Physikalische Grundlagen der Elektrizitätslehre [6. Auflage, Reprint 2022] 9783112638286

Citation preview

We y r e s - B r a n d t Physikalische Grundlagen der E l e k t r i z i t ä t s l e h r e

Physikalische Grundlagen der Elektrizitätslehre von

D R . T H . W E Y R E S UND D R . O. B R A N D T

Mit 234

6.

Abbildungen

Auflage

fflß 50 T E C H N I S C H E R V E R L A G H E R R E R T CRAM R E R L I N W35

Alle Rechte, insbesondere das d e r Übersetzung« vorbehalten Copyright 1950 b y Technischer Verlag H e r b e r t Cram, Berlin W 35 Satz und D r u c k : Oswald Schmidt GmbH.« Leipzig M 118 Zahlungsgenehmigung 13/05 V

Vorwort Die stürmische Entwicklung der Forschung, der Technik und der Industrie zwingt heute jedenMenschen, sich mit den elektrischen Erscheinungen, Vorgängen und den Geräten zu befassen, entweder um die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten zu verstehen, oder seine praktischen Erfahrungen im Gebrauche der elektrischen Geräte zu untermauern und die Zusammenhänge festzustellen. Hier soll das vorliegende Buch eingreifen und die physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre in einer Form behandeln, die in Einfachheit, Klarheit und Sauberkeit des Ausdruckes den neuesten Erkenntnissen und Anschauungen voll Rechnung trägt. Es wird Wert darauf gelegt, daß die physikalischen Gegebenheiten in einer Form gebracht werden, die keinen Anspruch an vorher erlerntes Wissen stellt. Mathematische Formeln und technisches Beiwerk werden nach Möglichkeit vermieden. Da es nicht genügt, die Zusammenhänge nur zu verstehen, um sie bald wieder zu vergessen, sind die Ergebnisse der einzelnen Kapitel in kurzer, einprägsamer Form herausgestellt und auch äußerlich hervorgehoben. Diese Begriffserläuterungen werden am Ende jedes Abschnittes so zusammengefaßt, daß sie sich sicher einprägen und die Weiterbildung darauf aufgebaut werden kann. Die Erfahrung zeigt, daß die physikalischen Grundlagen der Elektrizitätslehre von den verschiedensten Standpunkten aus behandelt werden können. Das vorliegende Buch hat den elektrischen Strom an den Anfang gestellt. Damit ist die beste Anknüpfung an die Erfahrungen des täglichen Lebens gegeben. Von vornherein werden die Elektronen eingeführt. Um den wissenschaftlichen Tatsachen und ihren Forderungen gerecht zu werden, kann man heute nicht mehr umhin, den Elektronenstrom in der Richtung von Minus nach Plus eingehend zu behandeln. Es ist aber dafür gesorgt, daß keine Verwirrung entstehen kann, wenn die andere Auffassung des Stromlaufes von Plus nach Minus, die heute noch in der Elektrotechnik eine maßgebende Rolle spielt, später in der technischen Praxis auftritt. So möge allen denjenigen, die sich in das Gebiet der Elektrizitätslehre einarbeiten müssen und wollen, und allen denen, die beruflich nicht mit den wissenschaftlichen Disziplinen vertraut sind, das Buch ein Helfer sein zum Verständnis der elektrischen Erscheinungen und Geräte. Bad Godesberg, im August 1950 Die V e r f a s s e r

V

Inhalt I. Strom - Spannung - Widerstand

Seite

A. D e r e l e k t r i s c h e S t r o m : 1.Die Elektronen, 2.Der Stromkreis, 3. Gleichund Wechselstrom, 4. Die Stromstärke, das Ampere, 5. Die Stromverzweigung, 6. Die Schalter, 7. Schaltzeichen, 8. Das Lesen von Schaltplänen, 9. Die Richtung des elektrischen Stromes

1

B. D i e S p a n n u n g : 1. Das Wesen der Spannung, 2. Das Volt, 3. Die Spannungsmessung, 4.Die Spannungserhöhung, 5.Die Abhängigkeit zwischen Spannung und Stromstärke

13

C. D e r W i d e r s t a n d : 1. Begriffserläuterung, 2. Das Ohm, 3. Spannung, Stromstärke, Widerstand, 4. Formen technischer Widerstände, 5. Das Mikrophon, 6. Die Schaltung von Widerständen, 7. Die SpannungsteilerSchaltung

19

D. L e i t u n g d e s e l e k t r i s c h e n

Stromes:

1. Feste Körper als Leiter,

2. Flüssigkeiten als Leiter, 3. Die Erde als Leiter, 4. Der menschliche Körper als Leiter, 5. Die Leitung in Gasen E. W a t t ,

Kilowatt,

28

Kilowattstunde

37

F. L a d u n g u n d e l e k t r i s c h e s F e l d : 1. Ladungen 2. Das Feld, Feldlinien G. K o n d e n s a t o r :

38

1. Die Wirkungsweise des Kondensators, 2. Die K a -

pazität, 3. Schaltungen von Kondensatoren, 4. Der Kondensator im Gleichstromkreis, 5. Der Kondensator a n Wechselspannung, 6. Technische Formen von Kondensatoren

40

II. Wirkungen des elektrischen Stromes und ihre technischen Anwendungen A. W ä r m e w i r k u n g e n

des elektrischen

Stromes:

1. Die Schmelz-

sicherung, 2. Die Elektrowärme, 3. Der elektrische Lichtbogen, 4. Die elektrische Glühlampe, 5. Das Hitzdrahtamperemeter

48

B. C h e m i s c h e W i r k u n g e n d e s e l e k t r i s c h e n S t r o m e s : 1. Die Elektrolyse, 2. Anwendungen der Elektrolyse C. S t r o m q u e l l e n :

56

1. Galvanische Elemente, 2. Der Sammler, 3. Pflege

u n d Behandlung der Sammler

59

VII

D. D e r M a g n e t i s m u s :

1. Magnetische Grunderscheinungen, 2. Das ma-

gnetische Feld, 3. Das Magnetfeld der Erde

Seite

6ö

E. M a g n e t i s c h e W i r k u n g e n des S t r o m e s : 1. Das Magnetfeld des Stromes, 2. Der Elektromagnet, 3. Technische Anwendung des Elektromagnets, 4. Der Fernhörer (Telephon), 5. Der Morseschreiber, 6. Der Selbstunterbrecher, 7. Das Schütz (Relais) F. Meßinstrumente:

71

1. Meßinstrumente und ihre Schaltung, 2. Das

Dreheiseninstrument, 3. Das Drehspulinstrument, 4. Die Änderung der Meßbereiche von Meßinstrumenten G. I n d u k t i o n :

80

1. Magnetfeld, Bewegung und Strom, 2. Die Induktion

zweier Spulen, 3. Die Kopplung, 4. Wirbelströme H. S e l b s t i n d u k t i o n :

85

1. Das Wesen der Selbstinduktion, 2. Die Selbst-

induktion beim Ausschalten

89

I. W e c h s e l s t r o m : 1. Die Frequenz, 2. Die Stromform, 3. Die Stromstärke bei Wechselstrom, 4. Gesetzmäßigkeiten im Wechselstromkreis, 5. Die Trennung von Gleich- und Wechselstrom, 6. Der Drehstrom

93

K. G e n e r a t o r e n und M o t o r e n : 1. Der Wechselstrom-Generator, 2. Der Gleichstrom- Generator, 3.Die Selbsterregung, 4.Feldschaltungen, 5. Gleich und Wechselstrommotor, 6. Umformer und Gleichrichter L. U m s p a n n e r :

100

1. Die Wirkungsweise, 2. Das Elektrische Schweißen,

3. Der Übertrager, 4. Der Spartransformator, 5. Die Fernleitung der elektrischen Energie

107

III. Die Elektronenröhre A. D i e Z w e i p o l r ö h r e : 1. Der Elektronenstrom, 2. Die Röhre als Gleichrichter, 3. Die indirekte Heizung

114

B. D i e D r e i p o l r ö h r e ( G i t t e r r ö h r e ) : 1. Die Wirkungsweise des Gitters, 2. Die Kennlinie, 3. Die Verstärkung

119

IV. Anhang A. S c h a l t z e i c h e n

123

B. N a m e n - u n d S a c h v e r z e i c h n i s

126

VIII

I. Strom - Spannung - Widerstand A. Der elektrische Strom 1. Die Elektronen 1. Im Leben des Menschen spielt heute die Elektrizität eine so wichtige Rolle und der Gebrauch elektrischer Geräte ist so allgemein verbreitet, daß jedem auch eine Reihe von Begriffen bekannt ist. Man spricht von e l e k t r i s c h e m S t r o m , der durch die Glühlampe fließt, von S p a n n u n g , die an der Steckdose liegt, von Kilowattstunden, die bezahlt werden müssen, ohne allerdings in den meisten Fällen eine eindeutige Vorstellung der elektrischen Vorgänge und Begriffe zu haben, mit denen in der Technik und in der Wissenschaft diese Bezeichnungen verbunden sind. Im täglichen Leben ist das auch nicht unbedingt notwendig. Für denjenigen aber, der sich mit Erscheinungen und Anwendungen der Elektrizizät näher befassen muß, i s t e i n e s i c h e r e E r f a s s u n g und K e n n t n i s der e l e k t r i s c h e n G r u n d b e g r i f f e u n b e d i n g t e r f o r d e r lich. Ein Eindringen in das Gebiet der Elektrizitätslehre wird dadurch erschwert, daß die Elektrizität mit keinem unserer fünf Sinne unmittelbar wahrnehmbar ist. Einen Wasserstrom kann man sehen. Der Draht, durch den der elektrische Strom fließt, ist dagegen nicht hohl wie eine Wasserleitung, und von irgend etwas Fließendem ist auf und in ihm nichts zu sehen. Der Strom bringt aber gewisse W i r k u n g e n hervor, an denen er zu erkennen ist. Ein durch die Glühlampe fließender Strom kann sie zum Leuchten bringen. Eine Glühlampe ist also ein einfaches Anzeigegerät für elektrischen Strom. Außerdem bewirkt der elektrische Strom noch viele andere Erscheinungen. Er erwärmt z. B. die elektrischen Heizgeräte, setzt das Meßwerk des elektrischen Zählers in Bewegung und treibt einen Elektromotor. 2. Was ist elektrischer Strom? Die Wissenschaft hat lange Zeit keine Antwort darauf geben können, was das unsichtbare Etwas ist, das sich Elektrizität nennt. Heute ist auch dies Gebiet erforscht. So wie ein Men1

Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

1

u'rjfjuJä&tf?. Abb. 1. Schematisclie Darstellung der Atome (große Kreise) und der zwischen ihnen bewegliehen Elektronen (schwarze Punkte). Die wirklichen Größenverhältnisse werden durch die Zeichnungen 1 bis 4 nicht wiedergegeben.

Abb. 2. In einer Richtung wandernde Elektronen bilden einen elektrischen Strom.

•OqQd Abb. 3. Korper mit Elektronenmangel.

Abb. 4. Körper mit Elektronenüberscliuß.

2

schenstrom durch die gemeinsame Bewegung vieler Menschen entsteht, so wird der elektrische Strom durch die Bewegung elektrischer Körperchen, der Elektronen, gebildet. Jeder Stoff setzt sich aus kleinen Teilchen, die Atome heißen, zusammen. So besteht Kupfer aus Kupferatomen, Eisen aus Eisenatomen. Die Atome bilden häufig unter sich oder mit Atomen anderer Stoffe zusammen besondere, zusammengesetzte Atomgruppen, die man Moleküle nennt. Die Atome sind unsichtbar klein, und ebenso unsichtbar sind auch die Lücken zwischen den einzelnen Atomen, daher erscheint uns ein Draht äußerlich lückenlos zusammenhängend. Die E l e k t r o n e n s e l b s t sind a b e r noch viel k l e i n e r als die Atome. Sie stammen aus den Atomen und sind Bausteine derselben. Elektronen gibt es also überall. In Metall, in Holz, in Wasser, in Erde, in Luft, in allen Stoffen sind sie in großer Zahl vorhanden (Abb. 1). 3. Nun besteht aber zwischen den verschiedenen Stoffen ein wesentlicher Unterschied. Diejenigen Stoffe, in denen sich die Elektronen frei bewegen können (Abb. 2), nennt man Leiter. Sie leiten den Strom. Besonders Kupfer ist dazu vorzüglich geeignet und wird daher vorwiegend zur Herstellung der Leitungen benutzt. 4. In Holz, Glas, Porzellan, Gummi und vielen anderen Stoffen dagegen haben die Elektronen nur sehr geringe oder gar keine Bewegungsfreiheit. Stoffe, die sich so verhalten, heißen Nichtleiter (Isolatoren). 5. Durch besondere Mittel, die später beschrieben werden, kann man dem Leiter einen Teil der Elektronen entziehen. Es herrscht in ihm dann Elektronenmangel (Abb. 3). Man kann ihm aber auch mehr Elektronen zuführen, als er normalerweise enthält. Es herrscht in ihm dann Elektronenüberschuß (Abb. 4).

2 . Der Stromkreis 6. Eine Steckdose, die mit dem elektrischen Netz verbunden ist, hat zwei Anschlußstellen. Man nennt sie Pole. Wird eine Glühlampe durch

Abi). 5. Anschalten einer Glühlampe an die Steckdose.

Abb. 6. AVeg des elektrischen Stromes durch eine Glühlampe.

Abb. 6 a . Schaltzeichen für eine Glühlampe.

zwei Leitungsdrähte mit ihnen verbunden, so glüht sie auf. E s fließt also ein Strom (Abb. 5). [1] Den Weg, den er durch die Lampe nimmt, erkennt man aus Abb. 6. 7. Auch der „Sammler" hat zwei Anschlußstellen (Klemmen). Er kann ebenfalls eine kleine Glühlampe zum Leuchten bringen, ist also auch eine Stromquelle (Abb. 7). [2] Weitere bekannte Stromquellen sind die Taschenlampenbatterie und die Anodenbatterie. 8. D i e b e i d e n P o l e der Stromquellen sind n i c h t g l e i c h a r t i g . Das erkennt man schon an den Aufschriften an den Klemmen des Sammlers. Die eine ist mit einem Minuszeichen, die andere mit einem Pluszeichen gekennzeichnet. Die Verschiedenartigkeit läßt sich aber auch auf anderem Wege feststellen. Berührt man z. B . ein angefeuchtetes Stückchen P o l p r ü f p a p i e r gleichzeitig an zwei benachbarten Stellen mit den Enden zweier Drähte, deren einer am Minuspol und deren anderer am Pluspol angeschlossen ist, so bemerkt man an

H Abb. 7. Anschalten einer Lampe einen Sammler.

1*

an

+

Abb. 8. Schaltzeichen einer Gleichstromquelle.

3

der einen Berührungsstelle auf dem Papier eine Rotfärbung. Sie zeigt sich unter dem Drahtende, das vom Minuspol herkommt. An der zweiten Berührungsstelle zeigt sich nichts. [3] 9. Wie man heute weiß, besteht die Verschiedenartigkeit der Pole in elektrischer Hinsicht darin, daß auf dem Minuspol Elektronenüberschuß, auf dem Pluspol dagegen Elektronenmangel herrscht. Wird zwischen den beiden Polen eine l e i t e n d e Verbindung hergestellt, dann fließen die Elektronen von dem Pol mit Elektronenüberschuß zum Pol mit Elektronenmangel hinüber. Eine Verbindung der Pole mit einem trocknen Bindfaden oder einem Holzstab hat dagegen keinen Strom zur Folge, denn diese sind Nichtleiter. Werden Pluspol und Minuspol durch einen L e i t e r verbunden, s'o f l i e ß t durch ihn ein Strom.

Abb. 9. Kreislauf des Wassers (Stromkreis), hervorgerufen durch eine Pumpe.

Abb. 10. Schaltplan eines Stromkreises mit Stromquelle und Glühlampe.

10. Die Rolle der Stromquelle ist die einer „ E l e k t r o n e n p u m p e " . Sie drückt Elektronen auf den Minuspol und schafft sie vom Pluspol weg. Der Minuspol ist also der Quellpol der Elektronen. Genau so drückt eine Wasserpumpe (Abb. 9) das Wasser auf der einen Seite in eine Leitung hinein und saugt es auf der anderen ab. Es fließt von der Pumpe durch die Leitung wieder zur Pumpe. Da es zum Ausgangspunkt zurückkehrt, hat man dafür den Namen „ K r e i s l a u f des W a s s e r s " geprägt. Einen solchen Kreislauf durchwandern auch die Elektronen, wenn sie von der Stromquelle ausgehen, durch die Hinleitung zur Lampe fließen und durch die Rückleitung wieder zur Stromquelle zurückkehren. Stromquelle, Hinleitung, Glühlampe und Rückleitung bilden einen Stromkreis (Abb. 10). 11. Die Elektronen wandern im Leiter sehr la ngsam. Wie kommt es aber, daß die elektrische Lampe sofort aufglüht, wenn am Lichtschalter der Strom eingeschaltet wird? Dies geschieht sogar, wenn Lichtschalter und Lampe sehr weit voneinander entfernt sind. 4

An einem Beispiel läßt sich der Vorgang verständlich machen: Eine Kolonne hält auf der Straße. Jetzt kommt von hinten durch ein Signal der Befehl „Weitermarschieren!" Die Kolonne setzt sich sofort in Bewegung. Genau so ist es mit den Elektronen im Draht. Der Bewegungsantrieb, der die Elektronen in Bewegung setzt, wird sehr schnell weitergegeben, er legt in der Sekunde die Strecke von 300000 Kilometern zurück. 3. Gleich- und Wechselstrom 12. Beim Kauf elektrischer Geräte, z. B. eines Rundfunkempfängers, wird zunächst gefragt, welche S t r o m a r t im Hause ist, ob Gleich- oder Wechselstrom. Der Unterschied der beiden Stromarten wird schon durch den Namen angedeutet. Bei Gleichstrom wandern die Elektronen immer gleichmäßig in derselben Richtung, ähnlich wie das Wasser in der Wasserleitung oder das Gas in der Gasleitung. Man kann aber auch die Elektronen in einer Leitung hin- und herschicken, etwa wie man Wasser in einer Leitung (Abb. 11) durch einen Kolben hinund herbewegen kann. So entsteht ein Wechselstrom. Die beiden Pole wechseln dauernd ihre Rolle, und die Elektronen wandern während eines Augenblickes in der einen und im nächsten Augen- Abb. 11. Wenn der Kolben blick in der andern Richtung. hin- und hergeht, ändert der in der Leitung Dieser Richtungswechsel kann in der Sekunde Wasserstrom dauernd seine Richtung. viele Male erfolgen. Wechselstrom! Der Wechselstrom des Elektrizitätswerkes fließt in der Sekunde fünfzigmal hin und her, wechselt also hundertmal seine Richtung. Es gibt Wechselströme, bei denen dies in der Sekunde viele Millionen Male geschieht. Das Schaltzeichen für Gleichstrom ist —, für Wechselstrom 4. Die Stromstärke, das Ampere 13. Ein Maß für die Stärke des Menschenstromes in einer Straße kann man erhalten, wenn man die Leute zählt, die in der Minute vorübergehen. Genau so könnte man die Stärke des elektrischen Stromes durch die Zahl der Elektronen bestimmen, die in der Minute oder Sekunde an einer Stelle des Drahtes vorbeilaufen. Diese Art der Stromstärkemessung wäre allerdings sehr unbequem, weil die Zahl der vorbeiwandernden Elektronen sehr groß ist. Sie ist zudem auch praktisch unmöglich, weil man die einzelnen Elektronen nicht sehen kann. 5

Der elektrische Ström bringt aber bestimmte meßbare Wirkungen hervor, die an geeigneten Meßgeräten beobachtet werden können. Solche M e ß g e r ä t e werden z u r M e s s u n g d e r S t r o m s t ä r k e benutzt. 14. Zur Messung benötigt man außerdem eine Maßeinheit. Wie man als Maßeinheit der Länge das Meter oder als Maßeinheit des Gewichtes das Kilogramm festgelegt hat, so hat man als Einheit der Stromstärke das Ampere gewählt. Die Einheit ist nach dem französischen Physiker Ampere benannt worden. A b g e k ü r z t w i r d A m p e r e mit A; 10 A wird also gelesen: 10 A m p e r e . F ü r schwache Ströme ist das Ampere unpraktisch. Sie werden deshalb in Milliampere (mA) angegeben (1000 Milliampere sind 1 Ampere). Man mißt j a auch kleine Gegenstände in Millimeter statt in Meter. Übersicht über Stromstärken Straßenbahn .

etwa 100 A

Glühlampe . . .

etwa 0 , 1 - 0 , 3 A

Taschenlampe

etwa 0,2 A

Kopfhörer . . .

etwa 0,01 mA

15. Die Geräte zur Strommessung heißen Amperemeter. Wenn durch ein Amperemeter ein Strom fließt, so zeigt der Zeiger auf der Teilung die Stromstärke in Ampere an (Abb. 12). 16. Wie es verschiedene Sorten von Maßstäben gibt, die verschiedene Meßbereiche haben (Bandmaß von 20 m, Metermaß von 1 m), so gibt es auch Amperemeter mit verschiedenen Meßbereichen. Mit einem Amperemeter, das den Meßbereich 0—500 mA hat, kann man nicht etwa einen Strom von 5 A messen. Umgekehrt ist ein Amperemeter vom Meßbereich 0—10 A ungeeignet zur Messung eines kleinen Stromes von vielleicht 10 mA.

