fig. 56 heißt Sternschaltung, die nach Fig. 57 Dreieckschaltung. Bei der Sternschaltung heißt der

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Vereinigungspunkt K der drei Spulenenden der Knotenpunkt des Systems. Jede der drei Leitungen bient abwechselnd als Rückleitung für die in den beiden anderen Leitungen fließenden Ströme, da der Phasenunterschied der drei Ströme dies ermöglicht.

Bei der praktischen Ausführung des Drehstrommotors wird der Ständer aus Eisenblechscheiben hergestellt, die durch zwischen gelegtes Papier isoliert sind. An der Innenseite sind die Bleche mit Nuten oder Löchern versehen, welche zur Aufnahme der Spulenwicklung dienen. Für einen Dreiphasenmotor ist die Spulenwicklung dieselbe, wie die in Fig. 34 angegebene, welche zur Erzeugung von dreiphasigem Wechselstrom dient. Der Läufer ist vom Ständerumfang nur durch einen möglichst kleinen Luftzwischenraum getrennt. Der Läufer besteht ebenfalls aus Eisenblechen und trägt an seinem Umfange Nuten oder Löcher zur Aufnahme der Wickelung Gewöhnlich verwendet man zur Wickelung Kupferstäbe. Zu beiden Seiten sind diese Stäbe durch Kupferringe mit einander verbunden und dadurch kurz geschloffen. Man nennt einen solchen Läufer auch einen Kurzschlußanker. Man kann aber auch die Wickelung des Läufers zu ebensovielen Gruppen vereinigen, wie die Bewicklung des Ständers, sodaß beim Durchgang von Strom in dem Läufer ebensoviele Pole entstehen, wie im Ständer. Die einen Enden der Wickelung werden alsdann ebenfalls in Stern­ schaltung oder in Dreieckschaltung verbuiiden, die anderen werden zu drei Schleifringen, die seitlich auf der Axe befestigt sind, geführt. Der Strom kann alsdann nur dann von der einen Wickelungsgruppe zur anderen übergehen, wenn die Schleifringe mit einander verbunden sind. Diese Art der Wickelung in Verbindung mit den Schleifringen gestattet, einen Anlaßwiderstand in die Läuserbewicklung einzuschalten. Sobald der Läufer die normale Geschwindigkeit erhalten hat, wird der Anlaßwiderstand ausgeschaltet. Nur kleinere Drehstrommotoren bis zu 1,5 Pserdestärkenlerhalten einen Kurzschlußanker und brauchen keinen Anlaßwiderstand. Größere werden mit Schleifringen ausgestattet.

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Die äußere Ansicht eines Läufers ringen ist in Fig. 58 dargestellt.

mit Gruppenwicklung

113 und Schleif­

Fig- 58. Die Firma Siemens u. Halske baut Drehstrommotoren, in welcben die zu große Stromstärke in den Läuferwicklungen dadurch vermieden wird, daß der Strom in je zwei zugehörigen Wickelungen beim Anlassen entgegengesetzt gerichtet ist. (Fig. 59). Da die beiden

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Fig. 59. zusammengehörigen Spulengruppen ungleiche Windungszahl haben, bezw. räumlich gegeneinander verschoben sind, so sind die elektro­ motorischen Kräfte in ihnen ungleiche. Beim Anlassen treibt somit nur die Differenz dieser Kräfte Strom durch die Spulen. Dieser genügt, um den Läufer in Bewegung zu setzen. Hat dieser seine normale Geschwindigkeit erlangt, so werden die Spulen nach Angabe von Fig. 60 geschaltet, so daß nun der Strom in jeder Spulengruppe in gleicher Richtung fließt, also unter der vollen elektromotorischen Kraft steht. Das Umschallen geschieht entweder mit der Hand oder durch einen auf der Läuferwelle sitzenden Centrifugalregulator. Die äußere Ansicht einer solchen Maschine ist in Fig. 61 dargestellt. Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

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Fig- 61.

§ 46. Der einphasige Wechselstrommotor. Leitet man durch die Wickelung des Ständers einer Maschine wie sie im vorhergehenden § besprochen wurde, gewöhnlichen, d. h. einphasigen Wechselstrom, so kehren sich bei jedem Stromstoß die Pole in der Eisenmasse des Ständers um. Es entsteht ein schwingendes, aber kein drehendes Magnetfeld. Ein Läufer in einem solchen Felde bleibt stehen. Gibt man aber dem Läufer anderweitig eine Drehung von genügender Geschwindigkeit, so setzt er die Drehung fort und er kann Arbeit leisten. Die Maschine arbeitet jetzt wie ein Drehstrom­ motor und ist thatsächlich auch ein solcher, nur erzeugt jetzt der sich drehende Läufer selbst das Drehfeld. Der Grund für die Entstehung des drehenden Kraftfeldes ist in derselben Erscheinung zu suchen, welche im § 25 als Quermagnetisierung des Änkers bezeichnet wurde. Es seien (Fig. 62) Mt und M2 zwei Elektromagnete, welche von einphasigem Wechselstrom gespeist werden. Die magnetische Strömung ändert ihre Richtung mit dem Strom, welcher um die Eisenkerne fließt. Ist also beim ersten Stromstoß ein Nordpol, Mg ein Süd­ pol, so ist beim nächstfolgenden MT ein Südpol, M2 ein Nordpol u. s. w. Der Wechselstrom erzeugt also ein schwingendes Magnetfeld, oder, was dasselbe sagt, einen magnetischen Wechselstrom. Befindet sich nun zwischen den Polen von Mt und M2 ein Eisenring R, so entsteht durch die wechselnde magnetische Strömung abwechselnd bei At und Aj ein Südpol bezw. ein Nordpol. Ist der Ring mit

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einer Wickelung versehen und fließt durch die Wickelung ein Strom, der auf beiden Ringhälften entgegengesetzte Richtung hat, so entsteht Quermagnetisierung, und diese ist bestrebt, freie Pole bei Bx und B2 zu erzeugen. Geht Wechselstrom durch die Wickelungen der Ringhälften, so schwingen diese Pole ebenfalls, sodaß abwechselnd bei Bt bezw. B2 ein Nordpol bezw. Südpol entsteht. Bliebe nun die Hauptströmung zwischen und M2, bezw. zwischen Ax und A2, und die Quer­ strömung zwischen Bx und B2 immer unverändert stark, so würde das Zusammentreffen der beiden Strömungen die Wirkung haben, daß die Pole in dem Ring unverändert zwischen At und B2 bezw A2 und Bp etwa in der Richtung nY sp lägen. So ist es bekanntlich beim Anker der Gleichstromdynamomaschine. Die Stromstärke eines Wechselstromes steigt aber bei jedem Stromstoß von Null zu einem größten Werte an, und fällt von da wieder zu Null ab. Folglich wird die magnetische Strömung zwischen und M2 ebenfalls, dieses Verhalten zeigen, da sie ja von Wechselstrom, also von solchen Stromstößen, bewirkt wird. In dem Augenblicke aber, wo die Haupt­ strömung zwischen und M2 zu Null wird, ist die Jnduktwns-

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Wirkung auf die Wickelung des Ringes R am stärksten, (§ 20) folglich auch die Quermagnetisierung des Ringes am stärksten. Infolge­ dessen liegen jetzt die Pole nicht mehr aus der Linie slr sondern auf der Linie B2. Äleich darauf steigt die Hauptströmung zwischen und M2 wieder an, jetzt aber in umgekehrter Richtung. Die Folge ist, daß jetzt die Pole des Ringes etwa auf der Linie n2 s? liegen. Nimmt jetzt die magnetische Strömung zwischen Mx und MT wieder bis zu Null ab, so bewirkt die Quermagnetisierung die Lagerung der Pole in der Linie Bt B2. Darauf wiederholt sich das Spiel. Es kommt also nur darauf an, in der Wickelung des Ringes R Wechsel­ strom zu erzeugen, um ein Drehfeld und damit auch eine Umdrehung des Ringes zu bewirken. Ein solcher Wechselstrom entsteht aber, sobald der Ring in dem schwingenden Magnetfeld zwischen und M2 um­ läuft. Folglich wird der Ring sich weiter drehen, sobald er einmal eine solche Drehgeschwindigkeit erhalten hat, daß die Quermagnetisierung in Verbindung mit der magnetischen Hauptströmung zwischen den Feldmagneten ein Drehfeld erzeugen kann. Es ist aber klar, daß der Ring im Ruhezustände dieses Drehfeld nicht schaffen, daß also die Maschine auch nicht ohne äußeres Zuthun anlaufen kann. Um nun dem Läufer die erforderliche Umlaufgeschwindigkeit zu geben, bringt man auf dem Ständer neben der Hauptwickelung noch eine Hilfswickelung an. Diese besteht, da sie nur für den Anlauf der Maschine, also nur für kurze Zeit mit Strom gespeist wird, aus wenigen Windungen dünnen Drahtes, jedoch wird in ihr eine Spule von großer Selbstinduktion (§ 20) oder sonst ein Widerstand ein­ geschaltet. Erhalten nun Haupt- und Hülfswickelung denselben ein­ phasigen Wechselstrom, so wird dieser in den beiden Wickelungen gespalten, und es entstehen zwei Wechselströme von verschiedener Phase, da der in dem Nebenstromkreis eingeschaltete Widerstand eine Phasen­ verschiebung des Hilssstromes gegen den Hauptstrom hervorruft. Mehrphasige Ströme in der Bewicklung des Ständers erzeugen aber ein Drehseld. Folglich setzt sich der Läufer in Bewegung. Hat er seine normale Geschwindigkeit erlangt, so schaltet man die Hilfsspulen nebst dem Widerstand aus. Die Maschine läuft also als Drehstrom­ motor an und arbeitet hiernach als einfacher Wechselstrommotor. Die vorhin gemachten Bemerkungen über den Kurzschlußanker und den Anker mit Schleifringen bei Drehstrommotoren finden auch hier Anwendung. Die Abbildung Fig. 63 zeigt die praktische Ausführung eines ein­ phasigen Wechselstrommotors mit Kurzschlußanker aus der Fabrik von Helios in Köln. Die Maschine ist zerlegt. Größere Maschinen

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Fig- 63.

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erhalten, wie üblich, auf dem Läufer eine dreiphasige Wicklung mit Schleifringen zum Einschalten von Anlaßwiderstand. Bei dem einphasigen Wechselstrommotor ist stets zu berück­ sichtigen, daß das magnetische Drehfeld nur bei der Umdrehung des Läufers und nur so lange in genügender Stärke vorhanden ist, als die Geschwindigkeit des Läufers nicht unter eine bestimmmte Grenze sinkt. Nun nimmt bei steigender Belastung, wie beim Drehstrommotor, die Tourenzahl des Läufers ab, folglich wird das Drehfeld schwächer. Bei Ueberlastung wird das Drehfeld so schwach, daß der Motor stehen bleibt. Bei Beschaffung einer Maschine für Kraftleistungen, die stark schwanken, ist darauf Rücksicht zu nehmen.

§ 47.

Synchronmotoren.

Die in den §§ 28—30 besprochenen Wechselstrommaschinen, welche zur Erzeugung von ein- und mehrphasigem Wechselstrom dienen, sind, wie die Gleichstrommaschinen, umkehrbar, d. h. man kann die strom­ erzeugenden Maschinen ohne weiteres auch als Motoren verwenden. Erforderlich ist also die Herstellung eines magnetischen Kraftfeldes durch Gleichstrom. Denken wir uns, daß bei einem Drehstrommotor statt des Läufers ein mit Gleichstrom gespeister Anker angebracht wird, und daß in dem Anker zwei freie Magnetpole gebildet werden (Fig. 22). Der Anker kann von selbst anlaufen, weil das im Ständer umlaufende Drehfeld einen Zug auf die Ankerwicklung ausübt. Hat der Anker eine solche Geschwindigkeit erlangt, daß seine Pole mit den im Ständer umlaufenden Polen gleichen Schritt halten, so halten die entsprechenden Pole sich fest und der Anker dreht sich mit derselben Geschwindigkeit, wie die Pole im Ständer umlaufen. Aus diesem Grunde heißt der Motor synchron (gleichzeitig.) Die Umlaufgeschwindigkeit der Pole im Ständer hängt nur von der Wechselzahl seines Speisestromes, und diese von der Geschwindigkeit des Ankers in der Maschine ab, welche den zur Speisung des Motors dienenden Drehstrom liefert. Der Motor läuft also gleichzeitig (synchron) mit der den Strom Liefernden Maschine. Auch bei steigender Belastung muß er seine Tourenzahl belbehalten. Wird die Belastung zu groß, so bleibt er stehen. Dient als Speisestrom einphasiger Wechselstrom, so tritt dieselbe Erscheinung auf, wie beim einphasigen Asynchron-Motor, die Maschine kann nicht von selbst anlaufen, da noch kein Drehfeld vorhanden ist. Zum Anlaufen größerer Synchronmotoren bedient man sich eines kleinen Asynchronmotors.

Elektrizität.

§ 48.

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Die Wartung der magnetelektrischen Maschinen.

Eine magnetelektrische Maschine, mag sie nun zur Stromerzeugung oder als Kraftmaschine dienen, ist mechanisch unverhältnismäßig ein­ facher, als etwa eine Dampfmaschine, Gaskraftmaschine 2c.. Der be­ wegte Teil besteht in allen Fällen aus einem Ring bezw. einer Trommel, die sich mit ihrer Axe in festen Lagern dreht, ist also von der denk­ bar einfachsten Art. Die Wartung hat sich in diesem Punkte nur darauf zu beschränken, daß die Schmierung der Lager tadellos ist. Bei der großen Tourenzahl der sich drehenden Anker oder Läufer ist hierauf besonderes Gewicht zu legen. Die Lager dürfen nur ganz unerheb­ lich warm werden. Gewöhnlich wird Ringschmierung angewandt. Der Oelbehälter ist alsdann zeitweilig abzulassen und mit Petroleum aus­ zuspülen. Das Oel ist vor dem Wiedereingießen durch Filtrieren zu reinigen. Die Zähflüssigkeit des Schmieröles ist nach dem Drucke zu bemessen, mit welchem die Welle gegen ihre Lager arbeitet. Schwer belastete Ankerwellen dürfen nicht mit leichtflüssigem Oel geschmiert werden. Andererseits soll das Oel in der Kälte auch nicht zu dick­ flüssig werden. Weiterhin kommt noch in betracht, daß die Welle, von der die Maschine durch Riemen Antrieb erhält, oder welche sie durch Riemen­ übertragung treiben soll, der Anker- oder Läuferwelle der Maschine genau parallel sein muß. Die Riemen sollen gleichmäßig sein, die Enden dürfen nicht übereinander gelegt werden. Um den Riemen spannen zu können, soll die Maschine zweckmäßig auf Laufschienen durch Schrauben befestigt werden. Die übrigen Rücksichten, welche bei der Wartung der Maschine zu beobachten sind, liegen nicht aus mechanischem, sondern auf elek­ trischem Gebiete. Der Raum, in welchem eine magnetelektrische Maschine arbeitet, soll trocken sein und trocken erhalten werden. Ein Luststrom ist vorteilhaft, weil er die Maschine, die beim Betriebe stets warm wird, kühlt. Alle Teile der Maschine sollen staubfrei erhalten werden; zur Beseitigung des Staubes ist ein Handblasebalg vorteilhaft. Zum Putzen nehme man Lappen, nicht lose Putzwolle, damit keine Fasern hängen bleiben. Vor Ingangsetzen einer Maschine soll alles bewegliche Eisen, insbesondere etwa benutzte eiserne Werkzeuge aus der Nähe der magnetisch werdenden Teile der Maschine entfernt werden. Eine Sorglosigkeit in dieser Beziehung kann schwere Unfälle herbeiführen. Es ist zweckmäßig, daß das Maschinengestell nicht gegen die Erde isoliert, sondern mit der Erde gutleitend verbunden ist. Der

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Elektrizität.

Wärter wird dadurch in hohem Maße gegen elektrische Schläge geschützt. Bei Gleichstrommaschinen ist dem Kommutator besondere Sorg­ falt zuzuwenden. Es ist gut, den Kommutator zeitweilig mit einem Lappen abzureiben, der ganz wenig mit Mineralöl oder Vaselin ge­ tränkt ist. Bon den Kupfer- oder Kohlenbürsten abgeriebener Staub verursacht, wenn er sich zwischen den Segmenten ansetzt, leitende Verbindung und damit Kurzschluß. Die Bürsten sollen dem Kommu­ tator fest und deshalb mit hinreichendem Druck anliegeu, andererseits soll der Druck nicht unnötig stark sein. Kupferbürsten liegen dem Kommutator schräge an und müssen immer so gestellt sein, daß der Kommutator nicht ihnen entgegen läuft; als Kohlenbürsten dienen Platten oder Stäbe; sie werden senkrecht zum Kommutator-Durchmesser gestellt. Vielfach, namentlich bei größeren Maschinen, werden die Bürsten aus einzelnen Teilen hergestellt, die parallel auf dem Kommutator liegen und durch Zwischenräume getrennt sind. In einem solchen Falle ist es nützlich, die Teile der entgegengesetzten Bürste so zu lagern, daß sie den Zwischenräumen der ersteren gegenüberstehen; der Kommutator wird auf diese Art auf der ganzen Bürstenfläche gleich­ mäßig angegriffen. Auch ist es gut, um den Kommutator nicht ungleichmäßig abzunutzen, die Bürsten zeitweilig in der Axenrichtung des Ankers zu verstellen. Bei Bürsten, die aus einzelnen parallelen Teilen bestehen, darf während des Betriebes ein einzelner Teil Dom Kommutator abgehoben werden. Niemals darf dies mit sämtlichen Teilen oder bei ungeteilter Bürste mit der ganzen Bürste geschehen, weil sonst heftige Funkenbildung auftritt. Das schlimmste Vorkommnis ist starkes Feuern der Maschine, d. h. starke Funkenbildung am Kommutator; es kann dadurch der Kommutator in kurzer Zeit zerstört werden. Bei einer sonst richtig konstruierten Maschine läßt sich die Funkenbildung durch Verstellen der Bürsten beheben. Der Maschinenwärter hat inbezug hierauf sich mög­ lichst Erfahrung und Sicherheit anzueignen. Jede Maschine, auch in kleineren Anlagen, soll einen Stromund Spannungsmesser besitzen; der Wärter hat die Angaben beider Instrumente fortlaufend zu beobachten und darnach das Ein- und Aus­ schalten des Regulierwiderstandes zu besorgen. Beim Anlassen einer Nebenschluß-Dynamomaschine bleibt der äußere Stromkreis offen, der Regulierwiderstand ausgeschaltet. Hat die Maschine ihre normale Geschwindigkeit erreicht, so wird die Schalt­ kurbel am Regulierwiderstand so gestellt, daß der Spannungsmesser

Elektrizität.