Abb.

12.

Amperemeter. Rechts das Schaltzeichen,

Der Meßbereich des Amperemeters muß der zu messenden Stromstärke angepaßt sein. Um nicht verschiedene Geräte benutzen zu müssen, hat man heute auch Amperemeter gebaut, deren Meßbereich durch geeignete Vorrichtungen verändert werden kann (vgl. 184). Grundsatz bei Strommessungen ist, daß zuerst der größte Meßbereich eingeschaltet wird, damit das Meßgerät keinen Schaden leidet. 6

17. Um die Stromstärke zu messen, wird das Amperemeter in den Stromkreis „geschaltet", wie Abb. 13 zeigt. [4] In der Fachsprache nennt man das Zusammensetzen von elektrischen Leitungen und Geräten kurz „schalten", so wie man das Zusammensetzen von Bausteinen „bauen" Abb. 13. Stromkreis mit Sammler, nennt. Den fertigen Zusammenbau der Geräte Glühlampe lind Strommesser. und Leitungen nennt man eine „Schaltung". Das Wort Schalten wird aber auch noch in einem anderen Sinne gebraucht. Man spricht von Einschalten oder Ausschalten, wenn man durch einen „Schalter" einen Stromkreis schließt oder öffnet.

18. Schaltet man jetzt ein Amperemeter in die Hinleitung und ein zweites in die Rückleitung (Abb. 14), so zeigen beide denselben Ausschlag. [5]

-e-

Abb. 1 4 a . Amperemeter in der Hin- und Rückleitung.

Abb. 1 4 b . Schaltplan zu Abb. 1 4 a .

Die Stromstärke ist im ganzen unverzweigten Stromkreis die gleiche. Es ist verständlich, daß ebenso viele Elektronen durch die Rückleitung zurückfließen müssen wie durch die Hinleitung zufließen, da sich sonst die Elektronen an einer Stelle stauen würden. 5. Die Stromverzweigung 19. Eine Wasserleitung verzweigt sich häufig in mehrere Leitungen, um verschiedene Stellen mit Wasser versorgen zu können. Auch eine elektrische Leitung kann verzweigt werden. Abb. 15 zeigt zwei Glühlampen, die nebeneinandergeschaltet sind (Parallelschaltung). [6] Im Punkt A verzweigt sich der Strom. Ein Teil des Stromes fließt durch I, der andere Teil durch II. In B vereinigen sich beide Ströme wieder. 7

Mißt man die Stromstärke vor dem Punkte A in der Leitung und in jeder der beiden Zweigleitungen, so findet man, daß die Stromstärke im

unverzweigten Teil so groß ist ist wie die Summe der Stromstärken in den Zweigen. A

i — ® Abb. 1 5 b . Schaltplan für Parallelschaltung der Glühlampen.

6. Die Schalter 20.Eine marschierende Kolonne wird d u r c h e i n e S c h r a n k e zum Halten gebracht. Die Straße ist gesperrt. Der Weg der wandernden Elektronen kann gesperrt werden, indem man die Leitung unterbricht. Zwischen den Drahtenden befindet sich dann Luft, also ein Nichtleiter: der Stromkreis ist „geöffnet". Wird die metallische Verbindung an der Stelle wieder hergestellt, so wird der Stromkreis „geschlossen".

Abb. 16. Der Schalter öffnet und schließt den Stromkreis.

8

21. Um das öffnen und Schließen eines Stromkreises nach Bedarf vornehmen zu können, wird in die Leitung ein Schalter g e l e g t (Abb. 16).

Abb. 16 zeigt einen „Hebelschalter". Ist er ausgeschaltet, so ist der Stromkreis geöffnet, der Strom unterbrochen. Wird der Hebel heruntergedrückt und eingeschaltet, so ist der Stromkreis geschlossen, der Strom fließt.

Abb. 17a.

Abb. 17b.

Wirkungsweise eines Drehschalters (a — ein, b = aus).

Oft ist es erforderlich, das Ein- und Ausschalten gleichzeitig f ü r d i e H i n und Rückleitung durchzuführen. Dieses geschieht durch einen zweipoligen Schalter. Es gibt auch noch andere Bauarten für Schalter. Abb. 17a und b zeigt

Abb. 18a.

Abb. 18b.

"Wirkungsweise eines Kippschalters (a = ein, b = aus).

einen Drehschalter. Durch Drehen eines Metallbügels wird die Verbindung zwischen den beiden Klemmen des Schalters hergestellt und unterbrochen. Abb. 18 zeigt den Vorgang in einem Kippschalter. Das Metallstück wird durch einen Kipphebel an die beiden Klemmen gepreßt oder nach der anderen Seite umgelegt und dadurch der Stromkreis unterbrochen. Abb. 19 zeigt die technische Ausführung eines solchen Kippschalters.

:

^-- F

JJT^TII. Abb. 19. Technische Ausführung eines Kippschalters.

Abb. 20. Druckknopf Schalter.

Die einfachste Form eines Druckknopfschalters, die bei Klingelleitungen und einfachen Signalanlagen verwendet wird, zeigt Abb. 20. Eine weitere Ausführungsart eines Schalters zeigt Abb. 21, die vielfach in der Fernmeldetechnik bei Fernsprechgeräten angewendet wird. Durch Druck auf den oberen Knopf werden die beiden Schaltfedern zur Berührung gebracht, und dadurch wird der Stromkreis geschlossen. Die m e t a l l i s c h e n V e r b i n d u n g e n zweier Leiterstücke untereinander und mit den Geräten müssen sorgfältig hergestellt werden. E i n L e i t e r m u ß den a n d e r e n L e i t e r f e s t b e r ü h r e n . Sind die Verbindungsstellen locker, so kann bei einer Erschütterung die Verbindung sich lösen, und der Strom wird unterbrochen; bei der nächsten Erschütterung tritt die Verbindung manchmal wieder ein. So entsteht ein Wackelkontakt. Man vermeidet Wackelkontakte, indem man entweder die Verbindungen fest v e r l ö t e t oder die Abi). 21. i'ederschaiter. Drahtenden mit Klemmen z u s a m m e n k l e m m t . 22. Eine andere Art der Leitungsverbindung besteht aus Steckern und Buchsen, die ineinandergesteckt werden (Abb. 22, 23).

Abb. 22. Bananenstecker.

Abb. 23. Verbind ungsbuchse.

Zur Verbindung der Leitung mit den Schraubklemmen von Geräten werden die Drahtenden häufig mit Polschuhen versehen (Abb. 24).

Abb. 24. l'olschuh.

Abb. 25. Krokodilklemme.

Zu schnellen Verbindungen brauchbar sind sog. Krokodilklemmen (Abb. 25). Die Hülse dient zum Einstecken eines „Bananensteckers", während mit der Klemme an jeder Metallstelle eine Verbindung hergestellt werden kann.

10

7. Schaltzeichen 23. Bisher sind die Schaltungen zu den Versuchen und Erscheinungen in s c h e m a t i s c h e r D a r s t e l l u n g s w e i s e abgebildet worden. Für die Elektrotechnik sind solche Abbildungen, die die Geräte im Schnitt oder in der Aufsicht zeigen, zu umständlich und auch nicht übersichtlich genug. Deshalb hat man die Darstellungsart von Schaltungen weiter vereinfacht. An Stelle der einzelnen Geräte und Schaltelemente treten sogenannte Schaltzeichen. Mit Hilfe dieser Schaltzeichen werden Schaltungen sehr übersichtlich. Jedoch erfordert das Lesen derartiger Schaltzeichen Übung. Es sind zu diesem Zweck vielfach zu den s c h e m a t i s c h e n B i l d e r n die e n t s p r e c h e n d e n S c h a l t z e i c h e n u n d die z u g e h ö r i g e n S c h a l t u n g e n h i n z u g e f ü g t (vgl. Abb. 6, 8, 10, 12, 13, 14b, 15b). Eine Übersicht über die Schaltzeichen befindet sich am Ende des Buches. S. Das Lesen von Schaltplänen 24. Beim Verfolgen eines Stromkreises beginnt man meistens bei einem Pol der Stromquelle. Hierbei ist es gleichgültig, in welcher Richtung man die Leitung verfolgt, ob man von Minus nach Plus oder von Plus nach Minus geht. Die H a u p t s a c h e ' i s t , d a ß der S t r o m k r e i s g e s c h l o s s e n ist. Man muß am Ende wieder zu dem anderen Pol zurückkehren. I n der F u n k t e c h n i k i s t es z w e c k m ä ß i g , vom M i n u s p o l a u s z u g e h e n , weil man dort fast immer den Lauf der Elektronen verfolgt. In der E l e k t r o t e c h n i k im allgemeinen geht man meistens vom P l u s p o l aus. Wenn sich zwei L e i t u n g e n k r e u z e n , ohne an der Kreuzungsstelle verbunden zu sein, so werden die Striche im Schaltplan glatt durchgezogen

Abb. 26. Schaltzeichen iür Leitungskreuzung ohne leitende Verbindung.

Abb. 27. Schaltzeichen für Leitungskreuzung mit leitender Verbindung.

(Abb. 26). E i n e e l e k t r i s c h e V e r b i n d u n g der Leitungen wird d u r c h einen P u n k t auf der Kreuzungsstelle angedeutet (Löttropfen, Abb. 27). Bei allen Schaltungen muß man immer darauf achten, daß ein S c h a l t e r vorgesehen ist und bei empfindlichen Meßinstrumenten und Versuchen auch eine S i c h e r u n g in den Stromkreis eingebaut wird (vgl. 106). 11

9. Die Richtung des elektrischen Stromes 25. Durch die wissenschaftliche Forschung der letzten Jahrzehnte ist man zu der Erkenntnis gekommen, d a ß die Elektronen vom Minuspol, der S t e l l e des Elektronenüberschusses, nach dem Pluspol, dem O r t des Elektronenmangels, f l i e ß e n . Trotzdem wird heute in der Technik noch die Stromrichtung im umgekehrten Sinne, von Plus nach Minus, angegeben. Dies hat seinen Grund in einer geschichtlichen Entwicklung. Die Bezeichnung der Pole durch Plus- und Minuszeichen geht auf einen Vorschlag des deutschen Physikers Lichtenberg vor ungefähr 150 Jahren zurück; als man das Vorhandensein eines elektrischen Stromes erkannte, aber seine Richtung noch nicht feststellen konnte, legte man daraufhin willkürlich die Stromrichtung vom Pluspol durch den Außenkreis zum Minuspol fest. (In der Stromquelle selbst fließt der Strom dann von Minus nach Plus, da er einen geschlossenen Kreislauf beschreibt.) Man wollte damals nicht einmal damit sagen, daß sich in dieser Richtung irgend etwas bewege, sondern man wollte erreichen, daß man der Darstellung der elektrischen Erscheinungen eine bestimmte Ordnung geben konnte. Man sollte annehmen, daß nach der Erkenntnis, daß im Leiter Elektronen fließen, die alte Vorstellung berichtigt worden wäre. Das ist aber nicht einfach durch eine Anordnung zu machen. 26. Die Elektrotechnik hat in der alten Richtungsbezeichnung von Plus nach Minus ihre ganze theoretische und praktische Entwicklung aufgebaut, hat Gesetze und Gebrauchsformeln geschaffen und diese Stromrichtung dabei zugrunde gelegt. Man kann diese Festsetzung nicht ohne weiteres ändern, ohne große Verwirrung und Unsicherheit zu schaffen. Darum bleibt die Elektrotechnik auch heute noch bei dieser Vorstellung, und in den technischen Schaltungen wird durchweg die S t r o m r i c h t u n g von P l u s n a c h Minus angenommen. Man muß sich d a b e i a b e r immer b e w u ß t b l e i b e n , d a ß d a m i t die R i c h t u n g der w a n d e r n d e n E l e k t r o n e n n i c h t g e m e i n t ist. Erst in jüngeren t e c h n i s c h e n Darstellungen, z. B. bei der Elektronenröhre und in Schaltungen der Funktechnik, findet man zum Teil schon die neuzeitliche Darstellung der Stromrichtung von Minus nach Plus vor. Die b e s t e h e n d e U n e i n h e i t l i c h k e i t in dieser H i n s i c h t muß also zur Zeit noch in Kauf g e n o m m e n werden. In technischen Zeichnungen und bei der Erklärung elektrischer Stromvorgänge wird die Stromrichtung von Plus nach Minus angenommen. Die Richtung des Elektronenstromes selbst ist von Minus nach Plus. 12

Überblick 1. Elektronen befinden sich in allen Körpern. 2. Im Leiter können die Elektronen sich fortbewegen, im Nichtleiter oder Isolator nicht. 3. Der Minuspol (negativer Pol) einer Stromquelle besitzt einen Elektronenüberschuß, der Pluspol (positiver Pol) Elektronenmangel. 4. D i e E l e k t r o n e n f l i e ß e n in einem L e i t e r in d e r R i c h t u n g vom M i n u s p o l zum P l u s p o l . 5. In der E l e k t r o t e c h n i k wird die S t r o m r i c h t u n g m e i s t e n s von P l u s n a c h M i n u s a n g e n o m m e n . 6. Bei Gleichstrom fließen die Elektronen dauernd in der gleichen Richtung, bei Wechselstrom bewegen sie sich hin und her. 7. Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen; sind die Stromstärken sehr klein, so wird in Milliampere gemessen. 8. Amperemeter sind Strommesser. Sie können verschiedene Meßbereiche haben. 9. Das Amperemeter wird in den Stromkreis eingeschaltet, so daß der zu messende Strom hindurchgeht. 10. Die Stromstärke im unverzweigten Stromkreis ist überall die gleiche. 11. Bei einer Stromverzweigung ist die Summe der Einzelströme so groß wie der Gesamtstrom. 12. Schaltungen werdeh durch Schaltzeichen übersichtlich dargestellt.

B. Die Spannung 1. D a s Wesen der Spannung 27. Auf elektrischen Geräten ist meistens angegeben, w eiche Spannung notwendig ist, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können. Glühlampen tragen auf dem Sockel oder auf dem Glaskolben z. B. die Aufschrift 110 V oder 220 V. Auf manchen Taschenlampenbirnen ist 3,5 V angegeben. Die Spannung, die an den Steckdosen herrscht, ist meistenteils auf dem Zähler vermerkt. Daraus folgt schon, daß die Spannung eine überaus wichtige Rolle spielt. 28. W a s b e d e u t e t elektrische Spannung? Zur Erleichterung des Verständnisses diene folgender Vergleich: Zwei Gläser, die in der Nähe des Bodens durch ein Rohr mit Hahn verbunden sind, seien gleichhoch bis zur 13

Überblick 1. Elektronen befinden sich in allen Körpern. 2. Im Leiter können die Elektronen sich fortbewegen, im Nichtleiter oder Isolator nicht. 3. Der Minuspol (negativer Pol) einer Stromquelle besitzt einen Elektronenüberschuß, der Pluspol (positiver Pol) Elektronenmangel. 4. D i e E l e k t r o n e n f l i e ß e n in einem L e i t e r in d e r R i c h t u n g vom M i n u s p o l zum P l u s p o l . 5. In der E l e k t r o t e c h n i k wird die S t r o m r i c h t u n g m e i s t e n s von P l u s n a c h M i n u s a n g e n o m m e n . 6. Bei Gleichstrom fließen die Elektronen dauernd in der gleichen Richtung, bei Wechselstrom bewegen sie sich hin und her. 7. Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen; sind die Stromstärken sehr klein, so wird in Milliampere gemessen. 8. Amperemeter sind Strommesser. Sie können verschiedene Meßbereiche haben. 9. Das Amperemeter wird in den Stromkreis eingeschaltet, so daß der zu messende Strom hindurchgeht. 10. Die Stromstärke im unverzweigten Stromkreis ist überall die gleiche. 11. Bei einer Stromverzweigung ist die Summe der Einzelströme so groß wie der Gesamtstrom. 12. Schaltungen werdeh durch Schaltzeichen übersichtlich dargestellt.

B. Die Spannung 1. D a s Wesen der Spannung 27. Auf elektrischen Geräten ist meistens angegeben, w eiche Spannung notwendig ist, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können. Glühlampen tragen auf dem Sockel oder auf dem Glaskolben z. B. die Aufschrift 110 V oder 220 V. Auf manchen Taschenlampenbirnen ist 3,5 V angegeben. Die Spannung, die an den Steckdosen herrscht, ist meistenteils auf dem Zähler vermerkt. Daraus folgt schon, daß die Spannung eine überaus wichtige Rolle spielt. 28. W a s b e d e u t e t elektrische Spannung? Zur Erleichterung des Verständnisses diene folgender Vergleich: Zwei Gläser, die in der Nähe des Bodens durch ein Rohr mit Hahn verbunden sind, seien gleichhoch bis zur 13

Mitte mit Wasser gefüllt. Jetzt wird aus dem rechten Rohr bei geschlossenem Hahn Wasser entfernt und dem linken Rohr zugesetzt (Abb. 28). Da die Wassersäule links höher steht (Wasserüberschuß) als rechts (Wassermangel),

Abb. 28. Druckunterschied zwischen zwei Wassersäulen.

Abb. 29. Zustand nach Öffnen des Verbindungshahns.

wird von links stärker auf den Hahn in dem Verbindungsrohr gedrückt als rechts. E s herrscht ein Druckunterschied. Werden die beiden Gefäße durch Öffnen des Hahnes miteinander verbunden (Abb. 29), so bewirkt der Druckunterschied einen Strom von links nach rechts, bis der Überdruck a u s g e g l i c h e n i s t . Wird aber andauernd aus dem rechten Gefäß durch eine Pumpe genau so viel Wasser abgeßrvckunterschied saugt und links zugesetzt, wie durch das Rohr herüberfließt, so bleibt der Druckunterschied bestehen, und der S t r o m f l i e ß t d a u e r n d (Abb. 30). [7] Widerstand Stromstärke

Pumpe Abb. 30. Der Druckunterschied wird durch eine Pumpe aufrechterhalten, der Wasserstrom fließt dauernd.

29. Ebenso herrscht zwischen der Stelle mit Elektronenüberschuß und derjenigen mit Elektronenmangel — also zwischen Minuspol und Pluspol — eine elektrische Spannung. Werden beide Stellen durch einen Leiter verbunden, so ist die Spannung der Grund für das Zustandekommen eines Stromes. 2. Das Volt

30. Als Einheit der Spannung hat man das Yolt (abgekürzt V) festgelegt. Dies ist ungefähr die Spannung, die bei einem einfachen galvanischen Element zwischen der Zink- und Kupferplatte auftritt (vgl. 133). Wie beim Ampere als kleinere Einheit das mA, so wird bei kleinen Spannungen das mV (Millivolt) und als größere Einheit das kV (Kilovolt) benutzt. 14

Übersicht über Spannungen Trockenelement Taschenlampenbatterie . . . . Lichtleitung Straßenbahn Elektrische Vollbahn Hochspannungsfernleitung .

1,5V 4,5 V 220 V 550 V 15000 V 50000-200000 V

3. Die Spannungsmessung 31. Jede Stromquelle hat also eine bestimmte Spannung. Man kann diese Spannung messen, indem man die Pole der Stromquelle mit einem Spannungsmesser verbindet. Dieser zeigt die Spannung unmittelbar in Volt an und wird daher Voltmeter genannt (Abb. 31). [8] Es gibt Spannungsmesser, mit denen die Messung durchgeführt werAbb. 31b. den kann, ohne daß dabei ein Strom Schaltzeichen. durch sie fließt. Sie sind aber wenig handlich, und darum benutzt man Meßinstrumente anderer Bauart, die einen geringen Strom benötigen (vgl. 185). Auch bei diesen Meßgeräten ist, genau wie bei den Amperemetern, auf den Meßbereich zu achten. 32. Um die Spannung einer Stromquelle zu messen, wird das Voltmeter mit den Polen verbunden, wie Abb. 32 zeigt. [9]

Abb. 32a. Messung der Spannung einer Stromquelle.

Abb. 32b.

Häufig muß die Spannung gemessen werden, während ein Strom im Stromkreise fließt. Die Schaltung ist in Abb. 33 angegeben. Es wird hier die Spannung zwischen den Punkten a und b gemessen. 15

Man achte besonders auf die verschiedenartige Schaltung von Amperemeter und Voltmeter. Das Amperemeter liegt so im Stromkreis, daß der gesamte Strom hindurchfließt (Abb. 34). Das Voltmeter dagegen wird mit den zwei Stellen des Stromkreises verbunAbb. 33. Schaltung von Ampere- und den, zwischen denen man die Spannung Voltmeter. messen will (Abb. 35). Es sei nochmals festgehalten, daß man nur von Spannungen zwischen zwei Stellen (zwei Polen der Stromquelle, zwei Punkten eines Stromkreises)

V)

Abb. 34. Amperemeter liegt im Stromkreis.

Abb. 35. Voltmeter mißt die Spannung z w i s c h e n z w e i Funkten des Stromkreises.

sprechen darf. Bei einem ausgespannten Gummifaden wirkt die mechanische. Spannung auch stets zwischen zwei Stellen (Abb. 36). Spannung herrscht zwischen ^ zwei Punkten ^

k

Abb. 36. Vergleich aus der Mechanik.

4. Die Spannungserhöhung 33. Man verbindet zwei Sammler, deren jeder 2 Volt Spannung hat, nach Abb. 37, indem man den Pluspol des ersten Sammlers mit dem Minuspol des zweiten Sammlers verbindet. Diese Schaltung heißt Reihen- oder Hintereinanderschaltung. Die Spannung zwischen den beiden äußeren Polen beträgt, wie die Messung zeigt, 4 Volt. Die Spannung der in Reihe geschalteten Sammler ist also so groß wie die Summe der Spannungen der einzelnen Sammler. Werden drei Sammler in Reihe geschaltet, so ist die Gesamtspannung 2 + 2 + 2 = 6 Volt. [10] 16

?

Volt

i

Volt

6

J

Voll

r

! HHHH

Abb. 37. Erhöhen der Spannung durch Hintereinanderschalten.

34. Zusammengeschaltete Stromquellen bilden eine Batterie. Sammlerbatterien werden für viele Zwecke benutzt. Die Taschenlampenbatterie enthält meist 3 in Reihe geschaltete einzelne „ E l e m e n t e " (Abb.38).

Abb. 38. Taschenlampenbatterie aus hintereinandergeschalteten Elementen.

Abb. 39. Hintereina nderschaltung von zwei Wasserpumpen.

Die Isolierplatten d dienen dazu, die einzelnen Elemente elektrisch voneinander zu trennen, a = Pluspol, 6 = Minuspol. (Vgl. 138.) Bei den Anodenbatterien für Funkgeräte sind viele Elemente hintereinandergeschaltet. 2

Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

17

Um die Wirkungsweise der Hintereinanderschaltung zu verstehen, vergleicht man die Stromquelle mit einer Wasserpumpe. In Abb. 39 pumpt die erste Pumpe das Wasser bis auf die Höhe H. Angenommen, daß diese Höhe 5 m beträgt. Der Wasserdruck an Wasserhahn 1 hat dann eine bestimmte Größe. Nun stellt man eine zweite Pumpe auf, die das Wasser weitere 5 m hoch befördert. Beide Pumpen hintereinander befördern das Wasser auf 10 m. Der Wasserdruck an Wasserhahn 2 ist doppelt so groß wie der an Wasserhahn 1.

Genau so erzeugen die beiden hintereinandergeschalteten Stromquellen die doppelte elektrische Spannung einer einzigen. 5. Die Abhängigkeit zwischen Spannung und Stromstärke 35. Ein Kraftwagen fährt um so schneller, je größer die Antriebskraft ist; ebenso hängt die Geschwindigkeit des Flugzeugs von der Stärke seiner Motore ab. Der Wasserstrom, der aus dem Hahn ausfließt, ist um so stärker, je größer der Wasserdruck ist. Auch Spannung und Strom hängen voneinander ab. Die Spannung ist die Ursache des elektrischen Stromes. J e größer die Spannung, die an das elektrische Gerät a n g e l e g t wird, um so größer der Strom, der h i n d u r c h f l i e ß t . Beweis." Ein ,,Widerstandsdraht" AB (vgl. 37) wird mit den Klemmen a a eines Sammlers verbunden (Abb. 40). Die Spannung ist 2 Volt. Die Stromstärke wird am Amperemeter abgelesen. Dann wird statt des Sammlers von 2 Volt eine Batterie von 4 Volt angeschaltet. Die Stromstärke hat sich verdoppelt. Bei 6 Volt ist die Stromstärke die dreifache derjenigen, Abb. 40. Bei doppelter Spannung wird die die bei 2 Volt fließt, [11] Stromstärke doppelt so groß. Daraus ergibt sich: Doppelte Spannung — Doppelte Stromstärke, Dreifache Spannung — Dreifache Stromstärke. In gleicher Weise gilt auch: Halbe Spannung — Halbe Stromstärke, Ein Drittel der Spannung — Ein Drittel der Stromstärke. Diese Gesetzmäßigkeit gilt jedoch nur, wenn jeweils derselbe Widerstandsdraht eingeschaltet ist und der Stromkreis auch sonst ungeändert bleibt. 18

Durch eine für 110 Volt bestimmte Lampe muß bei 220 Volt ein doppelt so großer Strom fließen als vorgesehen ist. Allerdings ist der Glühfaden der Lampe dieser Beanspruchung nicht gewachsen, er brennt durch. Ebenso ist es mit anderen elektrischen Geräten. Die für das Gerät vorgesehene Spannung darf nicht überschritten werden. Auch eine zu niedrige Spannung soll vermieden werden; denn dabei gibt das Gerät nicht seine volle Leistung her. Eine Glühlampe für 220 Volt an 110 Volt angeschaltet, leuchtet nur ganz schwach. Überblick 1. Die elektrische Spannung wird in Volt gemessen, die kleinere Einheit heißt Millivolt (mV), die größere Kilovolt (kV). 2. Spannungsmesser heißen Voltmeter. 3. Durch Hintereinanderschaltung von Stromquellen wird die Spannung erhöht. 4. Die Spannung ist die Ursache des Stromes. 5. Je höher die an ein Gerät angelegte Spannung, um so größer die hindurchfließende Stromstärke.

C. Der Widerstand 1. Begriff serläuterung 36. Die Stromstärke ist nicht allein von der Spannung abhängig. Durch eine Glühlampe fließt bei gleicher Spannung weniger Strom als durch einen „Tauchsieder". Das kommt daher, daß die wandernden Elektronen im Leiter je nach seiner Beschaffenheit einen verschiedenen Widerstand finden. Je größer der Widerstand des Leiters ist, um so geringer ist die Stromstärke. Wovon ist der Widerstand eines Leiters abhängig? 37. Vergleicht man die Stromstärken, wenn ein Konstantandraht 1 ) von 1 m Länge und dann ein Eisendraht gleicher Länge und Dicke in den Stromkreis geschaltet ist, so stellt man fest, daß die Stromstärke im ersten Fall viel kleiner ist als im zweiten. Bei einem Kupferdraht gleicher Länge und Dicke wird die Stromstärke so groß, daß der bisherige Meßbereich des Strommessers nicht mehr ausreicht. [12] ') Konstantan ist eine Legierung (vgl. 113) von Kupfer und Nickel und wird als „Widerstandsdraht" verwendet. 2*

19

Durch eine für 110 Volt bestimmte Lampe muß bei 220 Volt ein doppelt so großer Strom fließen als vorgesehen ist. Allerdings ist der Glühfaden der Lampe dieser Beanspruchung nicht gewachsen, er brennt durch. Ebenso ist es mit anderen elektrischen Geräten. Die für das Gerät vorgesehene Spannung darf nicht überschritten werden. Auch eine zu niedrige Spannung soll vermieden werden; denn dabei gibt das Gerät nicht seine volle Leistung her. Eine Glühlampe für 220 Volt an 110 Volt angeschaltet, leuchtet nur ganz schwach. Überblick 1. Die elektrische Spannung wird in Volt gemessen, die kleinere Einheit heißt Millivolt (mV), die größere Kilovolt (kV). 2. Spannungsmesser heißen Voltmeter. 3. Durch Hintereinanderschaltung von Stromquellen wird die Spannung erhöht. 4. Die Spannung ist die Ursache des Stromes. 5. Je höher die an ein Gerät angelegte Spannung, um so größer die hindurchfließende Stromstärke.

C. Der Widerstand 1. Begriff serläuterung 36. Die Stromstärke ist nicht allein von der Spannung abhängig. Durch eine Glühlampe fließt bei gleicher Spannung weniger Strom als durch einen „Tauchsieder". Das kommt daher, daß die wandernden Elektronen im Leiter je nach seiner Beschaffenheit einen verschiedenen Widerstand finden. Je größer der Widerstand des Leiters ist, um so geringer ist die Stromstärke. Wovon ist der Widerstand eines Leiters abhängig? 37. Vergleicht man die Stromstärken, wenn ein Konstantandraht 1 ) von 1 m Länge und dann ein Eisendraht gleicher Länge und Dicke in den Stromkreis geschaltet ist, so stellt man fest, daß die Stromstärke im ersten Fall viel kleiner ist als im zweiten. Bei einem Kupferdraht gleicher Länge und Dicke wird die Stromstärke so groß, daß der bisherige Meßbereich des Strommessers nicht mehr ausreicht. [12] ') Konstantan ist eine Legierung (vgl. 113) von Kupfer und Nickel und wird als „Widerstandsdraht" verwendet. 2*

19

Der Widerstand des Konstantandrahtes ist also größer als der des Eisendrahtes und derjenige des Eisendrahtes größer als der des Kupferdrahtes; d. h. K u p f e r l e i t e t besser als E i s e n , E i s e n l e i t e t besser als K o n s t a n t a n . Man erkennt daraus: Der Widerstand ist vom Stoff des Leiters abhängig. Der innere Aufbau aller Stoffe ist verschieden, und damit erklärt sieh auch die Verschiedenheit des Widerstandes, den die im Leiter wandernden Elektronen erfahren. 38. Statt des eben benutzten Konstantandrahtes wird ein d ü n n e r e r gleicher Länge eingeschaltet. Die Stromstärke wird geringer. Ist der Querschnitt des Drahtes halb so groß wie eben, so ist auch die Stromstärke die Hälfte. Ersetzt man den Draht dagegen durch einen solchen von doppeltem Querschnitt, so wird die Stromstärke doppelt so groß. [13] Durch diese Versuche ist festgestellt: D o p p e l t e r Q u e r s c h n i t t e i n e s L e i t e r s e r g i b t den h a l b e n W i d e r s t a n d ; h a l b e r Q u e r s c h n i t t den d o p p e l t e n W i d e r stand. Der Widerstand hängt vom Querschnitt des Leiters ab.

Abb. 41. Doppelte Länge des Widerstandsdrahtes = halbe Stromstärke. Die mit dickeren Strichen gezeichneten Leitungen bestehen aus starkem Kupferdraht, dessen Widerstand fast null ist.

20

39. Um den Einfluß der Drahtlänge festzustellen, mißt man zunächst die Stromstärke in einem Widerstandsdraht von 1 m Länge (Abb. 41a); dann die Stromstärke in einem Widerstandsdraht gleicher Dicke von 2 m Länge (Abb. 41 b). Die Stromstärke ist dann halb so groß. Der Widerstand hat sich verdoppelt. Vergleicht man mit einem Draht von y2 m Länge, so verdoppelt sich die Stromstärke, der Widerstand ist also halb so groß. [14]

Doppelte Drahtlänge — doppelter Widerstand. Halbe Drahtlänge — halber Widerstand. Der Widerstand ist von der Länge des Leiters abhängig. Ergebnis: Der Widerstand hängt von Drahtart, Drahtquerschnitt und Drahtlänge ab. 2. Das Ohm 40. Um Widerstandsgrößen zahlenmäßig vergleichen zu können, ist auch hier genau wie bei der Stromstärke und der Spannung eine Maßeinheit festgelegt worden. Die Maßeinheit des Widerstandes wird zu Ehren des deutschen Physikers O h m , der als erster die wichtige Rolle des Widerstandes festgestellt und die Gesetzmäßigkeit zwischen Strom, Spannung und Widerstand erkannt hat, mit Ohm bezeichnet (abgekürzt Q ) ; 10£? heißt also: zehn Ohm. In der nachfolgenden Tabelle ist der Widerstand von Drähten aus verschiedenem Werkstoff von 1 m Länge und 1 qmm Querschnitt angegeben (Artwiderstand oder spezifischer Widerstand). Artwiderstände Silber Kupfer Aluminium Zink Messing

0,016 0,017 0,032 0,061 0,07-0,09

Eisen Blei Konstantan Chromnickel Graphit

0,1-0,2 0,21 0,49 1,06 20-100

Die Größe des Widerstandes eines Leiters von bekanntem Werkstoff kann man aus der Länge und dem Querschnitt mit Hilfe der oben angegebenen Zahlen einfach berechnen. Um auf Grund dieser Gesetzmäßigkeit den Widerstand eines Drahtes berechnen zu können, wendet man eine Rechenformel an

? wobei q (sprich Rho) den Artwiderstand, l die Länge in Metern und q den Querschnitt in Quadratmillimetern bedeutet. Das Ergebnis gibt dann den Widerstand in Ohm an. 21

Ein Draht von 1 qmm Querschnitt besitzt ein Ohm bei einer Länge von Silber

63 m

Messing

Kupfer Aluminium Zink

59 m 33 m 17 m

Eisen je nach Art . 5—10 m Konstantan 2m Chromnickel 0,9 m 0,05-0,01 m

Graphit .

12-15 m

41. Es wurde festgestellt, daß die S t r o m s t ä r k e um so kleiner ist, je größer der Widerstand eines Leiters ist. Man kann auch sagen, daß die F ä h i g k e i t e i n e s L e i t e r s , den S t r o m zu l e i t e n , um so kleiner ist, je größer sein Widerstand ist. In der Technik ist es daher häufig gebräuchlich, von Leitwert zu sprechen. Als Einheit hat man das Siemens (S) gewählt. Sie steht in engem Zusammenhang mit dem Ohm. Der L e i t w e r t i s t die U m k e h r u n g ( K e h r w e r t ) des W i d e r s t a n d e s , also 2 Q entspricht y2 S , I Q entspricht

1 3

3 S.

3 . Spannung, Stromstärke, Widerstand 42. Alle oben erörterten Vorgänge und Erscheinungen zeigen, daß zwischen S t r o m s t ä r k e , S p a n n u n g und W i d e r s t a n d eine bestimmte A b h ä n g i g k e i t besteht. Je höher die Spannung, um so größer die Stromstärke. J e größer der Widerstand, um so kleiner die Stromstärke. Bei gleichbleibendem Widerstand gilt: Doppelte Spannung — doppelte Stromstärke, halbe Spannung — halbe Stromstärke usw. Bei gleichbleibender Spannung gilt: Doppelter Widerstand — halbe Stromstärke, halber Widerstand — doppelte Stromstärke. Die ausgedrückte Gesetzmäßigkeit wird als Ohmsches Gesetz bezeichnet. E s ist von größter Wichtigkeit für das Verständnis der gesamten Elektrizitätslehre. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes läßt sich von den drei Größen — Spannung, Stromstärke und Widerstand — die eine berechnen, wenn die Größe der beiden anderen bekannt ist. E s gilt: S t r o m s t ä r k e g l e i c h S p a n nung dividiert durch W i d e r s t a n d . Ampere = Volt: Ohm. 22

Durch ein Gerät, das 1 Q Widerstand hat und an dessen Enden eine Spannung von 1 V angelegt ist, fließt ein Strom von 1 A. E s ist üblich, noch weiter abzukürzen. Die Stromstärke wird mit J, die Spannung m i t U u n d der Widerstand mit B bezeichnet. E s heißt U J = U : R oder J = — . Ji Beispiele: Eine Glühlampe f ü r 220 V h a t 1000-ß-Widerstand. Die Stromstärke ist 0,22 A. Ein Tauchsieder f ü r 220 V h a t 100-ß-Widerstand. Die Stromstärke ist 2,2 A. Ein Kopfhörer h a t 2000-ß-Widerstand. Werden 4 V Spannung angeschaltet, so fließen h i n d u r c h : 0,002 A.