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die erforderliche Spannung anzeigt, alsdann wird der äußere Strom­ kreis eingeschaltet. Beim Abstellen verfährt man umgekehrt. In gleicher Weise erfolgt das Anlassen und Abstellen einer Maschine mit gemischter Wickelung. Eme Hauptstrommaschine wird bei geschlossenem äußeren Stromkreis angelassen, da sonst die Feldmagnete sich nicht erregen können. Ein Nebenschlußmotor darf stets nur mit einem Anlaßwiderstande in Gang gesetzt werden, der Widerstand ist langsam und vollständig erst dann auszuschalten, wenn der Anker umläuft. Das Ausschalten muß möglichst schnell geschehen. Beim Anlassen und Ab­ stellen von Maschinen mit anderer Wickelung ist das Verfahren das­ selbe, wenn die Maschinen mit Strom aus einer Centrale gespeist werden. Wird ein Motor mit Hauptschluß- oder gemischter Wickelung von einer gleichartigen Dynamomaschine gespeist, so setzt er sich ohne weiteres in Gang, wenn diese arbeitet, und umgekehrt. Der Anlaß­ widerstand fällt fort. Der Regulierwiderstand von Gleichstrommaschinen wirkt auf die Stärke der magnetischen Strömung zwischen den Feldmagneten. $ergrößerung des Widerstandes schwächt die Strömung. Bei Strom­ erzeugern sinkt dadurch die Spannung des Stromes, bei Motoren aber erhöht sich die Tourenzahl, weil die Gegenspannung im Anker sinkt. Soll eine Gleichstrom-Dynamomaschine als Motor arbeiten, so kann dies bei einer Nebenschlußmaschine ohne weiteres geschehen, nur sind die Bürsten in der Drehrichtung des Ankers rückwärts zu ver­ stellen, bis funkenloser Gang vorhanden ist. Eine Hauptstrommaschine läuft als Motor gegen die Bürsten. Man muß deshalb, um die frühere Richtung zu erzielen, den Strom in den Wickelungen der Feldmagnete oder in denjenigen des Ankers umkehren. Bei einer Maschine mit gemischter Wickelung ist zu ihrer Verwendung als Motor die Stromrichtung in der Haupt- also dicken Wickelung der Feld­ magnete umzukehren. Die Bürstenverschiebung ist bei allen Maschinen dieselbe. Soll zu einer arbeitenden Gleichstrom-Dynamomaschine eine zweite parallel zugeschaltet werden, so muß die zweite Maschine vor der Zuschaltung auf die erforderliche gleiche Spannung gebracht werden, ehe ihre Klemmen mit den Stromsammelschienen verbunden werden. Die Maschinen erzeugen alsdann eine ihren Leistungen entsprechende größere Stromstärke. Zwei Dynamomaschinen hintereinander geschaltet geben entsprechend höhere Spannung. Hier muß die positive Klemme der ersten mit der negativen der zweiten und die negative Klemme der ersten mit der positiven der zweiten verbunden werden.'Hat beim Zuschalten einer zweiten Maschine diese noch keine oder nicht die er-

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Elektrizität.

forderliche Spannung, so erhält sie von der in Betrieb befindlichen Strom und arbeitet als Motor. Der Maschinenwärter hat insbesondere noch auf jede außer­ gewöhnliche Wärmeentwickelung an der Maschine zu achten. Jede der­ artige Erscheinung ist sofort zu melden. Tritt brandiger Geruch von verkohltem Firniß oder sonstiger Isolierung auf, so muß die Maschine sofort abgestellt werden. Wechselstrommaschinen machen im allgemeinen weniger Schwierig­ keit in der Wartung, besonders deshalb, weil sie keinen Kommutator haben. Erschwerend aber kommt für sie in betracht, daß sie in der Regel für weit höhere Spannungen gebaut werden, als Gleichstrom­ maschinen. Deshalb ist für eine sehr sichere Isolierung der strom­ führenden Teile zu sorgen, und der Wärter hat insbesondere darauf zu achten, ob irgendwo sich Jsolationsfehler zeigen. Die Schleifringe auf der Axe des Ankers sind durch vorstehende Ringe aus Hart­ gummi zu trennen, weil sonst hier ein Ueberschlagen in Form eines Lichtbogens auftritt. Das Parallelschalten zweier Wechselstrommaschinen ist anscheinend viel schwieriger, als die Vereinigung zweier Gleichstrommaschinen in dieser Schaltung. Bei letzteren ist die zuzuschaltende Maschine nur auf dieselbe Spannung zu bringen, wie sie die erste hat, bei Wechsel strommaschinen aber muß die zwelte Maschine, ehe sie mit der ersten parallel verbunden werden darf, nicht nur gleiche Spannung, sondern auch gleiche Periodenzahl und gleiche Phasenstellung haben. Bei mehrpyafigen Maschinen kommt noch hinzu, daß in beiden Maschinen auch das Drehfeld in demselben Sinne umlaufen muß. Jnbezug auf den letzten Punkt bedarf es jedoch nur einer ein­ maligen Feststellung, da eine Aenderung in der Bewegungsrichtung des Drehfeldes nicht eintreten kann, so lange die Leitungen von der Maschine zum Schaltbrett nicht vertauscht werden. Bezüglich der erforderlichen Phasengleichheit aber giebt es ein einfaches Mittel, um festzustellen, wann der richtige Augenblick zum Zusammenschalten der beiden Maschinen gekommen ist. Man nennt die Vorrichtung den Phasenindikator. Man denke sich die beiden Maschinen hintereinander geschaltet und in dem Stromkreis zwei Glühlampen in Reihenschaltung angebracht. So lange nicht Phasengleichheit vorhanden ist, werden die Lampen aufflackern und erlöschen. Dies geschieht anfangs rasch hintereinander, später in längeren Zwischenräumen, schließlich brennen die Lampen ruhig. Nun­ mehr können die Maschinen parallel geschaltet werden. Arbeiten die Maschinen, was meistens der Fall ist, auf hohe Spannung, so ist die Einschaltung der Lampen in den Stromkreis nicht ohne weiteres

Elektrizität.

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möglich. Man verwendet jetzt zwei Transformatoren, deren primäre Wickelungen mit je einer Maschine verbunden werden, und deren sekun­ däre Wickelungen hintereinander geschaltet werden und die beiden Glüh­ lampen aufnehmen. Die Transformatoren haben hierbei nur den Zweck, im sekundären Kreis eine für die Glühlampen erforderliche niedere Spannung zu erzeugen. Man kann auch die Maschinen bezw. die sekundären Stromkreise der Transformatoren, statt hintereinander, gegeneinander schalten. Die Wirkung ist dann die, daß bei Phasen­ gleichheit der Maschine die Lampen erlöschen. Eine andere Form des Phasenindikators ist eine Kupferscheibe, bie zwischen zwei Spulen dreh­ bar gelagert ist. Die eine Spule wird von der einen, die andere von der anderen Maschine erregt. Solange die beiden Maschinen noch nicht gleiche Phase haben, entsteht ein Drehfeld, welches die Kupfer­ scheibe mitnimmt. Sobald Phasengleichheit vorhanden ist, bleibt die Scheibe stehen.

§ 49.

Die Versendung und Verteilung der elektrischen

Energie. Die Versendung der elektrischen Energie von der Erzeugungs­ stelle und ihre Verteilung auf die Verbrauchsstellen erfolgt durch metallische und zwar in der Regel durch kupferne Leitungs­ drähte. Die wirtschaftlichen Rücksichten verlangen, daß beim Trans­ port möglichst wenig Energie verloren geht, und daß die zum Trans­ port und zur Verteilung dienenden Leitungen möglichst wenig kosten. Beide Forderungen lassen sich nur erfüllen, wenn man die elektrische Energie in Form sehr hoch gespannter Elektrizität versendet, also wenn die Stärke des zu befördernden Stromes sehr gering und seine Spannung sehr hoch ist. Andererseits kann man an den Verbrauchs­ stellen in den meisten Fällen die elektrische Energie in dieser Form nicht anwenden, muß vielmehr größere Stromstärke mit entsprechend niedrigerer Spannung haben. Bei Verwendung von Wechselstrom liegt die Sache sehr einfach. Man kann Wechselstrom mit beliebiger Spannung erzeugen, und durch Anwendung von Transformatoren kann man den Verbrauchsstellen Strom von beliebig niederer Spannung zusühren. Wenn also die Verbrauchsstellen im Nebenschluß zur Hauptstromzuführung liegen, so ist nur nötig, vor jeder Gebrauchsstelle oder vor einer Gruppe von Berbrauchsstellen einen Transformator anzubringen. Die Parallel­ schaltung der Verbrauchsstellen bildet bei jeder Stromart die Regel, da sie die einzelnen Stellen von einander unabhängig macht.

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Elektrizität.