4. Formen technischer Widerstände 43. F ü r F e r n m e l d e l e i t u n g e n , H o c h s p a n n u n g s f r e i l e i t u n g e n oder E r d k a b e l , die die Städte mit Strom versorgen, kurz, für alle jene Leitungen, die einen möglichst geringen Widerstand haben sollen, ist Kupfer das geeignetste Material. Da Deutschland seinen Kupferbedarf bei weitem nicht aus eigenen Erzlagern decken kann, sondern aus dem Ausland einführen muß, werden jetzt vielfach Aluminium und Aluminiumlegierungen als Leitungsmaterial genommen. Die geringere Leitfähigkeit des Aluminiums wird wettgemacht durch einen größeren Leitquerschnitt. 44. W i d e r s t a n d in L e i t u n g e n ist m e i s t e n s u n e r w ü n s c h t , weil er V e r l u s t e h e r v o r r u f t . Jedoch m u ß im Stromkreis ein b e s t i m m t e r W i d e r s t a n d vorhanden sein, um die Stromstärke auf einen vorgeschriebenen Wert herabzudrücken. H ä u f i g hat das V e r b r a u c h s g e r ä t selbst a u s r e i c h e n d e n W i d e r s t a n d , deshalb können z. B. G l ü h l a m p e , T a u c h s i e d e r , Bügeleisen u n m i t t e l b a r angeschlossen werden. Andernfalls muß ein besonderer W i d e r s t a n d vorgeschaltet werden. 45. In der Elektrotechnik ist es oft auch notwendig, bei gegebener Spannung eine gewünschte Stromstärke einstellen zu können. Dies erreicht man durch regelbare Widerstände. Als Widerstandsdraht dienen dabei geeignete Drahtarten, die großen Widerstand haben, wie z. B. die Metallegierungen K o n s t a n t a n , Nickelin oder andere Werkstoffe. Als Träger des Drahtes dienen glatte oder geriefte Ton-, Porzellan- oder Keramikrohre ™ oder -streifen.

|

r | , 46. Bringt man, wie in Abb. 42 L dargestellt, über der Wider- i standswicklung einen Schieber A b b 4 2 . Weg an, der in metallischer Berührung

i des Stromes durch einen Schlebewiderstand.

23

über den Widerstandsdraht schleift, so entsteht ein Schiebewiderstand. Man kann durch den Schieber ein längeres oder kürzeres Stück des Widerstandsdrahtes einschalten, der Strom fließt dann durch den Widerstandsdraht nur bis zu der Stelle, die der Schieber berührt, von hier aus über den Schieber

J -

Abb. 43. Anwendung eines Scliiebewiderstandes zur Abdunkelung einer Glühlampe.

Abb. 4 4 . Technische Ausführung eines Schiebewiderstandes.

durch die Metallstange weiter zu dem an der Stange angeklemmten Leitungsdraht. Schaltet man nach Abb. 43 z. B . einen Stromkreis aus Sammler, Schiebewiderstand und Glühlampe, so kann man durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Widerstandes die Helligkeit der Lampe regeln. [15] Abb. 44 zeigt die technische Ausführung eines Schiebewiderstandes. 47. E i n e andere B a u a r t eines R e g e l w i d e r s t a n d e s , einen sogenannten Kurbelwiderstand, zeigt Abb. 45. Durch Drehen des Kurbelschalters über die K o n t a k t e 1—5 werden immer größere Längen des Widerstandsdrahtes eingeschaltet.

Abb. 45. Kurbelwiderstand.

5 . D a s Mikrophon 48. Auch das im Fernsprechwesen viel gebrauchte Mikrophon ist im Grunde nichts anderes als ein R e g e l w i d e r s t a n d b e s o n d e r e r B a u a r t , dessen Änderung durch den Schall der Stimme oder den Ton eines Musikinstrumentes erfolgt. Um die Wirkungsweise des Mikrophons zu erklären, legt man nach Abb. 46 zwischen zwei Metallplatten eine Schicht von Kohlekörnern. Die beiden Metallplatten verbindet man über ein Amperemeter mit einer Stromquelle. Drückt man auf die Platten, so erhöht sich die Stromstärke, läßt der Druck „ J „ ,, nach, so wird die Stromstärke wieder J „

Abb. 46. Modell und Schaltung

Mikrophons.

24

eines

geringer.

[16J

D i e K o h l e k ö r n e r l e i t e n den S t r o m . Durch die l o c k e r e B e r ü h rung der einzelnen Körner hat das Mikrophon aber einen b e t r ä c h t l i c h e n W i d e r s t a n d . Der Widerstand der Kohlekörnerschicht wird geringer, wenn die Körner fester aneinandergedrückt werden, der Strom kann daher besser von einem Korn zum anderen fließen. Eine technische Ausführung dieses Mikrophons zeigt Abb. 47. 49. Das Mikrophon, das in der Fernmeldetechnik gebraucht wird, besteht, wie Abb. 48 zeigt, aus einer Kapsel, die teilweise mit Kohlekörnern (unter Kohle ist hier nicht etwa Steinkohle, sondern chemisch reine bzw. Abb. 48. A b b . 47. Mikrophon der FernTechnische Ausführung fast reine Kohle verstanmeldetechnik. eines Mikrophons. den !) gefüllt ist. Die Kapsel ist durch eine dünne K o h l e p l a t t e (Membran) abgeschlossen, an der die Kohlekörner lose anliegen. Der Strom fließt von der Platte durch die Kohlekörner zur Rückwand der Kapsel. Ältere Mikrophone müssen senkrecht gehalten werden. Hält man sie waagerecht, dann berühren die Körner die Membran nicht (Abb. 49), und ein Strom kann nicht fließen. Neuere Mikrophone zeigen diese Erscheinung nicht mehr.

Beim Sprechen werden aufeinanderfolgende Verdichtungen und Verdünnungen der Luft erzeugt, die sich als Schallwellen fortpflanzen. Durch die auftreffende LuftverAbb. 49. Bei horizontaler Haltung älterer Mikrodichtung wird die MemAbb. 50. phone kann kein Strom bran nach innen gewölbt, Auf treffen der Schallwellen auf fließen, da die Kohlekördie Kohleplatte des Mikroner die Kohleplatte nicht die Kohlekörner werden phons. berühren. zusammengedrückt, die Stromstärke steigt (Abb. 50). Durch die nachfolgende Verdünnung der Luft wird die Membran nach außen gezogen, die Körner liegen lockerer aneinander, die Stromstärke sinkt. Im Takte der Schallwellen wird also die Membran bewegt und im gleichen Takte die Stromstärke vergrößert und verkleinert. Die Stromstärkeschwankungen werden dann im Kopfhörer wieder in Schallwellen umgeformt (vgl. 167). Abb. 51 zeigt ein S c h a u b i l d der Änderung des Mikrophonstromes beim Auftrefien der Schallwellen. 25

5 0 . Einen sehr großen Widerstand, oft von mehreren Millionen Ohm, haben die Hochohmwiderstände, die in der Funktechnik eine große Rolle spielen. Diese Widerstände werden u. a. aus kohlehaltigen Stoffen herge-

Strom

Zeit A b b . 51. Besprechen (Modulation) des Mikrophon-Gleichstromes.

stellt, die auf einen Porzellankörper aufgebrannt werden und mit Anschlußkontaktkappen versehen sind. Widerstände sollen eine Angabe des Ohmwertes tragen.

6. Die Schaltung von Widerständen 51. Zwei hintereinandergeschaltete Widerstände wirken wie ein größerer Widerstand; denn die Hintereinanderschaltung (Abb. 52) ist j a letzten Endes nichts anderes als eine Verlängerung des Widerstandsdrahtes. Hat der erste Widerstand 20 i i , der zweite 20 ü , so beträgt der 20S} 20 Si Widerstand beider zusammen bei Hintereinanderschaltung 40 Q. Bezeichnet man den ersten Widerstand mit i?j, den zweiten mit Rv so ist der Gesamtwiderstand Rg -Rg-lOa Rg = R1 + i?2.

-c

Abb. 52. Zwei Widerstände sind hintereinandergeschaltet.

Liegt in einem Stromkreis ein Widerstand, der eine bestimmte Stromstärke zuläßt, und schaltet man nunmehr einen zweiten Widerstand „parallel" (nebeneinander), dann fließt durch diesen ebenfalls Strom. Parallelschaltung bedeutet eine Vergrößerung des Leitungsquerschnittes. E s ist so, als ob für einen Menschenstrom eine Seitenstraße, die der ersten parallel läuft, freigegeben würde. Der Verkehr wird dadurch erleichtert. E s werden durch beide Straßen in der gleichen Zeit m e h r M e n s c h e n z u m Z i e l e k o m m e n , die „ S t r o m s t ä r k e " wird größer. In derselben Weise wird der gesamte Widerstand im Stromkreis durch die Parallelschaltung des zweiten Widerstandes verringert. Es sei angenommen, daß der erste Widerstand 1 Q habe; jetzt wird ein solcher von 10 Q parallel geschaltet. Die beiden parallel geschalteten Widerstände bilden eine Stromverzweigung (vgl. 19). Durch den größeren der Widerstände fließt der kleinere Strom, durch den kleineren Widerstand fließt der größere Strom! Hat der kleinere Widerstand 1 ß und der größere 10 ß , so fließt durch den kleineren eine lOmal größere Stromstärke als durch den größeren. Also ist die Gesamtstromstärke größer als die der „Hauptstraße", d. h. der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Widerstand, also kleiner als 1 ü . 26

Der Gesamtwiderstand bei Parallelschaltung zweier Widerstände ist also geringer als der kleinste Widerstand. .„ & 20 20 nn Eine genaue Berechnung des Gesamtwiderstandes ist für den Techniker notwendig. Die Formel sei angegeben:

- L = A- + J - . Rg

Rl

Rt j

So haben zwei parallelgeschaltete Widerstände von je 20 ü einen Gesamtwiderstand von 10 ß (Abb. 53). [17] Wenn man statt des Widerstandes den L e i t w e r t einführt (vgl. 41), so erhält man: Sg = S, + ,S„ d. h. der Gesamtleitwert ist gleich der Summe der Einzelleitwerte.

20 ßfl Pg '10 • 70ßn' Rg geschaltet.

7. Die Spannungsteiler-Schaltung 52. Um eine Spannung abzugreifen, die nur ein Teil der Gesamtspannung ist, benutzt man die Spannungsteiler-Schaltung. Abb. 54 zeigt die Anordnung. Die gegebene Spannung liegt an den Enden eines Schiebewiderstandes AB. Zwischen dem einen Ende dieses Schiebewiderstandes A (Anfang) und dem Läufer G liegt dann die Teilspannung. Sie ist Null, wenn der Läufer in A steht und gleich der Gesamtspannung, wenn der Läufer am anderen Ende steht. I n den Z w i s c h e n s t e l lungen e r g e b e n sich alle m ö g l i c h e n W e r t e zwischen Null u n d der vollen Spannung. [18] standes als Spannungsteiler. Überblick 1. Jeder Leiter hat einen bestimmten Widerstand. 2. Je größer der Widerstand, desto geringer die Stromstärke. 3. Der Widerstand hängt von Art, Dicke und Länge eines Leiters ab. i. Maßeinheit des Widerstandes ist das Ohm (Q). 5. Leitwert ist der Kehrwert des Widerstandes. 6. Einheit des Leitwertes ist das Siemens (S). 7. Zwischen S t r o m , S p a n n u n g und W i d e r s t a n d besteht folgende G e s e t z m ä ß i g k e i t : Bei gleichbleibendem Widerstand gilt: doppelte Spannung — doppelte Stromstärke. Bei gleichbleibender Spannung: doppelter Widerstand — halbe Stromstärke. (Ohmsches Gesetz.) 27

8. Zur Einstellung bestimmter Stromstärken werden Regelwiderstände benutzt. 9. Das Mikrophon ist ein veränderlicher Widerstand, dessen Veränderung durch die auf die Membran aufteilenden Schallwellen erfolgt. 10. Bei Hintereinanderschaltung zweier Widerstände ist der Gesamtwiderstand gleich der Summe der einzelnen Widerstände. 11. Bei Parallelschaltung ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste der Einzelwiderstände.

D. Leitung des elektrischen Stromes 1. Feste Körper als Leiter 53. Stoffe, durch die der elektrische Strom fließen kann, werden Leiter genannt. J e größer die Leitfähigkeit des Stoffes ist, desto geringer ist sein Widerstand. Wie schon gezeigt (vgl. 40), sind nicht alle Stoffe als Leiter gleichwertig. Die meisten Metalle sind gute Leiter. Kupfer leitet besser als Eisen, Eisen besser als Konstantan. 54. Ebenso wichtig wie die Leiter sind für die Elektrotechnik die Nichtleiter oder Isolatoren. G u t e I s o l a t o r e n sind G u m m i , Glas, G l i m m e r , B e r n s t e i n , P o r z e l l a n , W a c h s , P a r a f f i n , ferner k ü n s t l i c h e H a r z s t o f f e (Pertinax, Bakelit, Trolit), k e r a m i s c h e M a s s e n und andere. Sie werden zum Isolieren von Leitungen gebraucht. 55. Zwei Drähte, zwischen denen eine elektrische Spannung liegt, dürfen sich nicht metallisch berühren, da sonst der Strom den fast widerstandslosen Weg über diese Stelle nimmt und dabei zu unzulässig hohen Stromstärken anschwillt (Kurzschluß). Die Leitungsdrähte werden deshalb .mit einer Isolierschicht von Gummi, Guttapercha, paraffiniertem Papier u. ä. umgeben. Abb. 55 zeigt den sogenannten Z-Draht, der durch einen Gummimantel und mit einem umklöppelten paraffingetränkten Baumwollgewebe isoliert ist. Abb. 56 zeigt eine Doppelleitung, die zum Schutz gegen Feuchtigkeit oder mechanische Verletzung mit einem Bleimantel versehen ist (vielfach verwendet bei Postleitungen).

Abb. 55. Z-Draht.

28

Abb. 56. Doppeladriges Kabel.

8. Zur Einstellung bestimmter Stromstärken werden Regelwiderstände benutzt. 9. Das Mikrophon ist ein veränderlicher Widerstand, dessen Veränderung durch die auf die Membran aufteilenden Schallwellen erfolgt. 10. Bei Hintereinanderschaltung zweier Widerstände ist der Gesamtwiderstand gleich der Summe der einzelnen Widerstände. 11. Bei Parallelschaltung ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste der Einzelwiderstände.

D. Leitung des elektrischen Stromes 1. Feste Körper als Leiter 53. Stoffe, durch die der elektrische Strom fließen kann, werden Leiter genannt. J e größer die Leitfähigkeit des Stoffes ist, desto geringer ist sein Widerstand. Wie schon gezeigt (vgl. 40), sind nicht alle Stoffe als Leiter gleichwertig. Die meisten Metalle sind gute Leiter. Kupfer leitet besser als Eisen, Eisen besser als Konstantan. 54. Ebenso wichtig wie die Leiter sind für die Elektrotechnik die Nichtleiter oder Isolatoren. G u t e I s o l a t o r e n sind G u m m i , Glas, G l i m m e r , B e r n s t e i n , P o r z e l l a n , W a c h s , P a r a f f i n , ferner k ü n s t l i c h e H a r z s t o f f e (Pertinax, Bakelit, Trolit), k e r a m i s c h e M a s s e n und andere. Sie werden zum Isolieren von Leitungen gebraucht. 55. Zwei Drähte, zwischen denen eine elektrische Spannung liegt, dürfen sich nicht metallisch berühren, da sonst der Strom den fast widerstandslosen Weg über diese Stelle nimmt und dabei zu unzulässig hohen Stromstärken anschwillt (Kurzschluß). Die Leitungsdrähte werden deshalb .mit einer Isolierschicht von Gummi, Guttapercha, paraffiniertem Papier u. ä. umgeben. Abb. 55 zeigt den sogenannten Z-Draht, der durch einen Gummimantel und mit einem umklöppelten paraffingetränkten Baumwollgewebe isoliert ist. Abb. 56 zeigt eine Doppelleitung, die zum Schutz gegen Feuchtigkeit oder mechanische Verletzung mit einem Bleimantel versehen ist (vielfach verwendet bei Postleitungen).

Abb. 55. Z-Draht.

28

Abb. 56. Doppeladriges Kabel.

Schneidet man ein Kabel durch, so erkennt man, daß die Kupferleitung nicht den meisten Platz einnimmt, sondern die in mehreren Lagen um den Leiter gewickelte Isolierung. Da in den Erdboden verlegte Kabel gegen den leitenden Erdboden isoliert sein müssen, bedarf es einer I s o l i e r s c h i c h t , die auch nach jahrzehntelangem Lagern nicht fault oder sonstwie zerstört wird. Desgleichen ist eine Isolierung an Steckdosen, Schaltern usw. nötig, um die Berührung der stromführenden Leiter unmöglich zu machen. Alle e l e k t r i s c h e n G e r ä t e , die f ü r h ö h e r e S p a n n u n g e n e i n g e r i c h t e t s i n d , m ü s s e n gegen B e r ü h r u n g i s o l i e r t sein. 2. Flüssigkeiten als Leiter 56. Eine besondere Gruppe bilden die Flüssigkeiten. Viele von ihnen sind gute Isolatoren, z. B. öl, Alkohol, Glyzerin. Auch chemisch reines Wasser leitet fast nicht. Um dem Wasser die Spannung zuzuführen, taucht man nach Abb. 57 zwei Metallstreifen in ein mit Wasser gefülltes Gefäß. Solche eintauchenden Zuleitungen nennt man Elektroden. Die beiden Elektroden verbindet man über ein Amperemeter mit einer Stromquelle. [19] Wenn sich im Gefäß chemisch reines, sogenanntes destilliertes Wasser befindet, schlägt Abb. 57. Keines Wasser leitet den das Amperemeter nicht aus. Strom nieht.

57. Nun setzt man dem Wasser etwas Kochsalzlösung zu: das Amperemeter zeigt einen Strom an. Auch die L ö s u n g vieler a n d e r e r Salze k a n n m a n m i t d e m s e l b e n E r f o l g dem W a s s e r z u s e t z e n . Fügt man dem reinen Wasser Essig hinzu, so schlägt das Amperemeter ebenfalls aus. Essig ist sauer, er enthält Essigsäure. Es gibt noch viele andere Säuren; genannt seien die Schwefel- und Salzsäure. Werden sie dem Wasser zugesetzt, so leitet dieses ebenfalls den Strom. Auch sogenannte Laugen (Natron- oder Kalilauge) wirken in gleicher Weise1). Desgleichen leitet Quell- und Leitungswasser den elektrischen Strom, da es kein chemisch reines Wasser ist, sondern gelöste Salze enthält. Flüssigkeiten, die den elektrischen Strom leiten, nennt man Elektrolyte2). !) Laugen sind chemische Flüssigkeiten, die ihren Namen daher haben, daß sie sich zwischen den Fingern anfühlen wie Seifenlauge. 2 ) Strenggenommen heißen nur die zugesetzten Stoffe Elektrolyte. Dem Sprachgebrauch nach bezeichnet man aber heute die leitende Flüssigkeit mit diesem Namen. 29

58. Der Stromdurchgang in den Elektrolyten geht etwas anders vor sich wie in Metallen. Während in den Metallen die Elektronen sich zwischen den Atomen bewegen, die Metallatome selbst aber am Orte bleiben, werden im Elektrolyten die mit Elektronen beladenen bzw. die der Elektronen beraubten Teilchen der zugesetzten Stoße selbst bewegt. (Weiteres 127.) Manche Stofle, die in trockenem Zustande Nichtleiter sind, leiten, sobald sie feucht werden (z. B. Holz, Papier usw.), da dann das in ihnen enthaltene Wasser eine Leitung hervorruft. 3. Die Erde als Leiter 59. Von besonderer Bedeutung ist die Leitfähigkeit des feuchten Erdbodens, insbesondere der Schichten, die vom Grundwasser durchsetzt sind. Will man z. B. von einer Stromquelle A aus (Abb. 58) eine entfernt liegende Stelle B mit Strom versorgen, 9 9 n s so braucht man eine H i n - u n d annungs-l''einschutz (350 V).

Abb. 73. Xj'berspannungs-Grobschutz (2000 V).

Abb. 74. Sehaltzeichen.

Beim Überspannungs-Feinschutz (Abb. 75) geht die E n t l a d u n g durch den gasverdünnten R a u m in der Röhre und beginnt schon bei verhältnismäßig kleinen Überspannungen. Überblick 1. Stoffe, die den Strom nicht leiten, heißen Isolatoren. 2. Leitende Flüssigkeiten heißen Elektrolyte. 3. Chemisch reines Wasser, auch Schnee sind Nichtleiter; werden dem Wasser S a l z e , S ä u r e n o d e r L a u g e n zugesetzt, so leitet die Lösung. *) Der Hörnerableiter wird heute durch neuzeitlichere Schutzgeräte verdrängt. 36

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Die feuchte Erde ist ein Leiter. Durch die Erdleitung läßt sich ein Leitungsdraht sparen. Der menschliche Körper leitet. Luft u n d a n d e r e Gase sind gute Isolatoren. Bei sehr hohen Spannungen kann der Strom aber auch seinen Weg durch die Luft nehmen. Leichter geschieht der Durchgang der Elektrizität d u r c h v e r d ü n n t e Luft. Glimmröhren und Glimmlampen sind Röhren, deren Gasinhalt sehr stark verdünnt ist. Das Glimmlicht setzt erst bei der sogenannten Zündspannung ein. Überspannungsschutz dient gegen Schäden durch zu hohe Spannungen.

E. Watt, Kilowatt, Kilowattstunde 78. Wie man Gas vom Gaswerk, Wasser vom Wasserwerk kauft, so kann man auch elektrischen Strom vom Elektrizitätswerk kaufen. Nun ist für den Verbraucher meistenteils die Menge des angelieferten Wassers oder Gases von Bedeutung. Denn er muß diese Menge bezahlen. Der Druck dient nur dazu, Gas und Wasser an die Verbrauchsstelle zu befördern. Anders ist es bei einer Preßluftleitung. Hier bestimmen D r u c k und L u f t m e n g e j e S e k u n d e die L e i s t u n g s f ä h i g k e i t . Auch der elektrische Strom soll eine Leistung vollbringen, einen Motor treiben, Licht oder Wärme erzeugen. Auch hier hängt die Größe der L e i s t u n g nicht allein von der S t r o m s t ä r k e , sondern auch von d e r e l e k t r i s c h e n S p a n n u n g ab. 79. Man hat gefunden, daß die elektrische Leistung durch das P r o d u k t a u s S t r o m s t ä r k e u n d S p a n n u n g bestimmt ist. Leistung = Spannung mal Stromstärke. Die Leistung wird in der Elektrizitätslehre in „Watt" ausgedrückt. Es ist Watt = Volt mal Ampere. Fließt also durch eine Lampe bei 220 Volt ein Strom von 1 / t Ampere, so leistet der Strom in der Lampe 55 Watt. [25] 80. Die Einteilung der Glühlampen wurde früher nach ihrer Lichtstärke in „Kerzen" vorgenommen. Heute teilt man sie nach der Leistung, die sie aufnehmen, ein. Es gibt 25-Watt-Lampen für 220 V Spannung. Sie brauchen also etwa 0,114 A (denn: 0,114 A X 220 V = 25 Watt). Andererseits benutzt man auch für Kraftwagenscheinwerfer oder Kleinkinogeräte Lampen von 25 Watt, die aber mit 6 V brennen. Diese Lampen brauchen dann etwa 4,2 A (denn 4,2 A X 6 V = etwa 25 Watt). 37

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Die feuchte Erde ist ein Leiter. Durch die Erdleitung läßt sich ein Leitungsdraht sparen. Der menschliche Körper leitet. Luft u n d a n d e r e Gase sind gute Isolatoren. Bei sehr hohen Spannungen kann der Strom aber auch seinen Weg durch die Luft nehmen. Leichter geschieht der Durchgang der Elektrizität d u r c h v e r d ü n n t e Luft. Glimmröhren und Glimmlampen sind Röhren, deren Gasinhalt sehr stark verdünnt ist. Das Glimmlicht setzt erst bei der sogenannten Zündspannung ein. Überspannungsschutz dient gegen Schäden durch zu hohe Spannungen.

E. Watt, Kilowatt, Kilowattstunde 78. Wie man Gas vom Gaswerk, Wasser vom Wasserwerk kauft, so kann man auch elektrischen Strom vom Elektrizitätswerk kaufen. Nun ist für den Verbraucher meistenteils die Menge des angelieferten Wassers oder Gases von Bedeutung. Denn er muß diese Menge bezahlen. Der Druck dient nur dazu, Gas und Wasser an die Verbrauchsstelle zu befördern. Anders ist es bei einer Preßluftleitung. Hier bestimmen D r u c k und L u f t m e n g e j e S e k u n d e die L e i s t u n g s f ä h i g k e i t . Auch der elektrische Strom soll eine Leistung vollbringen, einen Motor treiben, Licht oder Wärme erzeugen. Auch hier hängt die Größe der L e i s t u n g nicht allein von der S t r o m s t ä r k e , sondern auch von d e r e l e k t r i s c h e n S p a n n u n g ab. 79. Man hat gefunden, daß die elektrische Leistung durch das P r o d u k t a u s S t r o m s t ä r k e u n d S p a n n u n g bestimmt ist. Leistung = Spannung mal Stromstärke. Die Leistung wird in der Elektrizitätslehre in „Watt" ausgedrückt. Es ist Watt = Volt mal Ampere. Fließt also durch eine Lampe bei 220 Volt ein Strom von 1 / t Ampere, so leistet der Strom in der Lampe 55 Watt. [25] 80. Die Einteilung der Glühlampen wurde früher nach ihrer Lichtstärke in „Kerzen" vorgenommen. Heute teilt man sie nach der Leistung, die sie aufnehmen, ein. Es gibt 25-Watt-Lampen für 220 V Spannung. Sie brauchen also etwa 0,114 A (denn: 0,114 A X 220 V = 25 Watt). Andererseits benutzt man auch für Kraftwagenscheinwerfer oder Kleinkinogeräte Lampen von 25 Watt, die aber mit 6 V brennen. Diese Lampen brauchen dann etwa 4,2 A (denn 4,2 A X 6 V = etwa 25 Watt). 37

Größere Leistungen werden in Kilowatt (kW) angegeben. 1 Kilowatt = 1000 Watt. 81. In der Technik wird häufig die Leistung des Motors, z. B. des KraftWagen- oder Flugzeugmotors, in Pferdestärken (PS) gemessen. Es gilt folgende Beziehung: 1 PS = ungefähr 3/„ kW. 82. Die Kosten, die der Betrieb einer Lampe oder eines Motors verursacht, hängen aber nicht nur von den aufgenommenen Watt bzw. Kilowatt ab, sondern auch von der Zeitdauer, während der die elektrische Leistung in Anspruch genommen wird. Was wir dem Elektrizitätswerk bezahlen müssen, ist die vollbrachte Arbeit, d. h. die Leistung mal der Zeit. Diese Arbeit wird in Wattsekunden oder, da dieses Maß für die technischen Verhältnisse zu klein ist, in einer größeren Einheit, in Kilowattstunden (kWh)1) angegeben. Wird z. B. ein Kilowatt eine Stunde lang verbraucht, so muß eine Kilowattstunde bezahlt werden. Wird ein Kilowatt eine halbe Stunde lang verbraucht, so muß eine halbe kWh bezahlt werden. Kilowattstundenzahl = Kilowatt x Stunden. 83. Meßgeräte, die diese Arbeit anzeigen, sind dieElektrizitätszähler, die vom Elektrizitätswerk bei jedem Verbraucher angebracht werden. Sie enthalten meistens kleine Motoren, die ein Zählwerk antreiben, das die elektrische Arbeit direkt in Kilowattstunden angibt. Überblick 1. Die elektrische Leistung wird in Watt angegeben. Die größere Einheit ist das Kilowatt (kW). 2. Die elektrische Arbeit ist L e i s t u n g mal Zeit. Die in der Elektrotechnik benutzte Einheit ist die Kilowattstunde (kWh).

F. Ladung und elektrisches Feld 1. Ladungen 84. In der technischen und wissenschaftlichen Fachsprache bezeichnet man einen Elektronenüberschuß als negative Ladung. Körper mit Elektronenüberschuß nennt man negativ geladen. Demgegenüber besitzen Körper mit Elektronenmangel positive Ladung. *) Der Buchstabe h ist gewählt von dem lateinischen hora, die Stunde.

38

Größere Leistungen werden in Kilowatt (kW) angegeben. 1 Kilowatt = 1000 Watt. 81. In der Technik wird häufig die Leistung des Motors, z. B. des KraftWagen- oder Flugzeugmotors, in Pferdestärken (PS) gemessen. Es gilt folgende Beziehung: 1 PS = ungefähr 3/„ kW. 82. Die Kosten, die der Betrieb einer Lampe oder eines Motors verursacht, hängen aber nicht nur von den aufgenommenen Watt bzw. Kilowatt ab, sondern auch von der Zeitdauer, während der die elektrische Leistung in Anspruch genommen wird. Was wir dem Elektrizitätswerk bezahlen müssen, ist die vollbrachte Arbeit, d. h. die Leistung mal der Zeit. Diese Arbeit wird in Wattsekunden oder, da dieses Maß für die technischen Verhältnisse zu klein ist, in einer größeren Einheit, in Kilowattstunden (kWh)1) angegeben. Wird z. B. ein Kilowatt eine Stunde lang verbraucht, so muß eine Kilowattstunde bezahlt werden. Wird ein Kilowatt eine halbe Stunde lang verbraucht, so muß eine halbe kWh bezahlt werden. Kilowattstundenzahl = Kilowatt x Stunden. 83. Meßgeräte, die diese Arbeit anzeigen, sind dieElektrizitätszähler, die vom Elektrizitätswerk bei jedem Verbraucher angebracht werden. Sie enthalten meistens kleine Motoren, die ein Zählwerk antreiben, das die elektrische Arbeit direkt in Kilowattstunden angibt. Überblick 1. Die elektrische Leistung wird in Watt angegeben. Die größere Einheit ist das Kilowatt (kW). 2. Die elektrische Arbeit ist L e i s t u n g mal Zeit. Die in der Elektrotechnik benutzte Einheit ist die Kilowattstunde (kWh).

F. Ladung und elektrisches Feld 1. Ladungen 84. In der technischen und wissenschaftlichen Fachsprache bezeichnet man einen Elektronenüberschuß als negative Ladung. Körper mit Elektronenüberschuß nennt man negativ geladen. Demgegenüber besitzen Körper mit Elektronenmangel positive Ladung. *) Der Buchstabe h ist gewählt von dem lateinischen hora, die Stunde.

38

85. Die Begriffe positive und negative Ladung wurden in einer Zeit geprägt, in der man von dem Vorhandensein der Elektronen noch keine Kenntnis hatte. Nach der heutigen Anschauung sind die Elektronen die Träger der negativen Lädung. N e g a t i v l a d e n h e i ß t also, E l e k t r o n e n zuführen. Die Atome, denen eine oder mehrere ihrer Elektronen entzogen werden, bleiben demgegenüber positiv geladen zurück. Die positive Ladung kann sich also nicht frei bewegen wie das Elektron, sondern ist an das Atom fest gebunden. Einen Körper p o s i t i v a u f l a d e n h e i ß t a l s o n i c h t s . a n d e r e s , als ihm E l e k t r o n e n e n t z i e h e n . In diesem Sinne ist der Ausdruck stets zu verstehen. 86. Gleichen sich Überschuß und Mangel an Elektronen— also n e g a t i v e und p o s i t i v e L a d u n g — aus, so ist der Körper neutral — er i s t ungeladen. 2. Das Feld, Feldlinien Durch einfache Versuche kann man feststellen, daß Körper mit vers c h i e d e n a r t i g e r L a d u n g sich e i n a n d e r a n z i e h e n , während gleicha r t i g g e l a d e n e sich a b s t o ß e n . [26] 87. Die anziehenden und abstoßenden Kräfte der Ladungen wirken durch den Baum zwischen den beiden geladenen Körpern hindurch. Auch durch den luftleeren Raum tritt dieser Einfluß auf. Man nennt den von elektrischen Kräften durchsetzten Raum ein elektrisches Feld.

A b b . 7G. E l e k t r i s c h e Feldlinien zwischen zwei P l a t t e n .

A b b . 77. E l e k t r i s c h e F e l d l i n i e n u m eine Kugel bzw. einen L e i t e r .

39

Man kann das elektrische Feld auf eine einfache Weise veranschaulichen : Auf einer Glasplatte befestigt man zwei parallele Metallstreifen und streut kleingeschnittene Haare, Gipskristalle oder andere kleine Körperchen auf. Ladet man die Metallstreifen mit einer hohen Spannung entgegengesetzt auf, so ordnen sich diese Körper in bestimmten Richtungen kettenartig hintereinander. Abb. 76 zeigt das Ergebnis dieses Versuches. [27] Befestigt man eine runde Platte in ähnlicher Weise und ladet diese auf, so erhält man die Abb. 77. Sie stellt das Bild durch den Schnitt eines elektrischen Feldes um eine Kugel im Räume dar. Nicht die unsichtbaren Feldlinien selbst, sondern nur ihre Richtung wurde so durch den Versuch sichtbar gemacht. 88. Elektrische Felder breiten sich mit großer Geschwindigkeit aus. Sie pflanzen sich in einer Sekunde um 300000 km fort. Die Ausbreitung der Funkwellen hängt mit diesen elektrischen Feldern aufs engste zusammen. Überblick 1. Körper mit Elektronenmangel heißen positiv geladen, solche mitElektronenüberschuß negativ geladen. 2. P o s i t i v e u n d n e g a t i v e L a d u n g z i e h e n e i n a n d e r an. G l e i c h a r t i g e L a d u n g e n s t o ß e n e i n a n d e r ab. 3. Der von elektrischen Kräften durchsetzte Raum wird elektrisches Feld genannt.

G. Kondensator 1. Die Wirkungsweise des Kondensators 89. Zwei Metallplatten, einander gegenübergestellt und durch einen Isolator voneinander getrennt, bilden einen Kondensator (Abb. 78). Die isolierende Zwischenschicht ist entweder Luft ( L u f t k o n d e n s a t o r ) oder ein fester Isolierstoff, z. B. Glimmer (Glimmerkondensator), Glas oder paraffiniertes Papier oder eine isolierende Flüssigkeit, z. B. Öl. 90. Abb. 79 zeigt einen Plattenkondensator, bei dem der Abstand veränderlich eingestellt werden kann. Ladet man die eine Platte positiv, die andere negativ auf, so ziehen sich die beiden Ladungen an, sie b i n d e n sich g e g e n s e i t i g . Je näher die beiden Platten einander gegenüberstehen, um so stärker 40

Man kann das elektrische Feld auf eine einfache Weise veranschaulichen : Auf einer Glasplatte befestigt man zwei parallele Metallstreifen und streut kleingeschnittene Haare, Gipskristalle oder andere kleine Körperchen auf. Ladet man die Metallstreifen mit einer hohen Spannung entgegengesetzt auf, so ordnen sich diese Körper in bestimmten Richtungen kettenartig hintereinander. Abb. 76 zeigt das Ergebnis dieses Versuches. [27] Befestigt man eine runde Platte in ähnlicher Weise und ladet diese auf, so erhält man die Abb. 77. Sie stellt das Bild durch den Schnitt eines elektrischen Feldes um eine Kugel im Räume dar. Nicht die unsichtbaren Feldlinien selbst, sondern nur ihre Richtung wurde so durch den Versuch sichtbar gemacht. 88. Elektrische Felder breiten sich mit großer Geschwindigkeit aus. Sie pflanzen sich in einer Sekunde um 300000 km fort. Die Ausbreitung der Funkwellen hängt mit diesen elektrischen Feldern aufs engste zusammen. Überblick 1. Körper mit Elektronenmangel heißen positiv geladen, solche mitElektronenüberschuß negativ geladen. 2. P o s i t i v e u n d n e g a t i v e L a d u n g z i e h e n e i n a n d e r an. G l e i c h a r t i g e L a d u n g e n s t o ß e n e i n a n d e r ab. 3. Der von elektrischen Kräften durchsetzte Raum wird elektrisches Feld genannt.