Schwieriger ist die Versendung und Verteilung der elektrischen Energie bei Gleichstrom. Gleichstrom läßt sich in beliebig hoher Spannung nicht Herstellen, auch nur auf Umwegen mit besonderer Schwierigkeit umformen (§ 33). Außerdem ist auch bei Gleichstrom die Parallelschaltung der Verbrauchsapparate die Regel, muß es über­ dies sein, weil der zugesührte Strom überhaupt nicht Spannung ge­ nug hat, um mehrere hintereinander geschaltete Apparate zu speisen. Die Folge ist, daß man bei großem Verbrauch von Energie große Mengen Elektrizität mit verhältnismäßig niederer Spannung versenden muß. Will man hierbei nicht übermäßig viel Energie in Form von nutzloser Wärme verlieren, so müssen die Kupferleirungen sehr dick ge­ nommen werden. Damit aber kommt man infolge der hohen Kupfer­ preise wirtschaftlich bald an eine Grenze. Gleichstrom eignet sich des­ halb nicht für Versendung auf weite Strecken oder zur Verteilung auf ein räumlich ausgedehntes Netz. Insbesondere ist das der Fall bei einer einfachen Hin- und Nückleitung zwischen der Erzeugungs­ und der Verbrauchsstelle. Wesentliche Verbesserung bietet das Dreileiter­ und das Fünfleitersystem. Bei 'dem Dreileitersystem benutzt man 3 Leitungen, welche in Fig. 64 mit I—III bezeichnet sind. Der Mittelleiter II führt den Namen Nullleiter, weil in ihm die Elektrizität dieselbe Spannung besitzt, wie die Elektrizität der Erde. Wir nehmen diese Spannung als Nullpunkt an, ähnlich wie man bei gespanntem Dampf im Kessel die Spannung der freien Atmosphäre als Ausgangs- oder Nullpunkt

Fig. 6.4,

Fig. 65.

Elektrizität.

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110 Volt höher, und der Leiter III solche, deren Spannung 110 Bolt tiefer liegt als die der Erde. Folglich besteht zwischen den Leitern I und II und zwischen II und III ein Spannungsunterschied von je 110 Volt, und der Spannungsunterschied zwischen den Leitern I und 111 beträgt offenbar 220 Volt. Wird zwischen I und II ein strom­ verbrauchender Apparat geschaltet, so strömt die Elektrizität durch ihn in der Richtung von I nach II. Schalten wir den Apparat zwischen II und III, so strömt die Elektrizität von II nach III. Es ist üblich, die Spannung in I, die 110 Volt höher liegt, als in II, mit 110 Bolt, die Spannung in III, die 110 Volt tiefer liegt, als in II, mit — 110 Volt zu bezeichnen. Die Sache ist ähnlich, wie bei Temperaturunterschieden. Nehmen wir an, in II herrsche die Tem­ peratur 0°, in I sei sie 110° höher, in III 110° tiefer, so sagt man, die Temperatur betrage in I -j- 110°, in III — 110°. Zwischen I und II, sowie zwischen II und III ist ein Temperaturunterschied von je 110° und zwischen I und III ein solcher von 220° vorhanden. Apparate, welche einen Strom von 110 Volt Spannung er­ fordern, können also beliebig zwischen I und II oder zwischen II und III parallel geschaltet werden, doch ist thunlichst dafür zu sorgen, daß die Leiter I und III gleichmäßig belastet werden, sie also gleichviel Strom zu transportieren haben. Das Fünfleitersystem ist eine Erweiterung oder Verdoppelung des Dreileitersystems. Es sind die in Fig. 65 angedeuteten 5 Leiter I—V vorhanden. Der Leiter III ist der Mittelleiter; die Leiter II und I führen Elektrizität, welche um je 110 Volt höher gespannt ist, die Leiter IV und V solche nut je 110 Bolt tieferer Spannung. Zwischen je zwei benachbarten Leitern ist also wieder ein Spannungs­ unterschied von 110 Volt vorhanden; zwischen den beiden äußersten Leitern I und V beträgt der Spannungsunterschied 440 Volt. Beim Dreilettersystem brauchen die Leiter I und III nur die Hälfte, beim Fünfleitersystem die Leiter I, II, IV und V nur je ein Viertel des Stromes gegenüber einem Zweileitersystem zu befördern. Da nun die Wärmeerzeugung in einem stromführenden Leiter im quadratischen Verhältnis zur Stromstärke wächst und abnimmt, demnach auch die erforderlichen Leiterquerschnitte im selben Verhältnis zu- und abnehmen, so liegt der Vorteil dieser Mehrleitungssysteme aus der Hand.

§ 50. Das Messen der elektrischen Energie. Bei ruhender Elektrizität setzt sich die Energie zusammen aus der gegebenen Elektrizitätsmenge und aus ihrer Spannung. Die Maß-

Elektrizität.

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einheit für sie ist das Voltcoulomb oder Joule. (§ 13.) Für die praktische Verwendung kommt diese Art der elektrischen Energie nicht in betracht. Bei strömender Elektrizität besteht die Energie aus der Menge der in einer gegebenen Zeit gelieferten Elektrizität und aus der Spannung, mit welcher sie geliefert wurde. Die in der Zeiteinheit (— 1 Sekunde) gelieferte Elektrizitäismenge ist gleichbedeutend mit der Stromstärke. Es kommen sonach drei Meßinstrumente in betracht und zwar

1. Instrumente zum Messen der Stromstärke oder Strommesser, 2. Instrumente zum Messen der Spannung oder Spannungsmesser, 3. Instrumente zum Messen der verbrauchten Energie oder Verbrauchs­ messer. Da die Stromstärke in Ampere, die Spannung in Volt, die Energie in Watt ausgedrückt wird, so nennt man die Instrumente auch bezw. Amperemeter, Voltmeter und Wattmeter bezw. Watt­ stundenzähler. Das Verhalten von Gleichstrom und Wechselstrom inbezug auf Stromstärke und Spannung und damit auch inbezug auf Verbrauch ist ein verschiedenes. Es ist deshalb bezüglich der Meßinstrumente für beide Stromarten zu unterscheiden. Es sollen hier nur die zum technischen Gebrauch dienenden Meßinstrumente berücksichtigt werden.

§ 5L

Strommesser für Gleichstrom.

In allen Fällen kann die Stärke eines durch eine Leitung gehenden Stromes nur durch die Wirkungen gemessen werden, welche der Strom ausübt, und die sich im Verhältnis der Stromstärke ändern. Zu diesen Wirkungen gehören:

a) Die Ablenkung einer Magnetnadel. Eine in der wagerechten Ebene frei bewegliche Magnetnadel stellt sich bekanntlich unter dem Einfluß des Erdmagnetismus in die Richtung des magnetischen Meridians, d. h. in die Richtung NordSüd. Führt man um die Nadel einen stromdurchflossenen Draht, so wird die Nadel abgelenkt. Zwischen der Stärke des durch den Draht gehenden Stromes und der Größe des Winkels, um welchen die Nadel abgelenkt wird, besteht eine Beziehung, die als Maß für die Stromstärke benutzt werden kann. Es werden aufgrund dieser That-

Elektrizität. fache Meßinstrumente hergestellt, welche äußerst sicher und genau beiten, sie sind aber als Betriebsinstrumente nicht in Gebrauch.

127 ar­

b) Die Einwirkung eines durch den Strom erzeugten Kraft­ feldes auf ein im Felde befindliches bewegliches Eisenstück oder auf eine stromdurchflossene Spule. Zwei mit ungleichen Polen gegenüber gestellte Magnetpole er­ zeugen das in Fig. 9 dargestellte Kraftfeld. Die Stärke dieses Feldes, d. h. die Stärke der von Pol zu Pol gehenden magnetlschen Strömung hängt, wenn als Magnet Elektromagnete (§ 16) genommen werden, ab von den Amperewindungen, also bei gegebener Zahl der Windungen von der Stärke des durch die Windungen gehenden Stromes. Bringen wir nun in dieses Feld, und zwar im Mittelpunkt der Verbindungs­ linie beider Polenden, einen in der wagerechten Ebene frei beweglichen Eisenstab so an, daß er senkrecht zu der Rlchtung der Kraftströmung steht, so sucht ihn die Strömung solange zu drehen, bis er in der Richtung der Verbindungslinie der beiden Pole steht. Die Kraft, mit welcher diese Drehung erfolgt, hängt ab von der Stärke des Kraft­ feldes, also auch von der Stärke des das Kraftfeld erzeugenden Stromes. Als Gegenwirkung, welche den Elsenstab in der Richtung senkrecht zu den Kraftlinien zu erhalten sucht, benutzt man die Kraft einer elastischen Feder oder die Schwerkraft. Die Drehung des Eisen­ stückes wird von seiner Drehungsaxe aus auf einen Zeiger übertragen, der auf einer Skala einspielt. Die Einteilung der Skala muß natürlich auf dem Wege des Vergleichs mit einem Normalinstrument ermittelt, also geaicht werden. Statt des Eisenstückes kann auch eine Spule genommen werden, die ebenfalls von dem zu messenden Strom durchflossen wird. Die praktischen Ausführungssormen der auf diesem Grund­ gedanken beruhenden Instrumente sind außerordentlich mannigfaltig.

c) Die Anziehung eines Eisenstückes durch eine stromdurch­ flossene Spule. Eine stromdurchflossene Spule wirkt wie ein Magnet. (§ 16) Hängt man über eine senkrecht gestellte Spule ein Eisenstäbchen, so wird es beim Durchgang des Stromes in die Höhlung der Spule hineingezogen. Bei gegebener Wmdungszahl der Spule hängt die Größe des Zuges von der Stärke des Stromes ab. Als Gegenkraft, welche das Elsenstäbchen aus der Spule herauszubewegen sucht, benutzt man, wie unter b, den Zug einer Spiralfeder oder die Schwer-

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Elektrizität.

kraft. Auch hier sind die praktischen Ausführungssormen der Instrumente sehr mannigfaltig. d) Die Einwirkung zweier stromdurchflossener Spulen

auseinander.