G. Kondensator 1. Die Wirkungsweise des Kondensators 89. Zwei Metallplatten, einander gegenübergestellt und durch einen Isolator voneinander getrennt, bilden einen Kondensator (Abb. 78). Die isolierende Zwischenschicht ist entweder Luft ( L u f t k o n d e n s a t o r ) oder ein fester Isolierstoff, z. B. Glimmer (Glimmerkondensator), Glas oder paraffiniertes Papier oder eine isolierende Flüssigkeit, z. B. Öl. 90. Abb. 79 zeigt einen Plattenkondensator, bei dem der Abstand veränderlich eingestellt werden kann. Ladet man die eine Platte positiv, die andere negativ auf, so ziehen sich die beiden Ladungen an, sie b i n d e n sich g e g e n s e i t i g . Je näher die beiden Platten einander gegenüberstehen, um so stärker 40

wird diese Bindung und um so größere elektrische Ladungen können dann auf den Kondensator gebracht werden.

"

Zuleitungen

^

Isolator Luft

Metallplatten

Abb. 78. Aufbau eines Kondensators.

Abb. 79. Plattenkondensator mit verstellbarem Plattenabstand.

91. Diese Aufspeicherung von Ladungen kann man durch einen einfachen Versuch zeigen: In der in Abb. 80 angegebenen Schaltung ist ein größerer Kondensator in Reihe mit einem empfindlichen Amperemeter geschaltet. Wird der Schalter nach a gelegt, so schlägt das Amperemeter für einen Augenblick aus. Das ist ein Zeichen dafür, daß ein kurzdauernder Strom fließt. Es ist der sogenannte Aufladestrom. Wird der Schalter nun geöffnet und nach b gelegt, so schlägt das Amperemeter wiederum aus, aber diesmal nach der entgegengesetzten Seite, d. h. der Strom fließt in umgekehrter Richtung wie oben. Man nennt ihn Entladestrom. Zwischen Aufladung und Entladung ist ^ ^ " . t h t i t ^ l " die Ladung in dem Kondensator verblieben. [28] 6: Entladen des Kondensators. 2. Die Kapazität 92. Wiederholt man obigen Versuch bei g l e i c h e r S p a n n u n g der Stromquelle, a b e r m i t v e r s c h i e d e n e n K o n d e n s a t o r e n , so bemerkt man, daß der Ausschlag des Amperemeters verschieden groß ist. Die Größe des Aufladestromes und somit auch die Größe der Ladung, die der Kondensator erhält, ist je nach dem Fassungsvermögen des Kondensators verschieden. [29] Dieses Fassungsvermögen wird Kapazität genannt. J e d e r K o n d e n sator h a t eine b e s t i m m t e K a p a z i t ä t . 93. Die Einheit der Kapazität ist das Farad (F). Diese Maßeinheit, die aus theoretischen Voraussetzungen entsprang, ist unpraktisch groß. Daher bedient man sich in der Technik fast nur des Mikrofarad (fi F). 1 Farad = 1 Million //F. 41

Sehr kleine Kapazitäten werden auch in Picofarad (pF) gemessen. 1 ¡¿F = 1 Million pF. (In der F u n k t e c h n i k ist auch noch das Maß „ c m " hin und wieder gebräuchlich, 1 cm ist etwa 1 pF.) 94. Die Kapazität ist abhängig von der Größe der beiden gegenüberstehenden Metallflächen, ihrem gegenseitigen Abstand und von der Art der isolierenden Zwischenschicht. Die vom Kondensator aufgenommene E l e k t r i z i t ä t s m e n g e hängt nicht nur von der K a p a z i t ä t ab. Wenn man den oben angegebenen Versuch mit demselben Kondensator, aber bei verschiedenen Spannungen der Stromquelle d u r c h f ü h r t , so bemerkt man, daß der Ausschlag des Amperemeters u m so größer ist, je höher die an den Kondensator angelegte Spannung ist. [30] Bei größerer Spannung fließt eine größere L a d u n g auf den Kondensator als bei kleinerer Spannung. Die Ladung, die der Kondensator a u f n i m m t , ist also abhängig von der Kapazität und der Spannung. Als Gesetzmäßigkeit wird dieses durch die Gleichung ausgedrückt: Q = C • U, wobei Q die Größe der Ladung, C die Kapazität (Farad) und U die Spannung (Volt) bedeutet. Ein Vergleich: J e größer ein Luftdruckkessel ist, um so größer ist auch sein Fassungsvermögen f ü r L u f t . Die Menge der L u f t (Ladung), die eingepumpt wird, h ä n g t ab von dem Fassungsvermögen (Kapazität) und dem Druck der P u m p e (Spannung). 3 . S c h a l t u n g e n v o n Kondensatoren 95. E s k o m m t vor, daß die K a p a z i t ä t eines Kondensators f ü r die notwendige Aufspeicherung der Ladung nicht ausreicht. D a n n schaltet man mehrere Kondensatoren parallel (Abb. 81). L a d e t man diese parallelgeschalteten Kondensatoren auf, so finden die Ladungen vergrößerte P l a t t e n . Das Fassungsvermögen ist also größer. Durch Messung kann man feststellen, daß C = Cj + C 2 + C 3 + C 4 (Abb. 82), 42

^ f l

Abb. 81. Vier Kondensatoren sind parallelgeschaltet, sie wirken wie ein Kondensator v o n vierfacher Plattenfläche.

Abb. 82. Schaltplan zu Abb. 81.

also die Gesamtkapazität gleich der Summe der einzelnen Kapazitäten ist. [31] Ähnliche Vorgänge findet man beim Parallelschalten von Sammlern. Auch hier wird das Fassungsvermögen der Sammler entsprechend der Zahl der parallelgeschalteten Platten vergrößert (vgl. 141).

96. Wenn man dagegen Kondensatoren hintereinanderschaltet, so verteilt sich, die Gesamtspannung auf die einzelnen Kondensatoren. Es erhält also jeder Kondensator nur einen Teil der Ge^ n samtspannung (Abb. 83). Die gesamte Kapazität ist dabei geringer als diejenige des kleinsten der Ci Kondensatoren. [32] Bezüglich des Fassungsvermögens gilt dann die Beziehung C Cj Cf 2

n

0n 1

0n2

G,

c.

A b b . 83. Vier Kondensatoren hintereinander geschaltet.

4. Der Kondensator im Gleichstromkreis 97. Schaltet man vor den Kondensator ein r~ Glimmlämpchen und legt dann Gleichspan^ j nung an (Abb. 84), so leuchtet die mit dem ^^ negativen Pol verbundene Elektrode der A b b g4 Lampe während der Ladung auf und ver- Kondensatorund ' löscht dann. Nach der Aufladung des Kon^ ^ ^ ¡ X densators fließt kein Strom mehr. Der geschaltet. Kondensator wirkt im Gleichstromkreis als Stromsperre. Er blockiert also den Gleichstrom und trägt dann den Namen Block- Kondensator. 43

5. Der Kondensator an Wechselspannung 98. Schaltet man eine Wechselspannung an den Kondensator, so leuchtet, die Glimmlampe dauernd. Zur Aufklärung dient folgender Versuch: Man stellt einen Wechselstrom m i t Hilfe des Stromwenders (Abb. 85) aus Gleichstrom her. Bei jeder U m d r e h u n g der Kurbel werden die Klemmen des Kondensators zweimal umgepolt (Abb. 85a).

Abb. 85. Stromwender (Wirkungsweise vgl. Abi). 85 a).

Abb. 85a. Bei der Drehung des Volwechslers werden die P u n k t e a und b abwechselnd an Plus und Minus gelegt.

Beim Einschalten b r e n n t das Lämpchen n u r so lange, wie die Aufladung des Kondensators dauert. Dreht man den Stromwender n u n langsam weiter, so wechseln die Pole, d. h.: znuächst wird der Kondensator entladen u n d zugleich i m umgekehrten Sinne aufgeladen (dabei glimmt das Lämpchen wieder auf). Beim Weiterdrehen wiederholt sich das Spiel. Bei schneller Drehung folgen die Lichtblitze der Lampe so schnell, daß das Auge den Eindruck des dauernden Leuchtens hat. Ebenso wirkt die Wechselspannung des Netzes.

Am Wechselstromnetz brennt die Glimmlampe genau so, als ob statt des Kondensators nur ein Widerstand vor das Lämpchen geschaltet wäre. [33] 99. Im Wechselstromkreis ist der Kondensator keine Unterbrechung;, sondern er wirkt wie ein Widerstand. Man spricht daher auch vom „kapazitiven" Widerstand eines Kondensators zum Unterschied vom ,,Oh iris c h e n " W i d e r s t a n d eines Leitungsdrahtes (vgl. 40). Wechselstrom kann also durch einen Kondensator geleitet werden. Der Kondensator wird in der Elektrotechnik häufig verwandt, um die auf einer Leitung gemeinsam fließenden Gleich- und Wechselströme zu trennen. Wird in die Leitung ein Kondensator eingeschaltet, so wird der Gleichstrom abgeriegelt, der Wechselstrom geht hindurch. (Vgl. 211.) 44

6 . Technische F o r m e n von K o n d e n s a t o r e n 100. Die älteste Form eines Kondensators ist die Kleistsche Flasche (auch Leidener Flasche genannt). Die Innen- und Außenseite eines Glasgefäßes ist mit einer dünnen Metallschicht belegt. Daher tragen die beiden Metallflächen eines Kondensators auch den Namen „Belegung". Kondensatoren ähnlicher Form finden noch heute in der Hochspannungstechnik Verwendung. 101. Um Kondensatoren von großer Kapazität zu schaffen, muß man die Platten sehr groß machen. Da es auf die Dicke der Platten nicht ankommt, sondern nur auf die Fläche, nimmt man, um Raum zu sparen, dünne Dielektrikum (piraffffliertes Papier]^

Abb. 80. A u f b a u eines Wickelkondcnsators.

A b b . 87. Technische Ausführung eines W i r k e ! konrjrnsators {auch B e c h e r k o n d e n s a t o r genannt).

Metallblätter, die gegeneinander durch dünne Isolatoren (Paraffinpapier) getrennt sind. Diese Metallstreifen, auf beiden Seiten mit Paraffinpapier belegt, werden zu einer Rolle aufgewickelt und die Zuleitungen getrennt herausgeführt. So entsteht ein Wickelkondensator (Abb. 86), der in einem kleinen Metallgefäß untergebracht und mit Isoliermasse vergossen wird (Abb. 87). 102. Bei anderen technischen Kondensatoren sind Plattenpakete so zusammengestellt, daß die Gegenplatten in die Zwischenräume eingreifen (Abb. 88). Dadurch wird erreicht, daß der Kondensator wenig Platz einnimmt, obgleich die Gesamtfläche der Platten verhältnismäßig groß ist. Abb. 89 zeigt die technische Ausführung eines solchen Plattenkondensators mit einem festen Isolierstoff (Glas, Glimmer), wie er in der Wechselstromtechnik gebraucht wird. 103. Bringt man die eine Plattengruppe gegenüber der anderen d r e h b a r an, so entsteht der Drehkondensator (Abb. 90). Durch Heraus-

Abb. 88. S c h n i t t durch einen P l a t t e n k o n densator (schematisch).

45

drehen der Plattengruppe wird die Kapazität vermindert, da jeweils nur der Teil der Platten wirksam ist, der den Nachbarplatten gegenübersteht. Ä „ Abb. 92 zeigt die technische --^"—gi Ausführung eines neuzeitlichen Drehkondensators, wie er in MMLJL^ ¿y^ 3oP'>i Funksendern verwendet wird.

^ ^ ^ ,

,

i> ,

,

Al>b. 89. Plattenkondensator f ü r l-unksender.

104. Bei zu hohen Spannungen kann die Isolierschicht zwischen den Platten durchschlagen werden. Der Kondensator entlädt sich dann in Form eines Funkens, der zwischen den Platten übergeht. Ein Luftkondensator nimmt dabei keinen ernsten Schaden. Anders ist es bei Kondensatoren mit fester Zwischenschicht. D e r D u r c h s c h l a g durch die isolierenden Glimmerplättchen oder durch die rparaffinierten _

.

, ...

,

,

,

Papierblattchen usw. b e d e u t e t Z e r s t ö r u n g des Kondensators. Der Funken hinterläßt eine leitende Brücke von Platte zu Platte. Durch die einmal durchschlagene Stelle fließen die Elektronen von der einen Belegung zur anderen über, so wie Wasser aus einem Loch im Topf aussickert. 105. Deshalb dürfen Kondensatoren nicht mit höheren Spannungen belastet werden, als ihr Aufdruck angibt. An einen Kondensator mit dem Auf-

Abb. 90. Veränderung der K a p a z i t ä t beim Drehkondensator durch Herausdrehen dereinen Plattengruppe.

46

Abb. 91. Technische Ausführung eines Drehkondensators f ü r Funkgeräte.

druck „Maximale Betriebsspannung 250 V" (vgl. Abb. 87) dürfen nicht mehr als 250 Y angelegt werden, auch wenn der zusätzliche Aufdruck „Prüfspannung 750 V" besagt, daß der Kondensator bei der Prüfung die dreifache Spannung ausgehalten hat. Man kann leicht feststellen, ob ein Kondensator durchgeschlagen ist. Leuchtet in der Schaltung nach Abb. 84 (vgl. 97) bei angelegter Gleichspannung die Glimmlampe dauernd, so fließt infolge eines Isolationsfehlers ein Strom zwischen den Belegungen über. [34] Überblick 1. Zwei durch einen Isolator voneinander getrennte Metallplatten bilden einen Kondensator. 2. Bei der Ladung fließt auf den Kondensator ein kurzdauernder Ladestrom, bei der Entladung fließt der Entladestrom. 3. Jeder Kondensator hat eine bestimmte Kapazität. Die Kapazität wird in Farad oder Mikrofarad gemessen. 4. Die Kapazität ist abhängig von der Flächengröße der Belege, ihrem Abstand voneinander und der Art der isolierenden Zwischenschicht. 5. Es gibt verschiedene Formen technischer Kondensatoren: z. B. Wickelkondensatoren, Plattenkondensatoren, Drehkondensatoren. 6. Gleichstrom wird durch den Kondensator gesperrt, Wechselstrom wird durch den Kondensator nicht gesperrt.

47

II. Wirkungen des elektrischen Stromes und ihre technischen Anwendungen A. Wärmewirkungen des elektrischen Stromes 1 . Schmelzsicherung 106. Wenn man in einen Stromkreis ein Stück dünnen Draht einschaltet und nun die Stromstärke steigert, so wird der Draht zuerst warm, dann rotglühend, schließlich gerät er in helle Weißglut, bis er an einer Stelle durchbrennt (Abb. 92). [35] Wiederholt man den Versuch, schaltet jetzt aber die zuletzt benutzte Stromstärke sofort ein, so brennt der Draht augenblicklich durch. [36] Diese Eigenschaft des Stromes, bei bestimmter Stromstärke Drähte durchzuschmelzen, benutzt man rt bei den Schmelzsicherungen.

1]

107. Wird beim Stromdurchgang durch einen Stromkreis der Strom zu groß, etwa durch einen A b b . 9 2 . S c h a l t u n g zur e l e k t r i s c h e n E r h i t z u n g Kurzschluß, so kann die erzeugte eines D r a h t e s . Wärme die Isolation schädigen, die Drähte können glühend werden und dadurch sogar Brände entstehen. Unter Kurzschluß versteht man eine ungewollte Überbrückung eines Teiles des Stromkreises. Dadurch wird der Widerstand des Stromkreises stark verringert, und es fließen unter Umständen außerordentlich starke Ströme. Um einen Stromkreis gegen zu große Stromstärke zu sichern, unterbricht man ihn an einer Stelle und schaltet in die Unterbrechung einen dünnen Draht ein, der bei einer bestimmten Stromstärke durchschmilzt. In der Elektrotechnik wird eine Leitung an ein Stromnetz niemals angeschlossen, ohne eine solche Sicherung einzuschalten. 108. Bei Licht- und Kraftanlagen sind am gebräuchlichsten die Stöpselsicherungen (Abb. 93). Sie bestehen aus kleinen Porzellankörpern (Patronen), die durch aufgesetzte Schraubstöpsel in den Sicherungselementen

48

festgehalten werden. Auf der einen Seite ragt ein Metallstift heraus und auf der anderen Seite ist eine Metallkappe, die in der Mitte einen farbigen Kennkörper (Plätt'G/isfenskr MetöHkappe^ chen) trägt, der die höchstzulässige StromSictierungspetronel. Pomllansockel stärke kennzeichnet (rot für 10 Ampere, grün für 6 Ampere). Abb. 94 zeigt die Sicherungspatrone mit -PdSring dem Kennkörper im Sictierungsslöpsel Schnitt. Die Dicke der Leitungen ist der an der Verbrauchsstelle benötigten Stromstärke angepaßt, und die Sicherung wiederum ist entsprechend der Stromstärke ausgewählt, die für den betreffenden Leitungsdraht höchstens zulässig ist.

Porzellandeckel

Paßschraube

A b b . 9 4 . S i c h e r u n g s p a t r o n e m i t K e n n k ö r p e r : a) K e n n k ö r p e r i n der P a t r o n e , b) u n d c) K e n n k ö r p e r n a c h D u r e h s c h m e l z e n der Sicherung h e r a u s g e f a l l e n .

Ubersicht Querschnitt in

D a u e r b e l a s t u n g u.

m m ' (Kupfer)

Sicl'.erungi. A m p e r e

0,75 1 1,3 2,5 4 6 10 16 25 33

6 6 10 15 20 23 35 60 80 100

Höchstbelastung in Ampere

9 12 16 21 27 35 48 75 90 110

109. Damit die Sicherung wirksam ist, muß verhindert werden, daß jemand eine für höhere Stromstärken vorgesehene Sicherung einsetzen kann. Die Stöpseldicke der Sicherungspatronen ist deshalb verschieden, je nach der Stromstärke, für die sie vorgesehen sind. Je höher die zulässige Stromstärke, desto 6 Amp. lOAmß 15Amp. dicker der Stöpsel (Abb. 95). Der Stöpsel A b b . 9 5 . S t ö p s e l d i c k e für v e r s c h i e d e n e paßt in die Aussparung eines in die Stromstärken. 4

Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

49

Sicherung eingesetzten Paßringes genau hinein, so daß Sicherungen für größere Stromstärken als vorgesehen nicht verwendet werden können. 110. In der Fernmeldetechnik werden andere Arten von Schmelzsicherungen verwendet. Abb. 96 zeigt eine sogenannte „Grobsicherung". Der

Ü p i "sä Schmdzfadcn

^WWWrAWW/v

= j

Abb. 9 6 . Grobsicheriing für Fernmeldeleitungen.

I L Abb. 97. Feinsicherung.