Bringt man im Innern einer festgelagerten Spule eine zweite frei drehbare an, und schickt man durch die Spulen einen Strom, so sucht sich die bewegliche Spule gleichaxig mit der festen zu stellen. Eine ständige Gegenkraft aber sucht sie senkrecht zu dieser Richtung "zu erhalten. Bringt man zwei stromdurchflossene Spulen parallel über oder unter einander an, so ziehen die Spulen sich an oder stoßen sich ab, je nach der Richtung der durchgehenden Ströme. Beide Wirkungen werden zum Messen der Stärke des durch die Spulen gehenden Stromes benutzt.

e) Die Erwärmung und die darauf beruhende Längenvercrnderuug eines stromdurchflossenen Drahtes.

Jeder von einem Strom durchflossene Draht wird erwärmt^ da zur Ueberwindung seines Leitungswiderstandes Energie verbraucht wird. Bei gegebenem Widerstand steht die erzeugte Wärme und damit die Temperaturerhöhung des Drahtes in bestimmtem Verhältnis zur Stärke des durchgehenden Stromes. Bei der Erwärmung verlängert sich der Draht. Wird also das eine Ende des eingespannten Drahtes am Umfang einer Rolle befestigt, die ein Gewicht entgegengesetzt zu drehen sucht, so dreht sich die Rolle in der einen oder unbeien Richtung, je nachdem der Draht sich verlängert oder verkürzt, also in dem Maße, wie die Stärke des Stromes im Draht sich ändert. In­ strumente dieser Art heißen H i tz d r a h t m e s s e r; sie sind außer­ ordentlich einfach, bequem und sicher und werden in neuerer Zeit vorwiegend zu Meßinstrumenten im Betriebe benutzt. Die Drehung, der Rolle wird wieder auf einen Zeiger übertragen, der auf einer durch Versuch ermittelten Skala spielt. f) Die chemische Wirkung des elektrischen Stromes.

Jede Lösung einer chemischen Verbindung, welche der Strom leitet, wird durch den Strom zersetzt (§ 35). Enthält beispielsweise die Lösung eine Silber- oder Kupferverbindung, so wird an der Kathode' (§ 36) Silber bezw. Kupfer als Metall abgeschieden. Die ausgeschiedene Metallmenge hängt ab von der Menge der durch die Flüssigkeit geführten Elektrizität und bildet ein außerordentlich genauesund zuverlässiges Mittel zur Messung der Stärke des Stromes. Meß-

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Elektrizität.

Instrumente dieser Art heißen Voltameter; sie sind von allen die genauesten, ober für den praktischen Gebrauch und besonders für den Betrieb nicht verwendbar. Sie sind aber besonders geeignet, andere und zwar für die Praxis bestimmte Instrumente zu aichen. Zum Messen starker und sehr starker Ströme ist es nicht oder nicht immer möglich, den zu messenden Strom in seiner ganzen Stärke durch das Meßinstrument zu führen. Man bringt in solchen Fällen das Meßinstrument im Nebenschluß in einer Zweigleitung parallel zu einem bestimmten und bekannten Widerstand an, so daß es einen bestimmten und bekannten Teil dieses Stromes mißt. Durch einfache Rechnung ergiebt sich dann die Stärke des Hauptstromes. Es steht natürlich nichts int Wege, bei Zeigerinstrumenten, d. h. bei den im Betriebe benutzten Meßinstrumenten, die Skala so zu aichen, daß man unmittel­ bar auf ihr die Stärke des Hauptstromes ablesen kann.

§ 52.

Spannungsmesier für Gleichstrom.

Nach dem Ohm'schen Gesetz (§ 10) hängt die Stärke des eine Leitung durchfließenden Stromes ab von der treibenden Kraft, also von der Spannung, unter welcher der Strom stehl, und von dem Widerstände, den die Leitung der Fortbewegung der Elektrizität entgegensetzt. Wenn demnach in einer gegebenen Leitung, bereu Wider­ stand also unveränderlich ist, die Stärke des durchfließenden Stromes zu oder abnimmt, so muß daraus geschlossen werden, daß die Spannung in gleichem Maße sich geändert hat. Demnach kann die Aenderung der Stromstärke als Maß für die Spannungsänderung benutzt, d. h. ein Strommesser kann gleichzeitig als Spannungsmesier gebraucht und entsprechend geaicht werden. Es ist damit ähnlich, wie mit dem Zusammenhang zwischen Spannung unb Wärmegrad von gesättigtem Wasserdampf, also des Wasserdampfes im Dampfkessel. Mit dem Wärmegrad steigt die Spannung des Dampfes. Man könnte also mit einem Manometer auch die Temperatur und mit einem Thermo­ meter auch die Spannung des Dampfes messen. Die Strommesser, welche auf den im § 50 angegebenen Wirkungen des Stromes beruhen, können deshalb auch als Spannungsmesser dienen, sie müssen nur eine entsprechend eingeteilte Skala haben. Im Betriebe benutzt man vor­ wiegend die Hitzdrahtinstrumente, oder diejenigen, in welchen die Mesiung auf der Anziehung bezw. Abstoßung von weichem Eisen beruht.

§ 53.

Strom- und Spannungsmesier für Wechselstrom.

Wechselströme bestehen aus einzelnen Stromstößen, die abwechselnd in entgegengesetzter Richtung erfolgen. Bei jedem Stoß steigen Spannung Spennrath, Wartung elektr. Maschinen.

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Elektrizität.

und Stromstärke von Null zu einem höchsten Werte an und fallen von da wieder bis zu Null ab. Der Verlauf ist bildlich in Fig. 30 dargestellt. Spannung und Stromstärke ändern sich somit stetig, wes­ halb man nicht ohne weiteres von der Spannung und der Stärke eines Wechselstromes reden kann. Bei einem durch eine Leitung gehenden Gleichstrom hängt die Stromstärke bei gegebener Spannung nur von dem Leitungswiderstande ab, bei einem Wechselstrom aber kommt zu dem Leitungswiderstande noch eine weitere Gegenwirkung, die Selbstinduktion (§ 20). Sie ent­ steht dadurch, daß die beim Steigen und Fallen des Stromes von jedem Punkte der Leitung ausgehenden und zu ihm zurückkehrenden Kraftlinien (Fig. 4) benachbarte Teile der Leitung schneiden und dadurch elektromotorische Kräfte Hervorrufen. Die aus der Selbst­ induktion entstehenden Gegenwirkungen erzeugen keinen Energieverlust, aber sie bewirken eine Aenderung im Verlauf des Stromes, insbesondere auch, daß die Stromstärke im einzelnen Zeitpunkte nicht der in diesem Augenblicke bestehenden elektromotorischen Kraft entspricht, sodaß beispiels­ weise die Stromstärke ihren höchsten Wert erreicht, nachdem die elektromotorische Kraft ihren höchsten Wert bereits überschritten oder auch noch nicht erreicht hat. Man sagt in einem solchen Falle, zwischen der elektromotorischen Kraft und der Stromstärke eines Wechselstromes finde eine Phasenverschiebung statt. Der Verlaus der elektromotorischen Kraft eines Wechselstromes während einer Periode wird durch dieselbe Kurve wie in Fig. 30 bildlich dargestellt. Zelchnet man Stromstärke und Spannung für denselben Strom unter Zugrundelegung derselben Linienmaßgrößen auf, so fallen beide Kurven zusammen, wenn keine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Stromstärke vorhanden ist. Besteht die Verschiebung, und eilt etwa die Stromstärke hinter der Spannung her, so beginnt die Kurve für die Stromstärke später. Die Energie eines elektrischen Stromes ist in einem gegebenen Augenblick im allgemeinen das Produkt aus Stromstärke und Spannung. Bei einem Gleichstrom ist das stets zutreffend, denn in jedem Augenblick hat ein Gleichstrom die nach dem Ohm'schen Gesetz aus seiner Spannung sich ergebende Stromstärke. Bei einem Wechselstrom aber kann im gege­ benen Augenblicke aus der Spannung nur dann die zugehörige Stromstärke nach dem Ohm'schen Gesetz hergeleitet werden, wenn im Verlauf von Spannung und Stromstärke keine Phasenverschiebung herrscht. Die Energie eines Wechselstromes mit Phasenverschiebung ist deshalb nicht gleich dem Produkt aus Stromstärke und Spannung, sondern stets kleiner. Die aus beiden Größen berechnete sog. schein­ bare Energie des Wechselstromes ist deshalb immer mit einer zwischen

Elektrizität.

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0 und 1 liegenden Größe, also mit einem echten Bruch zu multipli­ zieren, um die wirkliche oder effektive Energie des Stromes zu erhalten. Man nennt diese Größe den Phasensaktor. Sie ergiebt sich im einzelnen Falle durch Rechnung aus der Größe der Phasenverschiebung, kann aber hier nicht hergeleitet werden. Die besprochenen Eigentümlichkeiten eines Wechselstromes nötigen, beim Messen desselben bezüglich der Bedeutung der erhaltenen Ergeb­ nisse gewisse Vorbehalte zu machen. Senden wir Wechselstrom durch einen Leitungsdraht, so erzeugt er in ihm Wärme, genau wie ein Gleichstrom, denn die Wärmeerzeugung durch strömende Elektrizität ist von der Stromrichtung unabhängig. Denken wir uns nun, daß wir etwa 1 Minute lang einen gegebenen Wechselstrom durch einen Leiter geschickt und die dadurch erzeugte Wärme auf irgend eine Art genau bestimmt haben. Es iss klar, daß wir dieselbe Wärmemenge in dem Leiter in derselben Zeit auch durch einen Gleichstrom erzeugen können, und wir können ferner durch Rech­ nung genau ermitteln, welche Stärke der Gleichstrom haben muß, um diese Wärme hervorzubringen. Die Stromstärke nun, welche ein Gleichstrom haben müßte, um während einer bestimmten Zeitdauer in einem Leiter dieselbe Wärme zu erzeugen, wie sie der Wechselstrom wirklich erzeugt, nennt man bie effektive Stärke des Wechselstromes. Wenn wir also von der Stärke eines Wechselstromes sprechen, so verstehen wir darunter stillschweigend eine gewisse mittlere Stärke, wie sie ein Gleichstrom haben müßte, der dasselbe leistet, wie der WechselstromBezüglich der Spannung eines Wechselstromes liegt die Sache ähnlich. Auch hier verstehen wir unter der am Meßinstrument ab­ gelesenen Spannung eine bestimmte mittlere Spannung. Für die Wartung elektrischer Anlagen, die mit Wechselstrom gespeist werden, ist es aber von Wichtigkeit zu berücksichtigen, daß bie Spannung, welche der Strom annimmt, und welche dementsprechend die Isolierung der Leitung auszuhalten hat, bis zu weit höheren Werten ansteigt, als sie am Meßinstrument verzeichnet werden. Verzeichnet beispiels­ weise das Instrument 1000 Volt mittlere Spannung, so steigt die Spannung in Wirklichkeit bis zu 1400 Volt an und höher. Am besten geeignet für Betriebsmessungen bei Wechselstrom­ anlagen sind die Hitzdraht-Strom- und Spannungsmesser. In ihrer Einrichtung und Wirkungsweise stimmen sie mit den gleichnamigen Instrumenten für Gleichstrom überein. Sie sind unabhängig von der Periodenzahl des Stromes und von dem Verlauf von Stromstärke und Spannung während einer Periode. Sie kommen deshalb auch

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mehr und mehr zur Verwendung. Andere für Wechselstrom benutzte Strom- und Spannungsmesser beruhen auf der Anziehung bezw. Ab­ stoßung von weichem Eisen oder auf der Drehwirkung, welche eine feste Spule auf eine in ihr drehbar gelagerte ausübt (§ 5Id), wenn beide Spulen vom Strom durchflossen werden. Da bei jedem Strom­ stoß die Stromrichtung an beiden Spulen sich umkehrt, so bleibt die Drehwirkung dieselbe, d. h. die bewegliche Spule wird immer im selben Sinne gedreht. Diese Instrumente unterliegen jedoch der Ein­ wirkung der Selbstinduktion, also insbesondere der Frequenz des Wechselstromes. Man kann deshalb für Gleichstrom bestimmte In­ strumente nicht ohne weiteres für Wechselstrom benutzen, muß sie vielmehr hierzu besonders aichen. Meßinstrumente, welche auf der Ablenkung der Magnetnadel und die, welche aus der Zersetzung chemischer Verbindungen durch den Gleichstrom beruhen, sind für Wechselstrom nicht verwendbar.

§ 54.

Euergiemesser und Energieverbrauchsmeffer.

Die Größe der von strömender Elektrizität transportierten Energie ist bei einem Gleichstrom sehr leicht zu bestimmen; sie ist stets das Produkt aus Stromstärke und Spannung, wird also erhalten, indem man die vom Strommesser angezeigte Zahl der Ampere mit der vom Spannungsmesier angezeigten Zahl der Volt multipliziert. Ein Strom von 10 Ampere mit einer Spannung von 110 Volt besitzt eine Energie von 10X110 — 1100 Watt. Für Wechselstrom berechnet sich die Größe der Energie tu gleicher Weise aus der effektiven Strom­ stärke und aus der effektiven Spannung, wie sie am Strom- und Spannungsmesser abgelesen werden, sofern keine Phasenverschiebung zwischen Stromstärke und Spannung vorhanden ist. Besteht eine solche, so muß man bei der Berechnung den Phasenfaktor (§ 53). berück­ sichtigen. Es giebt Instrumente, sog. Wattmeter, welche die Größe der Energie direkt messen, sie finden aber im Betriebe keine Ver­ wendung. Hervorragend wichtig aber sind, namentlich wenn es sich um die Verteilung elektrischer Energie durch eine Centrale an eine Anzahl von Abnehmern handelt, die Verbrauchsmesser. Sie sollen angeben, welche Energiemenge ein Abnehmer während einer gewissen Zeit verbraucht hat. Man nennt sie auch Wattstundenzähler. Eines der ältesten hierhin gehörigen Instrumente ist der Watt­ stundenzähler von Aron. Er enthält zwei gleiche gewöhnliche Uhrwerke mit gleich langen Pendeln. Eines der Pendel trägt unten eine Spule,

Elektrizität.

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und unter ihm befindet sich fest gelagert eine zweite Spule. Durch die letztere geht der Hauptstrom, die Spule am Pendel liegt im Nebenschluß, also parallel. Geht kein Strom durch die Spulen, so ist die Schwingungsdauer der beiden Pendel dieselbe. Werden aber die Spulen vom Strom durchflossen, so ziehen sich die Spulen an, und das spulentragende Pendel schwingt infolgedessen schneller. Der Gang­ unterschied der beiden Uhrwerke wird durch ein drittes Uhrwerk auf ein Zählwerk übertragen. Der Apparat dient sowohl für Gleichstrom, wie für Wechselstrom, da bei den entgegengesetzten Stromstößen der Strom in beiden Spulen seine Richtung umkehrt, die Anziehung also dieselbe bleibt. Die zweite neuere Art der Wattstundenzählers besteht aus kleinen Elektromotoren. Das magnetische Kraftfeld wird von dem Hauptstrom gebildet, die Ankerwickelung liegt im Nebenschluß. Um den Gang des Ankers gleichmäßig zu erhalten, wird der Anker gebremst. Zu dem Zwecke trägt die Ankeraxe auf ihrer Verlängerung eine dünne Scheibe aus Kupfer oder Aluminium, welche sich zwischen Stahlmagneten oder Elektromagneten bewegt. Die durch ihre Bewegung im magnetischen Feld hervorgerufenen Wirbelströme hemmen die Scheibe. Die Um­ drehungen des Ankers werden in üblicher Weise auf ein Zählwerk übertragen. Als Wattstundenzähler für Wechselstrom benutzt man asynchrone Motoren (§ 45), also Motoren, deren Anker unter Einfluß eines Drehfeldes umläuft. Bei mehrphasigem Wechselstrom arbeitet dieser Apparat wie jeder asynchrone Motor ohne weiteres, bei einphasigem Strom wird, um ein Drehfeld zu erzeugen, in dem Nebenschluß des Stromes eine Drosselspule eingeschaltet (§ 20), welche eine Phasen­ verschiebung vom Haupt- und Nebenstrom hervorruft. Die Brems­ scheibe ist, wie üblich, vorhanden. Ein Motorzähler für einphasigen Wechselstrom von Schuckert in Nürnberg ist in Fig. 66 dargestellt. Der Anker besteht aus einer Metallscheibe, unter ihr liegt die Hauptstromspule, über ihr befinden sich von einem I-förmigen Träger gehalten, Hufeisenmagnete, auf welche die Nebenschlußwickelungen aufgeschoben werden. Das Hufeisen mit großem Eisenquerschnitt erhält eine sehr große, das andere eine kleine Windungszahl. Das Haupthufeisen ist unmittelbar, das Hülfshufeisen unter Vorschalten eines induktionsfreien Widerstandes an die Betriebsspannung angeschlossen. Infolge dessen entsteht in dem Haupt­ hufeisen ein Kraftfeld mit großer und im Hulfshufeisen ein solches mit geringer Phasenverschiebung gegen die Betriebsspannung. Das Kraftfeld der Hauptstromspule und diejenigen der beiden Nebenspulen

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erzeugen Drehfelder, welche die Scheibe in Bewegung setzen. Die Scheibe bewegt sich vor den Polen eines Stahlmagneten und wird da­ durch gebremst.

Fig. 66.

8 55.

Die Jsolationsprüfung.