Schmelzfaden ist in Sand und Asbest eingebaut, die als Schutz gegen den abschmelzenden Sicherungsdraht dienen. In Abb. 97 findet sich eine „Feinsicherung", die schon bei geringen Stromstärkeüberschreitungen abschmilzt. An den Kontaktmessern sind Schraubenfedern angebracht, die durch eine sehr leicht schmelzende Legierung (Woodsches Metall) verbunden sind. Bei einer Temperatur von 60° schmilzt das Metallkügelchen, und die Federn schnellen zurück; der Strom KontakiFedern ist unterbrochen. I n K r a f t w a g e n findet man Sicherungen nach Abb. 98. In der Rinne eines Metallkappen Porzellanstäbchens liegt der Schmelzdraht, der über die Metallkappen und Abb. 98. Sichernngspatrone fiir K r a f t Kontaktfedern in den Stromkreis eingewagen. Die zulässige Amperezahl ist auf schaltet wird. den Kappen aufgedruckt. 2 . Die E l e k t r o w ä r m e 111. Die Stromstärke in dem Leiter entsteht dadurch, daß den Elektronen durch die Moleküle der Durchgang erschwert wird. Die Elektronen stoßen mit den Molekülen zusammen, wobei diese in starke Bewegung geraten. Nach außen hin zeigt sich dies als Erwärmung. 112. Bei jeder Leitung geht ein Teil der elektrischen Energie durch Erwärmung verloren. Um diese Verlustwärme zu verringern, nimmt man für die Zuführungsleitungen des Stromes zu den Geräten immer g u t e L e i t e r (dicke Kupferdrähte). 113. Die Strom wärme wird andererseits häufig nutzbar gemacht. Zu diesen Zwecken werden besondere W i d e r s t a n d s d r ä h t e verwendet, die aus

50

bestimmten Metallegierungen 1 ) bestehen und eine andauernde Erhitzung vertragen. Im täglichen Leben sowie in der Technik spielen die elektrischen Heizund Kochgeräte heute eine große Rolle. Als Heizdraht verwendet man meist C h r o m n i c k e l , eine Legierung, die sich durch einen hohen Schmelzpunkt und einen großen elektrischen Widerstand auszeichnet (vgl. 40). Als Draht oder Band wird Chromnickel auf Isolierkörper, Glimmer, Porzellan oder Keramikstoffe ausgespannt oder aufgewickelt und außerdem in eine wärmebeständige Isoliermasse eingebaut. So erhält man „Heizwiderstände". 114. Manche Geräte sind mit selbsttätigen Wärmereglern ausgestattet, wie heizbare Windschutzscheiben bei Kraftwagen, Bügeleisen, Heizkissen, Warmwasserbereiter. Bei zu hoher Temperatur wird der Strom selbsttätig aus- und bei niedriger Temperatur wieder eingeschaltet. Diese Wärmeregler beruhen auf einem ähnlichen Grundgedanken wie ein Gerät, das neuerdings als Ersatz für die Schmelzsicherung benutzt wird. Wird die Stromstärke zu groß, so erwärmt sich ein „ B i m e t a l l s t r e i f e n " (vgl. 175). Dieser besteht aus zwei aufeinandergelöteten Streifen zweier Metalle, die bei Erwärmung sich verschieden stark ausdehnen. Der BimetalIstreifen biegt sich also bei Erwärmung und trennt dadurch die Verbindung. Derartige Geräte heißen Selbstschalter. 115. Zum schnellen Erhitzen kleinerer Flüssigkeitsmengen in einem beliebigen Gefäß dient der Tauchsieder (Abb. 99). Der Heizkörper ist wasserdicht abgeschlossen und muß ganz in die Flüssigkeit eingetaucht werden. Der Tauchsieder gibt fast seine gesamte Wärme Abb. 100. Widerstandsplatte an die Flüssigkeit ab, hat eines Bügeleisenwiderstandes, zwischen Isolierplatten (J). also ganz geringe Wärmeverluste. In seiner Gebrauchsanweisung heißt es: „ E r s t e i n t a u c h e n , d a n n e i n s c h a l t e n ! V o r d e m Herausnehmen abschalten!" Abb. 100 zeigt den Heizwiderstand eines Bügeleisens. ') Eine L e g i e r u n g ist eine Schmelze aus verschiedenen Metallen, z. B. Messing aus Kupfer und Zink, Weichlot aus Blei und Zinn, Bronze aus Kupfer und Zinn. 4*

51

3 . D e r elektrische Lichtbogen 116. Man kann schon im kleinen öfter elektrische Flammen- oder Lichtbogen beobachten, z. B . beim Ausschalten eines Stromkreises. Die auftretenden Flammen sind bei starken Strömen schon recht unangenehm. Die S c h a l t k o n t a k t e eines großen Schalters zeigen oft die Spuren. Der Techniker spricht vom V e r s c h m o r e u . Technisch ausgenutzt wird der Lichtbogen, der sich zwischen zwei Kohlenstäben bildet. D i e K o h l e d e s p o s i t i v e n P o l e s b e i G l e i c h s t r o m brennt s c h n e l l e r a b . Deswegen nimmt man d a f ü r dickere Kohlen. An der Kohle des Lichtbogen zwischen zwei Kohlestäben. positiven Poles bildet sich ein Krater, während die negative Kohle sich zuspitzt (Abb. 101). 117. Das Entstehen des Kohlelichtbogens geht folgendermaßen vor sich: Zuerst werden die beiden leitenden Kohlestäbe zur Berührung gebracht. Entfernt man nun die beiden Stäbe voneinander, so geht zwischen den Spitzen ein F l a m m e n b o g e n über. Wegen des großen Widerstandes an der Unterbrechungsstelle werden die Kohlespitzen zur Weißglut erhitzt. D i e L u f t z w i s c h e n d e n S p i t z e n w i r d bei der hohen Temperatur l e i t e n d , so daß der Lichtbogen bestehen bleibt. Die glühenden Teile der Kohlestäbe, vor allem aber der positive Krater strahlen ein sehr helles Licht aus. Die starke Leuchtkraft des elektrischen Kohlelichtbogens benutzt man bei den für manche Zwecke gebrauchten Kohlebogenlampen, vor allen Dingen bei den Scheinwerfern (Leuchttürme, Marinescheinwerfer, Kinolampen). [37] Im Augenblick der Berührung der Kohlenstäbe entsteht praktisch ein Kurzschluß. Da hierbei der Strom sehr groß wird, muß zur Verringerung der Stromstärke ein Widerstand vorgeschaltet sein, da sonst die Sicherungen durchschmelzen. 118. Der elektrische Flammenbogen dient weiterhin dazu, schwer schmelzbare Metalle zu verflüssigen. Das geschieht im elektrischen Schmelzofen (Abb. 102). Der E l e k t r o s t a h l ist eine Stahlsorte, die auf diesem Wege hergestellt wird. 119. Beim elektrischen Schweißverfahren benutzt man den elektrischen Flammenbogen, der zwischen dem Schweißgut und dem zu schweißenden Metall entsteht. Der Schweißer berührt mit dem Metallstab, der mit dem einen Pol der Stromquelle verbunden ist — der andere Pol liegt am bearbeiteten Werk52

stück —, die zu schweißenden Metallstücke und bringt das im elektrischen Flammenbogen schmelzende Metall auf die Schweißnaht. Weitere Schweißverfahren vgl. 255. Das elektrische Schweißverfahren spielt heute in der Technik eine sehr große Rolle. Während man früher Metallflächen zusammenschrauben oder Koh/ee/tikrroae

Abb. 102. Schnitt durch einen Elektroschmelzofen.

nieten mußte, werden sie heute zusammengeschweißt. Bei einer guten Schweißung ist die Schweißstelle genau so fest wie jeder andere Teil des zu schweißenden Gegenstandes.

4. Die elektrische Glühlampe 120. Die Lichterscheinungen, die beim Glühen von Drähten auftreten, werden praktisch in den Glühlampen verwertet. Der Erfinder ist der Deutsche Heinrich G o e b e l , der im J a h r e 1854 die ersten Glühlampen herstellte. E t w a 25 J a h r e später h a t t e der Amerikaner E d i s o n sie technisch so weit vervollkommnet, daß sie allgemein in Gebrauch genommen werden konnten. In früherer Zeit bestanden die Glühlampen aus einem Glaskolben, in dem sich ein Kohlefaden befand. U m das Verbrennen des Kohlefadens zu verhindern, wurde die L u f t aus der Glasglocke herausgesaugt. Später lernte man nach mühsamen und langjährigen Forschungsarbeiten Metalldrähte benutzen, die heute aus dem schwer schmelzbaren Metall „ W o l f r a m " hergestellt werden. Abb. 103 zeigt die Feinheit der benutzten Wolframfäden. In den gebräuchlichen Lampen ist dieser Faden zu einer engen Wendel oder Doppelwendel aufgewickelt.

Abb. 103. Vergleich des Wolframfadens (a) mit einem Menschenhaar (b),beide in gleichem Maßstab vergrößert.

53

121. Da der metallische Glühfaden bei der hohen Temperatur in der luftleeren Glocke teilweise verdampft, füllt man die Glühlampen heute mit Gas (Stickstoff, Nitrogenium). Diese Lampen tragen den Namen „Nitralampen" oder „Gasgefüllte Lampen". Infolge der langsam fortschreitenden Verdampfung wird der Glühdraht immer schwächer, bis er schließlich ganz durchbrennt. Dazu ist noch zu bemerken, daß nach etwa 1000 Brennstunden die Lampe unwirtschaftlich wird, auch wenn der Faden vorher nicht durchbrennt. Nach dieser Zeit hat sich der Wolframdraht so geändert, daß er bei der gegebenen Spannung mit geringerer Temperatur glüht und infolgedessen nicht mehr das größtmögliche Licht abgibt. Dazu kommt noch, daß ein Teil des Lichtes infolge der S c h w ä r z u n g des K o l b e n s durch den Niederschlag des verdampften Wolframs verschluckt wird. rO. •o:

TO.

L« .

o

\Mth

O l -TV

o . --o*

Heh Abb. 105.

| Netz

| Hetz

Gruppenschaltung.

Die meistgebrauchten Glühlampen gehören zu der „ E i n h e i t s r e i h e " , die von der Industrie zu 15, 25, 40, 60, 75 und 100 Watt Leistung einheitlich hergestellt werden, c-i Auf jeder Lampe findet man Angaben über LeiK-y stung und Spannung.

m w-

| Netz

Abb. 106. Treppenhausschaltung.

54

122. In den Wohnungen und Betrieben sind je nach den Lichtbedürfnissen v e r s c h i e d e n e S c h a l t u n g e n für die elektrischen Glühlampen in Gebrauch. Die Wechselschaltung (Abb. 104) dient dazu, eine Glühlampe von zwei verschiedenen Stellen aus einund auszuschalten. Hierbei ist besonders darauf zu achten, daß nur ein Pol des Netzes direkt am Schalter liegt, wie es auch die Abbildung zeigt. Die Gruppenschaltung (Abb. 105) gestattet, entweder die eine oder die andere L a m p e n g r u p p e

nacheinander oder beide zugleich ein- und auszuschalten. Der Schalter besitzt einen T-förmigen Schaltbügel. In der Treppenhausschaltung (Abb. 106) erreicht man durch sogenannte K r e u z s c h a l t e r , daß an jedem Schalter im Treppenhaus die Gesamtbeleuchtung ein- und ausgeschaltet werden kann. — Als weitere Schaltmöglichkeit findet man die Reihenschaltung, bei der die Glühlampen hintereinander an das Netz angeschlossen sind. So werden vielfach bei 220 Volt 16 Lampen zu je 14 Volt hintereinander geschaltet. Freilich wird beim Durchbrennen einer einzigen Lampe der Stromkreis unterbrochen, und alle übrigen erlöschen daher. [38] 5. D a s Hitzdrahtamperemeter 123. Wenn ein Draht erhitzt wird, dehnt er sich aus. Spannt man einen Draht straff aus und beschwert ihn in der Mitte mit einem kleinen Gewicht, so biegt der Draht sich beim Einschalten des Stromes durch (Abb. 107). [39]

Abb. 107. Ausdehnung eines Drahtes bei Erwärm u n g durch den elektrischen Strom.

Abb. 108. Schema eines Hitzdrahtamperemeters.

Die Ausdehnung eines Drahtes durch die Elektrowärme verwendet man zur Messung der Stromstärke im „Hitzdrahtamperemeter" (Abb. 108). Der Draht AB wird in der Mitte durch einen Zugdraht, der über eine Kolle läuft, und eine Feder gespannt. Fließt ein Strom durch den Hitzdraht, so dehnt er sich aus, die Feder zieht den Hitzdraht nach unten und dreht dabei die Eolle; der Zeiger an der Rolle wandert über die Teilung. Das Amperemeter wird nun nach einem Normalinstrument geeicht. Da die Erwärmung des Drahtes von der Stromrichtung unabhängig ist, eignet sich das Hitzdrahtamperemeter auch zur Messung von Wechselstrom. Alle Geräte, in denen die Elektrowärme ausgenutzt wird, können mit Gleich- und Wechselstrom betrieben werden. 55

Überblick 1. Die elektrische Energie kann in Wärme umgewandelt werden. 2. Sicherungen bewahren vor den Folgen des Kurzschlusses und vor Beschädigung der Geräte. 3. Sicherungen dürfen niemals durch Drähte überbrückt werden. 4. Beim Durchbrennen von Sicherungen zuerst Gerät abschalten und möglichst die Ursache feststellen. 5. Die erzeugte Wärme ist bei gleicher Spannung abhängig von der Stromstärke. Je größer die Stromstärke, um so größer die erzeugte Wärmemenge. 6. Geräte, die Elektrowärme ausnutzen, können mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden.

B. Chemische Wirkungen des elektrischen Stromes 1. Die Elektrolyse 124. Schickt man einen elektrischen Strom durch eine Flüssigkeit, so kann man durch geeignete Einrichtungen feststellen, daß in ihr genau wie in einem metallischen Leiter eine E r w ä r m u n g a u f t r i t t (vgl. 105). Außerdem treten aber noch Veränderungen in der Flüssigkeit auf, sie wird z e r s e t z t . Füllt man ein Versuchsgefäß (Abb. 109) mit Wasser, dem man etwas Säure beigegeben hat, und schaltet den Strom ein, so beobachtet man an beiden Platten a u f s t e i g e n d e Gase. [40] Genauere Untersuchungen haben ergeben, daß die beiden Gase die B e s t a n d t e i l e des W a s s e r s sind. Sie heißen Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff, der sich am Minuspol abscheidet, bildet sich in reichlicherem M a ß e (doppelt soviel) als der Sauerstoff. Er ist sehr leicht Mroden und dient deshalb trotz seiner leichten Entzündbarkeit zum Füllen von Ballons. verd- Schwefelsäure Der S a u e r s t o f f ist nicht nur ein Bestandteil des Wassers, sondern kommt auch frei in der Luft vor. Er wassersfoff. Sauerstoff , .. , „„ „ ^ j «r j ist für den Menschen, die Tier- und Abb. 109. Zersetzung des Wassers durch den elektrischen ström. Pflanzenwelt zum Atmen notwendig. 56

Überblick 1. Die elektrische Energie kann in Wärme umgewandelt werden. 2. Sicherungen bewahren vor den Folgen des Kurzschlusses und vor Beschädigung der Geräte. 3. Sicherungen dürfen niemals durch Drähte überbrückt werden. 4. Beim Durchbrennen von Sicherungen zuerst Gerät abschalten und möglichst die Ursache feststellen. 5. Die erzeugte Wärme ist bei gleicher Spannung abhängig von der Stromstärke. Je größer die Stromstärke, um so größer die erzeugte Wärmemenge. 6. Geräte, die Elektrowärme ausnutzen, können mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden.

B. Chemische Wirkungen des elektrischen Stromes 1. Die Elektrolyse 124. Schickt man einen elektrischen Strom durch eine Flüssigkeit, so kann man durch geeignete Einrichtungen feststellen, daß in ihr genau wie in einem metallischen Leiter eine E r w ä r m u n g a u f t r i t t (vgl. 105). Außerdem treten aber noch Veränderungen in der Flüssigkeit auf, sie wird z e r s e t z t . Füllt man ein Versuchsgefäß (Abb. 109) mit Wasser, dem man etwas Säure beigegeben hat, und schaltet den Strom ein, so beobachtet man an beiden Platten a u f s t e i g e n d e Gase. [40] Genauere Untersuchungen haben ergeben, daß die beiden Gase die B e s t a n d t e i l e des W a s s e r s sind. Sie heißen Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff, der sich am Minuspol abscheidet, bildet sich in reichlicherem M a ß e (doppelt soviel) als der Sauerstoff. Er ist sehr leicht Mroden und dient deshalb trotz seiner leichten Entzündbarkeit zum Füllen von Ballons. verd- Schwefelsäure Der S a u e r s t o f f ist nicht nur ein Bestandteil des Wassers, sondern kommt auch frei in der Luft vor. Er wassersfoff. Sauerstoff , .. , „„ „ ^ j «r j ist für den Menschen, die Tier- und Abb. 109. Zersetzung des Wassers durch den elektrischen ström. Pflanzenwelt zum Atmen notwendig. 56

125. Bringt man die beiden Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) wieder zusammen, so entstellt eine gefährliche Mischung, das K n a l l g a s , das sehr heftig explodieren kann. [41 ] Daher Vorsicht! Kein offenes Feuer in Räumen, in denen durch den elektrischen Strom Flüssigkeiten zersetzt werden. 126. Die Zersetzung von Flüssigkeiten durch den elektrischen Strom nennt man Elektrolyse. Die den Strom zu- und wegführenden Platten heißen Elektroden. Die Elektrode, die mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden ist, wird Kathode, die andere Anode genannt. Die Flüssigkeit heißt Elektrolyt. 127. Man stellt zwei Elektroden in ein Glasgefäß mit einer Lösung eines Kupfersalzes (Kupfervitriol) und legt über einen Strommesser eine Stromquelle an (Abb. 110). Wenn der Strom eine Zeitlang durch das Zersetzungsgefäß hindurchgegangen ist, so beobachtet man auf der Oberfläche der Kathode einen Niederschlag von reinem Kupfer. Er hat sich also aus der Salzlösung das Metall Kupfer an der Kathode niedergeschlagen. T421 ., ^ 6 6 ,

,

.

T

.