Von großer Wichtigkeit, deren insbesondere der Wärter einer elektrischen Anlage stets eingedenk sein soll, ist es, daß Energieverluste durch Undichtigkeiten in der Leitung verhütet werden. Undichtigkeiten in einer elektrischen Leitung sind Stellen, an denen stromführende Teile gegen stromlose oder unter geringerer Spannung stehende nicht hinreichend, d. h. so stark isoliert sind, daß infolge des Spannungs­ unterschiedes kein Uebertritt von Strom erfolgen kann. Die Gefahr eines dadurch entstehenden Verlustes steigt natürlich in dem Maße, wie die Spannung des transportierten Stromes überhaupt größer ist. Jsolationsfehler und Jsolationsbeschädigungen können zu schweren Störungen führen. Es kommt vor, daß während des Betriebes die Sicherungen häufig durchschmelzen, die Lampen trotz des vom Strom­ messer angezeigten großen Stromverbrauchs schwach brennen, die Dy­ namomaschine übermäßig heiß wird und sich an den Bürsten starke Funken-

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bildung zeigt. Hier ist stets auf Stromverluste durch Undichtigkeiten in der Leitung zu schließen. Die Jsolationssehler zeigen sich in der Regel bei unterirdischen Leitungen in den Verbindungs- und Abzweigmuffen und in den Kabel­ kasten, wenn diese nicht vollständig mit Jsoliermasse angesüllt sind und deshalb der Feuchtigkeit Zutritt gewähren, auch an den Endver­ schlüssen, die undicht werden können. Bei oberirdischen Leitungen liegen die Fehler meistens in den Mauerdurchführungen und in den Glüh­ lichtarmaturen Infolge der fortgesetzten kleinen Erschütterungen wird die isolierende Hülle der Leitungsdrähte allmählich durchgerieben; in feuchten Räumen schlägt sich Wasser auf den Armaturen nieder, welches einen Kurzschluß, bezw. eine leitende Verbindung mit der Erde her­ stellt. Ist die Leitung fehlerfrei und ist nach Angabe des Strommessers doch aus Jsolationssehler zu schließen, so können diese nur in den strom­ verbrauchenden Apparaten, Lampen, Motoren etc. liegen, oder in der Leitung von der Maschine zum Schaltbrett. Die Jsolationsprüfung geschieht nun stets in der Weise, daß man den zu untersuchenden Jsolationswiderstand in einen Stromkreis einschaltet, der von einer fremden Stromquelle gespeist wird, und in diesem Stromkreise ein äußerst empfindliches Meßinstrument einschaltet, d. h. ein Instrument, welches auch äußerst geringe Strommengen, die durch den Stromkreis und somit auch durch den zu prüfenden Wider­ stand gehen, anzeigt. Es kommt dabei nicht darauf an, daß das In­ strument die Stärke des durchgehenden Stromes genau mißt, es ge­ nügt, daß es einen Stromdurchgang überhaupt nur anzeigt. Man verwendet dazu ein Instrument, welches auf der Ablenkung einer Mag­ netnadel durch den Strom beruht (§ 51 a). Die Empfindlichkeit eines solchen Instrumentes hängt von der Anzahl der Windungen ab, in welchen der Leitungsdraht um die Nadel geführt ist. Als Stromquelle benutzt man eine Batterie von Trockenelementen. Von der Firma Siemens & Halske in Berlin ist ein Isolations­ prüfer für den Gebrauch im Betrieb hergestellt worden, der einfach, leicht transportabel und handlich ist. Er ist im Nachstehenden beschrieben. Ein verschließbarer Schutzkasten (Fig. 67) von 15 cm Breite und Tiefe und 20 cm Höhe mit Traggriff enthält die Teile des Apparates: Galvanoskop, die Batterie und die Tasten zum Schließen des Strom­ kreises. Der Deckel des Kastens läßt sich zurückklappen. Das Galvanoskop besteht aus einer kurzen Magnetnadel, die aus einer feinen Stahlspitze frei drehbar ist. Ein rechtwinklig zu ihrer Längsrichtung gestellter Aluminiumzeiger spielt über der Gradskala des

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Galvanoskops. Durch Rechtsdrehen einer seitlich an der Galvanoskop­ kapsel vorstehenden Schraube, die auf einen Hebel wirkt, kann die Magnetnadel emporgehoben und festgeklemmt werden, damit beim Tragen des Instrumentes die fein gearbeitete Spitze keine Beschädigung erleidet.

Fig- 67. Die Spule des Galvanoskops trägt zwei Kupferdrahtwicklungen, eine aus vielen Windungen feinen Drahtes für die hohe Empfindlich­ keit (große Jsolationswiderstände bis 20 Millionen Ohm) und eine darüber liegende für die geringe Empfindlichkeit (Widerstände unter etwa 400 000 Ohm). Im Stromkreis von Batterie und Galvanoskop ist noch ein fester Widerstand eingebaut, der zur Sicherheit der Ele­ mente dient, damit nicht bei Kurzschluß an den Klemmen und gleich­ zeitigem Druck einer Taste ein zu hoher Strom auftritt, der die Ele­ mente erschöpfen könnte. Die Teile des Galvanoskops sind in eine runde Kapsel einge­ schlossen. In der Mitte des Hartgummisockels -dieser Kapsel ist ein Messingzapfen angeschraubt, der sich in einer die Grundplatte durch­ setzenden Hülse dreht und zugleich durch eine eingelegte Spiralfeder abwärts gezogen wird. Auf diese Weise wird das um eine senkrechte Axe drehbare Galvanoskop federnd gegen drei Fußschrauben gedrückt, deren Muttern in die Grundplatte unten eingelassen sind. Die vordere

Elektrizität.

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Fußschraube ist festgestellt; mit Hilfe der beiden seitlich stehenden FußIchrauben läßt sich das Galvanoskop nach einer oben auf seiner Glas­ platte befestigten Dosenlibelle richtig einstellen. In den Hartgummi­ sockel des Galvanoskops sind zwei koneentrische Metallringe isoliert eingelassen, von denen der innere bei der Drehung des Galvanoskop­ gehäuses auf der vorderen Fußschraube, der äußere auf den beiden hinteren Fußschrauben schleift. Die Batterie besteht aus 9 Trockenelementen; sie ist in dem unteren, durch eine Hartgummiplatte verschlossenen Teile des Schutz­ kastens angebracht. Um — beispielsweise zur Auswechselung eines Elementes — zu ihr zu gelangen, muß man die Schrauben, welche die Hartgummiplatte ut dem Schutzkasten festhalten, lösen und den Kasten nach unten hin abziehen. Var dem Galvanoskop ist auf der Grundplatte eine aus vier Messingklötzen bestehende Schaltvorrichtung angebracht. Die beiden äußeren Klötze tragen die Anschlußklemmen für den zu prüfenden Jsolationswiderstand; von dem rechten Klotz aus greifen zwei Messing­ tasten nach den beiden mittleren Klötzen hinüber, sodaß durch Nieder­ drücken der mit den Ziffern I und II versehenen Tastknöpfe der eine oder der andere der beiden mittleren Klötze mit dem rechten Schalt­ klotze leitend verbunden werden kann. Schaltung (vergl. Fig. 68). Der positive Pol der Trocken­ batterie ist an den linken Schaltklotz, der negative Pol an eine unter­ halb des Galvanoskops auf dem Grundbrett befestigte Widerstaudsrolle angeschlossen. Von der Widerstaudsrolle wird der Strom durch den Drehzapfen der Galvanoskopkapsel in die aus wenigen Windungen bestehende Wickelung der Spule eiugeleitet Der gemeinschaftliche End­ punkt der ersten und Anfangspunkt der zweiten Wickelung ist an den äußeren Schleifring des Sockels angeschlossen und steht durch die linke Fußschraube mit dem unter Taste I liegenden Schaltklotz in Ver­ bindung. Das Ende der viele Windungen enthaltenden Spulen­ wickelung ist zu dem inneren Schleifring geführt; von diesem Schleif­ ring aus geht die Stromleitung durch die vordere Fußschraube zu dem unter Taste II liegenden Schaltklotz. Dadurch wird erreicht, daß bei jeder Stellung des Galvanoskopgehäuses durch Herabdrücken der Taste I nur die aus wenigen Wickelungen bestehende Spule, durch Herabdrücken der Taste II beide Spulenwickelungen hintereinander in den Stromkreis eingeschaltet werden. Taste I liefert somit geringe, Taste II hohe Empfindlichkeit des Galvanoskops. Da bekanntlich elektrische Ströme, Magnete und Eisenmassen aus die Magnetnadel emwirken, so darf beim Gebrauch das Instrument

138

Elektrizität.

nicht da aufgestellt werden, wo es diesen Einwirkungen ausgesetzt ist. Zu einer Jsolationsprüfung verbindet man die Anschlußklemmen durch etwa 1 mm dicke Kupferdrähte mit dem zu prüfenden Isolations­ widerstand. Diese Verbindungsdrähte müssen gut isoliert sein, da man sonst nicht den Widerstand der zu prüfenden Isolierung, sondern denjenigen der Isolierung dieser Drähte als Ergebnis erhalten würde. Durch Drehen der Fußschrauben stellt man das Galvanoskop so ein, daß die Luftblase der Dosenlibelle nahezu auf der Mitte einspielt, löst die seitlich an der Galvanoskopkapsel hervorragende Arretierungsschraube, sodaß die Magnetnadel frei schwingt, und dreht das Galvanoskopgehäuse,

TrockeneIcmenLc

Fig- 68.

um seine senkrechte Axe, bis der Zeiger der Magnetnadel auf den Mittelpunkt der Skala zeigt. Durch Herabdrücken der Taste I schaltet man nun zunächst die weniger empfindliche Spulenwickelung des Strom­ kreises ein und liest den Zeigerausschlag ab Auf dem Deckel des Instrumentes ist eine AichungStabelle befestigt, auf der man den dem beobachtenden Ablenkungswinkel entsprechenden Jsolationswiderstand in Ohm verzeichnet findet. Erhält man beim Herabdrücken der Taste I eine zu kleine Ablenkung des Zeigers, so drückt man Taste II nieder,

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139

schaltet also die ganze Galvanoskopwickelung ein. Das Herabdrücken der Tasten soll nicht länger dauern, als zur Ablesung vom Galvanos­ kop nötig ist. Es geschieht dies, um die Elemente der Batterie zu schonen und lange brauchbar zu erhalten. Es ist vorteilhaft, beim Messen von Jsolationswiderständen zwei Messungen mit vertauschten Polen vorzunehmen. Im einzelnen Falle ist die Prüfung folgendermaßen vorzunehmen. a. Soll eine Leitung auf Erdschluß geprüft werden, so wird (Fig. 69) das eine Ende derselben isoliert gehalten und das andere Ende mit einer Klemme des Jsolationsprüfers verbunden. Die zweite Klemme des Instrumentes wird in leitende Verbindung mit der Erde gebracht, also am besten mit der Gas- oder Wasserleitung verbunden. In derselben Weise verfährt man bei der Untersuchung einer Dynamo­ maschine, eines Transformators, einer Bogenlampe re. gegen Körper­ schluß, d. h. aus Isolation von stromführenden gegen nicht strom­ führende Teile. Man verbindet die beiden Klemmen des Isolations­ prüfers mit den beiden Metallteilen, die von einander isoliert sein

Fig. 69.

Fig. 70.

Fig. 71.

Um eine Doppelleitung auf Kurzschluß zu prüfen (Fig. 70), isoliert man ihre Enden und legt ihre Anfangspunkte an die Klemmen des Jsolationsprüfers. Ein beim Niederdrücken der Taste I erfolgender großer Ausschlag der Galvanoskopnadel zeigt einen Kurzschluß zwischen beiden Leitern an.

140

Elektrizität.

Will man den Jsolationswiderstand der Umhüllung eines Leitungs­ drahtes an irgend einer Stelle prüfen (Fig, 71), so umwickelt man diese Stelle mit einem Stanniolstreifen. Dieser Streifen wird mit der einen Klemme, der isoliert gehaltene Kupserleiter mit der anderen Klemme des Instrumentes verbunden Um eine ganze Anlage auf Isolation zu prüfen, wird zunächst die Hauptleitung von der Maschine und von sämtlichen Zweigleitungen abgetrennt, indem man die Ausschalter öffnet und die Schmelz­ sicherungen entfernt. Man prüft dann die Hauptleitungen in der vorhin angegebenen Weise auf ihre Isolation gegen die Erde und gegen einander. Ist die Hauptleitung fehlerfrei, so schaltet man aus sämtlichen Zweigleitungen die Bogenlampen und Apparate aus, ent­ fernt die Glühlampen aus ihren Faffungen und schließt die Zweig­ leitungen nacheinander an die Hauptleitung an, indem man jedesmal die Jsolationsprüfung wiederholt. Giebt nach Anschluß irgend einer Zweigleitung das Galvanoskop einen Ausschlag, dem ein zu kleiner Jsolationswiderstand entspricht, so sind in der zuletzt angeschlossenen Leitung Jsolationsfehler vorhanden. Während der weiteren Unter­ suchung muß diese Leitung von der Hauptleitung getrennt bleiben. Die fehlerhaften Zweigleitungen werden sodann in derselben Weise einzeln mit dem Jwlationsprüfer untersucht, indem man ihre weiteren Verzweigungen zunächst ausschaltet und der Reihe nach wieder anschlreßt. Man ist so imstande, den Fehler auf ein möglichst enges Gebiet der Leitung einzuschränken, das man zuletzt einer genauen Besichtigung unterwerfen muß. Nach dem vom Verband Deutscher Elektrotechniker herausge­ gebenen Sicherheitsvorschristen für elektrische Starkstromanlagen soll der Jsolationswiderstand des ganzen Leitungsnetzes einer elektrischen Anlage gegen die Erde mindestens —?. Ohm betragen. Außer­ dem muß für jede Hauptabzweigung der Jsolationswiderstand mindesten

10000 + ----------------

Ohm betragen,

In diesen Formeln bedeutet

n die Zahl der an die Leitung angeschlossenen Glühlampen. Eine Bogenlampe, ein Elektromotor oder ein anderer stromverbrauchender Apparat wird gleich 10 Glühlampen gerechnet.

Alphabetisches Sachregister. (Die Zahlen bezeichnen die Seiten.)

A. Akkumulatoren 82. Ampere 5. Amperemeter 5. Ampereminute 5. Amperesekunde 5. Amperestunde 5. Amperestundenzähler 13. Amperewindungen 26. Anker 42. Ankergegenwirkungen 49. Anlassen der Dynamomaschinen 120. Anlassen der Elektromotoren 120. Anlaßwiderstand 106. Anode 85. Asynchronmotoren 110. Ausspeicherung von Energie 82. Axe, neutrale 54.

B. Beleuchtung, elektrische 92. Blätterung des Ankers 52. Bleiakkumulator 84. Bleisuperoxyd 86. Bogenlampe, elektr. 93. Bogenlampenregulator 95. Bürsten 41. Bürstenverschiebung. 53.

C. Coulomb 5

D. Dielektrikum 2. Differentiallampe 95. Dochtkohlen 94. Doppelpol 51. Drehfeld 107.

Drehstrom 11, 63. Drehstrommaschinen 66, 70 Drehstrommotoren 107. Drehstromtranssormatoren 79’. Dreieckschaltung 111. Dreileitersystem 124. Drosselspulen 103. Dynamomaschine 32, 38.

E. Elektrizität, ruhende 3. Elektrizität, strömende 3. Elektrizität, schwingende 11. Elektroden 84. Elektrolyse 84. Elektrolyt 84. Elektromagnet 20. Elektromotor 31, 104. Elektromotorische Kraft 4. Element, galvanisches 84. Element, umkehrbares 84. Energie 1. Energieformen 15. Energiemesser 132. Energieumwandlung 83. Energieverbrauchsmesser 132. Erdschluß 139.

F Feld, magnetisches 24, 44. Feldmagnet 24. Feldstärke 24. Feuern von Maschinen 54, 120. Folgepole 59. Fünsleitersystem 125. Funkenbildung 53, 120. Funkenfreier Gang von Maschinen 53. Frequenz von Wechselströmen 61.

Alphabetisches Sachregister.

142

G. Gegenspannung im Anker 105. Gegenwirkungen des Ankers 49. Generator 32, 37. Gleichstrom 11. Gleichstronttransformator 80. Glühlampe, elektrische 92.

H. Hauptstromlampe 95. Haupstrommaschine 46. Hektowattstunde 12. Hitzdrahtmesser 128. Hysteresis 28.

I Induktion 32. Jnduktionserscheinungen 33. Induktor 63. Jsolationssehler 135. Jsolationsprüsung 134.

K. Kapazität des Akkumulators 90. Kathode 85. Kerntranssormator 76. Kilowattstunde 12. Knotenpunkt 112. Kommutator 41. Kompoundmaschine 49. Körperschluß 139. Kraftfelder 16. Kraftlinien 16. Kraterbildung 94. Kurzschluß 14. Kurzschlußanker 116.

L. Lampenkohlen 94. Läufer 109. Leiter, elektrische 2. Leiter, verzweigte 8. Lichtbogen 94. Lichterzeugung durch elektr. Energie 92.

M. Magnetelektr. Maschinen 16. Magnetismus 18.

Magnetomotorische Kraft 26. Magnetrad 66. Manteltransformator 79. Mehrpolige Maschinen 56. Messen der elektr. Energie 125. Motoren 37.

N. Nebenschließer 99. Nebenschluß 10. Neben'chlußlampen 95. Nebenschlußmaschinen 46. Nordpol 21.

O. Oeltranssormator 79. Ohm 7. Ohm'sches Gesetz 7.

P. Parallelschaltung 8. Parallelschaltung von Dynamo­ maschinen 121. Periode des Wechselstromes 61. Permeabilität 25. Phase 63. Phasensaktor 131. Phasenindikator 122. Phasenuntei schied 63. Phasenverschiebung 130. Polloser Magnet 25. Polstern 68.

Q. Quermagnetisierung 51, 116.

R. Regulator an Bogenlampen 95. Regulierwiderstand 121. Reibung, magnetische 28. Reihenmaschine 46. Reihenschaltung 8. Rotor. 109.

S. Sammler 82. Schlipf 110. Schlüpfung 110. Schwingungen, elektrische 11. Seillampen 97.

Alphabetisches Sachregister. Selbstinduktion 36. Solenoid 18. Spannungsmesser für Gleich­ strom 129. Spannungsmesser für Wechsel­ strom 129. Sparer 98. Ständer 109. Stator 109. Sternschaltung 111. Strom, elektrischer 3. Strommesser für Gleichstrom 126. Strommesser für Wechselstrom 129. Stromstärke, elektrische 5. Stromstärke, magnetische 26. Südpol 21. Synchronmotoren 118.

T. Temperaturkoeffizient 7. Transformatoren 73.

U. Umformen der elektr. Energie 72. Umformer, rotierende 81. Umwandlung der elektr. Energie 91.

143-

Versendung der elektr. Energie 123. Verteilung der elektr. Energie 123. Volt 4, 33. Voltampere 12. Voltameter 129. Voltmeter 4.

W. Wärmeerzeugung durch elektr. Energie 91. Wartung elektr. Maschinen 119. Watt 12. Wattminrtte 12. Wattsekunde 12. Wattstunde 12. Wattstundenzähler 13, 133. Wechselstrom 11, 61. Wechselstromkurve 62. Wechelstrommaschine 61, 63, 64. Wechselstrommotoren 107, 114. Wechselstromtranssormator 73. Widerstand, elektrischer 6. Widerstand, magnetischer 26. Wubelströme 51.

Z. B. Verbundmaschine 49.

Zelle 87. Zellenschattung 90.

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