,,

,

Abb. 110. Schaltung zur Elektro-

Auch bei Losungen andererer Metallsalze, i yse eines Metalisalzes. z. B. von Silber, Nickel, Cadmium oder Chrom, s c h l a g e n s i c h die r e i n e n M e t a l l e i m m e r an der K a t h o d e nieder. Zur Erklärung dieses Vorganges sei folgendes gesagt: Da bei der Elektrolyse ein Strom durch den Elektrolyten fließt, müssen sich auch Elektronen hindurchbewegen. An den Elektroden werden aber außerdem noch Bestandteile des Elektrolyten abgeschieden. Etwas Ähnliches findet beim Fließen des Stromes durch den Metalldraht nicht statt. Die Art des Stromdurchganges muß also anders sein als beim metallischen Leiter. Durch Untersuchung hat man folgendes festgestellt: Löst man ein Salz in Wasser, so z e r f a l l e n die meisten der gelösten Salzteilchen dabei in zwei B e s t a n d t e i l e ; der eine dieser Bestandteile ist positiv, der andere negativ geladen. D i e s e g e l a d e n e n B e s t a n d t e i l e n e n n t m a n Ionen. Verbindet man nun die in den Elektrolyten eintauchenden Elektrodenmit einer Stromquelle, so wandern die positiven Ionen zum negativen Pol und die negativen Ionen zum positiven Pol. Die n e g a t i v e n I o n e n sind also zu Trägern der Elektronen geworden im Gegensatz zum Elektronenstrom im Kupferdraht, in dem die Elektronen selbständig wandern. Die p o s i t i v e n I o n e n , die Elektronenmangel haben und zum negativen Pol wandern, nehmen eins der dort ankommenden Elektronen auf, gleichen ihre Ladung aus und scheiden sich dann als Belag der Kathode ab. 57

2. Anwendungen der Elektrolyse 128. In jeder W e r k s t a t t findet man die blauen Sauerstoff- und die roten Wasserstoff-Flaschen für die Schneidbrenner. Man gewinnt einen großen Teil des benötigten Wasserstoffs und Sauerstoffs durch Zersetzung des Wassers. 129. Eine andere technische Anwendung der Elektrolyse ist die Gewinnung reiner Metalle in der Aufbereitung und Verhüttung der Erze. Aluminium, Magnesium und Kupfer werden durch Elektrolyse im großen gewonnen. E l e k t r o l y t k u p f e r enthält etwa 9 9 , 9 % reines Kupfer, während das durch Ausschmelzen der Erze gewonnene Kupfer noch etwa 2 % Verunreinigungen hat. Zu seiner Gewinnung wird eine A n o d e a u s u n r e i n e m K u p f e r und eine K a t h o d e v o n r e i n e m K u p f e r in den Elektrolyt aus Kupfersalzlösung eingehängt, auf der Kathode schlägt sich reines Kupfer nieder, das sich von der Anode ablöst. Die so gewonnenen Kupferplatten werden umgeschmolzen, gegossen und durch Pressen, Walzen und Ziehen weiterverarbeitet. 130. Die Herstellung von Metallüberzügen — Verkupfern, Verchromen, Vernickeln, Versilbern, Vergolden — ist ein besonders wichtiges Gebiet der elektrolytischen Technik. Die sauber gereinigten Gegenstände werden a l s K a t h o d e n in Metallsalzlösungen eingehängt, und durch einen schwachen Strom wird ein festhaftender Überzug hergestellt. 131. Ein weiteres Verwendungsgebiet ist die sogenannte Galvanoplastik, d. h. Herstellung der Nachbildungen von Münzen, Druckstöcken und Schallplatten. Man fertigt zuerst von dem Original einen A b d r u c k ( M a t r i z e ) in Wachs oder Gips an, dessen Oberfläche man durch zweckentsprechende Behandlung leitend macht und dann in den Elektrolyt einhängt. E s entstehen so bis in die kleinsten Einzelheiten naturgetreue Nachbildungen. 1 3 2 . Alle Aluminium enthaltenden Leichtmetalle werden leicht durch L u f t und Feuchtigkeit angegriffen. Hier hat man es durch ein elektrolytisches Verfahren verstanden, das Aluminium mit einer schützenden Schicht, einer Aluminium-Sauerstoffverbindung (Eloxalverfahren: Elektrisch-oxydiertes Aluminium) zu überziehen. Diese Haut ist leicht zu färben und widersteht allen Einflüssen von Luft, Wasser, sogar von Seewasser. Metallflugzeuge, die größtenteils aus Bauteilen derartiger LeichtmetallLegierungen hergestellt sind, werden auf diese Art und Weise geschützt.

58

Überblick 1. Elektrolyse ist die Zerlegung von Flüssigkeit durch elektrischen Strom. 2. Elektroden sind die den Strom zu- und wegführenden Platten. Kathode ist die mit dem Minuspol, Anode die mit dem Pluspol der Gleichstromquelle verbundene Elektrode. 3. An der Kathode scheiden sich der Wasserstoff und die Metalle ab, an der Anode die Beste des Elektrolyten. 4. Elektrolyse dient zur Metallgewinnung, Herstellung von Metallüberzügen und Nachbildungen in Metallen.

C. Stromquellen 1. Galvanische Elemente 133. Durch den elektrischen Strom wird ein Elektrolyt chemisch zerlegt. Er wird in seine Bestandteile zersetzt. Es ist auch das Umgekehrte möglich: durch chemische Umwandlung von Stoffen kann man einen Strom erzeugen, also eine Stromquelle herstellen. Eine der ältesten Stromquellen ist das „galvanische" Element. (Galvani war ein italienischer Physiker.) Bringt man zwei verschiedenartige geeignete Stoffe, etwa Kupfer und Zink, in einen flüssigen Leiter (z. B. Säurelösung) (Abb. 111) und verbindet die beiden Platten über die kleine Glühlampe einer Stabtaschenlampe, so leuchtet die Lampe auf, ein Voltmeter zeigt eine Spannung von etwa 1 Volt an. [43] Nach kurzer Zeit jedoch brennt die Glühlampe immer schwächer, bis sie schließlich ganz erlischt. K u p f e r - Z i n k - E l e m e n t . Dies hat seinen Grund in der sogenannten Polarisation. Der Strom fließt nicht nur durch den „äußeren" Stromkreis, sondern auch durch den Elektrolyten. Dabei bewirkt die Zersetzung, daß sich an der Kupferplatte Wasserstoff abscheidet, der als dünne Schicht von kleinen Bläschen die Platte überzieht. Da Gase Nichtleiter sind, wird der weitere Durchgang des Stromes verhindert. Diesen Vorgang nennt man P o l a r i sation. Werden durch Stoßen des Elementes oder durch Abstreichen mit einem Holzstäbchen die Bläschen entfernt, so leuchtet die Lampe wieder auf.

59

Überblick 1. Elektrolyse ist die Zerlegung von Flüssigkeit durch elektrischen Strom. 2. Elektroden sind die den Strom zu- und wegführenden Platten. Kathode ist die mit dem Minuspol, Anode die mit dem Pluspol der Gleichstromquelle verbundene Elektrode. 3. An der Kathode scheiden sich der Wasserstoff und die Metalle ab, an der Anode die Beste des Elektrolyten. 4. Elektrolyse dient zur Metallgewinnung, Herstellung von Metallüberzügen und Nachbildungen in Metallen.

C. Stromquellen 1. Galvanische Elemente 133. Durch den elektrischen Strom wird ein Elektrolyt chemisch zerlegt. Er wird in seine Bestandteile zersetzt. Es ist auch das Umgekehrte möglich: durch chemische Umwandlung von Stoffen kann man einen Strom erzeugen, also eine Stromquelle herstellen. Eine der ältesten Stromquellen ist das „galvanische" Element. (Galvani war ein italienischer Physiker.) Bringt man zwei verschiedenartige geeignete Stoffe, etwa Kupfer und Zink, in einen flüssigen Leiter (z. B. Säurelösung) (Abb. 111) und verbindet die beiden Platten über die kleine Glühlampe einer Stabtaschenlampe, so leuchtet die Lampe auf, ein Voltmeter zeigt eine Spannung von etwa 1 Volt an. [43] Nach kurzer Zeit jedoch brennt die Glühlampe immer schwächer, bis sie schließlich ganz erlischt. K u p f e r - Z i n k - E l e m e n t . Dies hat seinen Grund in der sogenannten Polarisation. Der Strom fließt nicht nur durch den „äußeren" Stromkreis, sondern auch durch den Elektrolyten. Dabei bewirkt die Zersetzung, daß sich an der Kupferplatte Wasserstoff abscheidet, der als dünne Schicht von kleinen Bläschen die Platte überzieht. Da Gase Nichtleiter sind, wird der weitere Durchgang des Stromes verhindert. Diesen Vorgang nennt man P o l a r i sation. Werden durch Stoßen des Elementes oder durch Abstreichen mit einem Holzstäbchen die Bläschen entfernt, so leuchtet die Lampe wieder auf.

59

1 3 4 . D a s K u p f e r - Z i n k - E l e m e n t h a t heute k e i n e p r a k t i s c h e B e d e u t u n g m e h r . Man b e n u t z t vielmehr ein E l e m e n t , das eine Zinkelektrode, s t a t t der Kupferelektrode einen Kohlestab und als Elektrolyt eine Salmiaklösung e n t h ä l t . E s findet als Stromquelle für Klingelleitungen und T ü r ö ö n e r noch Verwendung. Die Polarisation wird dadurch verhindert, daß der Wasserstoff in der E n t s t e h u n g durch geeignete Stoffe sofort chemisch gebunden wird. Man b e n u t z t dazu „ B r a u n s t e i n " , eine sauerstoffreiche Verbindung des Metalls M a n g a n . D e r im B r a u n s t e i n vorhandene Sauerstoff verbindet sich m i t dem entstehenden Wasserstoff wieder zu Wasser (vgl. 124). Den für den D a u e r b e t r i e b notwendigen B r a u n s t e i n legt man in B e u t e l f o r m um den K o h l e s t a b herum, und so e n t s t e h t das E l e m e n t nach Abb. 112 ( B e u t e l element).

EntlüElungsrohr VergußSchicht

QUsgefjA Z/nkpot

+

Kohlepol Einfu/trohr Zinkbecher Elektrolyt Kohtestab

Brjunsfei'n

Salmiaklosung

Kohle

A b b . 112. Kohle-Zink-Element.

BraunsteinKoh/engemisch /m Beuhel Elementbecher Abb. 113. Trockenelement.

1 3 5 . Dieses „ n a s s e " E l e m e n t ist für die Verwendung als bewegliche Stromquelle sehr unzweckmäßig. Deshalb h a t man den E l e k t r o l y t e n durch flüssigkeitsansaugende Stoffe verdickt. So e n t s t a n d das sogenannte „Trockenelement". Dieser N a m e ist an sich nicht richtig, denn wenn ein E l e m e n t t a t s ä c h l i c h trocken ist (durch allzulanges L a g e r n kann dieses eintreten), k a n n keine chemische Umsetzung auftreten, also auch kein S t r o m geliefert werden. 1 3 6 . E i n T r o c k e n e l e m e n t wird im Fernsprechbetrieb und in Klingelleitungen b e n u t z t (Abb. 113). D e r E l e k t r o l y t besteht aus Salmiaksalz, das bei I n g e b r a u c h n a h m e des E l e m e n t e s durch Eingießen von Wasser durch das Einfüllrohr aufgelöst wird. D a s Wasser wird aufgesogen, und dann ist das E l e m e n t betriebsfähig. [44]

60

Um die Verdunstung des Wassers zu verringern, ist das ganze Element mit einer Asphaltmasse zugegossen und abgedichtet. 137. Im Luftsauerstoff-Element, das heute viel benutzt wird, befindet sich keine Braunsteinschicht. Der entstehende Wasserstoff wird durch Sauerstoff, der durch geeignete Mittel aus der Luft festgehalten wird, gebunden. Deshalb muß während des Betriebes des Elementes Luft zutreten können. Wenn der Luftzutritt abgesperrt wird, hört die Stromlieferung des Elementes bald auf. 138. In den Taschenlampenbatterien befinden sich mehrere Trockenelemente (Abb. 114), die zur Erhöhung der Spannung hintereinandergeschaltet werden (Abb. 115). Die Spannung der einzelnen Elemente ist etwa 1,3—1,5 Volt (vgl. auch Abb. 38). Die beim Rundfunk verwendete Anodenbatterie besteht aus etwa 80 bis 100 solcher kleiner Elemente. Die Lebensdauer eines Trockenelementes hängt natürlich vom Gebrauch und von der Größe des Elementes ab. J e größer die Oberfläche der Elektroden ist, um so größere Stromstärke kann dem Element entnommen werden. W e n n a l l e s Z i n k z e r s e t z t ist, ist das Element verbraucht und nicht mehr verwendungsfähig.

A b b . 114. Schnitt durch ein Element der Taschenlampenbatterie (K = Kohle; Z = Zink; E = Schicht mit Elektrolyt; B = Braunstein.)

Ml

2 . Der Sammler 139. In den galvanischen Elementen stehen in einem Elektrolyten zwei verschiedenartige Elektroden sich gegenüber. Bei den Sammlern wird diese Verschiedenartigkeit der Elektroden erst durch eine Elektrolyse hervorgerufen. Stellt man zwei Bleiplatten in verdünnte Schwefelsäure und schickt einen Strom hindurch, so bilden sich'an den Platten Wasserstoff- und SauerstofEbläschen. Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Blei zu einer braunen Bleiu n ' d Schaltung Sauerstoffverbindung ( B l e i s u p e r o x y d ) . Der Wasserstoff einer Stabbatterie, entweicht als Gas an der Kathode (vgl. 124). Es stehen sich also nach der Elektrolyse zwei verschiedenartige Platten gegenüber, Blei und Bleisuperoxyd. [45] Verbindet man jetzt nach Abb. 116 durch den Umschalter die so v e r ä n d e r t e n P l a t t e n über eine kleine Glühlampe, so fließt ein Strom, der so lange anhält, bis die entstandenen chemischen Stoffe zurückgebildet sind. 61

140. Um diesen Vorgang wirksam auszunutzen, hat man die Oberfläche der p o s i t i v e n Bleiplatten vergrößert, z. B. durch Einschneiden von Nuten (Großoberflächenplatte Abb. 117) oder man benutzt sogenannte Gitterplatten (Abb. 118). Die n e g a t i v e n Platten bestehen entweder aus Bleigittern, die mit der wirksamen Masse ausgefüllt X " werden, oder aus Kastenrahmen, in die die Masse eingepreßt ist. — So entsteht der Blei-Sammler. Sein E l e k t r o l y t ist verd ü n n t e S c h w e f e l s ä u r e . Abb. 116. Schaltung zum Laden und Entladen eines Bleisammlers (Schema.) Um die Plusplatte besser auszunutzen, stellt man ihr auf b e i d e n Seiten eine negative Bleiplatte gegenüber (vgl. Abb. 119).

I.

141. Beim Laden des Sammlers wird also die e l e k t r i s c h e E n e r g i e zunächst in c h e m i s c h e E n e r g i e umgewandelt. Beim Entladen wird diese a u f g e s p e i c h e r t e Energie wieder in e l e k t r i s c h e E n e r g i e zurückverwandelt. — Wenn also der Sammler entladen ist, so kann man selbst durch die größten Kunstgriffe aus ihm keinen Strom mehr herauslocken, er muß neu geladen werden.

Abb. 117. Schnitt durch eine Großoberflächenplatte.

Abb. 118. Gitter der Gitterplatte, in das die wirksame Masse eingepreßt wird.

Die Spannung; eines geladenen Bleisammlers beträgt 2 Volt. Sie nimmt bei der Entladung ab. Bei 1,8 Volt gilt der Sammler als entladen. Die meisten Sammler bestehen aus einer Reihe von positiven und negativen Platten, die untereinander verbunden sind (Abb. 119). J e größer die Plattenzahl und die Plattenoberfläche, um so größer ist das Fassungsvermögen (Kapazität) und das Abgabevermögen für elektrische Energie. Abb. 120 gibt die Ansicht eines Bleisammlers. 62

Das Fassungsvermögen wird in Ampere-Stunden (Ah) angegeben und wird auf die Entladung bezogen. H a t ein Sammler etwa 30 Ah, so können ihm 5 Stunden lang ein Strom von 6 Ampere oder 10 Stunden lang ein Strom von 3 Ampere entnommen werden. Die Amperestundenzahl eines Sammlers ist in weitem Maße von der Entladestromstärke abhängig. Die Entnahme von zu starken Strömen ist dem Sammler schädlich, weil dadurch die chemische Rückbildung der Stoffe sehr stürmisch vor sich geht und die Platten Schaden leiden, zerfallen oder bröcklig werden. Kurzschließen des Sammlers zerstört ihn in kürzester Zeit.

hellgrau +•Platte dunkelbraun Abb. 119. Anordnungen der Platten in einem Bleisammler.

Abb. 120. Tragbarer Sammler (Einzelle).

Es darf aber ein Bleisammler auch nicht längere Zeit ungeladen bleiben, weil sonst Veränderungen an den Platten vor sich gehen, die die Leistungsfähigkeit des Sammlers stark herabsetzen. Dagegen ist die Entladung mit geringer Stromstärke für die Lebensdauer des Sammlers von größtem Vorteil. 142. Der Blei-Sammler besitzt ein großes Gewicht, weil das Blei sehr schwer ist. Deshalb hat die Technik aus anderen leichten Stoffen Sammler hergestellt. Der wichtigste enthält als wirksame Stoffe N i c k e l und C a d m i u m , in dem Elektrolyt K a l i l a u g e und trägt den Namen NC-Sammler. Der NC-Sammler hat aber nur eine Spannung von 1,2 Volt. Deshalb ist bei einer NC-Sammler-Batterie gleicher Spannung und Kapazität das Gesamtgewicht fast das gleiche wie das einer Blei-Sammler-Batterie. Dagegen ist er unempfindlicher gegen plötzliche starke Beanspruchung, hohe Ströme und eine unsanfte Behandlung. Aus diesem Grunde ist er besonders bei beweglichen und tragbaren Geräten eingeführt. Die Herstellungskosten sind dagegen erheblich höher als die der Blei-Sammler. 63

3 . Pflege und Behandlung der Sammler 143. Entnimmt man dem Bleisammler längere Zeit einen bestimmten Strom, so sinkt seine Spannung langsam ab, von 2 bis 1,8 Volt. Auch die D i c h t e der Säure nimmt bei der Entladung ab. Die D i c h t e der Säure wird in einem sogenannten Dichtemesser ( S ä u r e p r ü f e r ) überprüft (Abb. 121). Man kann aus der Farbe der Platten auf den Ladezustand des Sammlers schließen: Beim v o l l g e l a d e n e n S a m m l e r ist die p o s i t i v e P l a t t e d u n k e l b r a u n , die n e g a t i v e m a u s g r a u . In entladenem Zustande sehen beide Plattenarten hellgraubraun aus. Ist der Sammler entladen, so muß er sofort wieder aufgeladen werden. 144. Das Laden geschieht dadurch, daß er an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird, und zwar der Pluspol des Sammlers an den Pluspol der Stromquelle, der Minuspol des Sammlers an den Minuspol der Stromquelle. Da bei der Ladung die Spannung des Sammlers auf etwa 2,6 bis 2,8 Volt je Zelle steigt, muß die Ladespannung je Zelle etwa 3 Volt betragen. Die Beendigung der Ladung erkennt man an der lebhaften Gasentwicklung im Sammler. Man sagt, der Sammler „kocht". Die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff bilden zuAbb. i2i. sammen das Knallgas, welches durch die Stopfenöffnung des der M säuri Gefäßes entweicht (vgl. 125). Man darf deswegen Bäume, in dichte dient denen Sammler geladen werden, niemals mit brennendem Licht der

prüfer. r e '

o d e r

o f f e n e r

F l a m m e betreten.

Die Ladezeit kann nach der angegebenen A m p e r e S t u n d e n z a h l festgestellt werden. D a b e i dem chemischen Umsatz etwa 25 v. H. Verluste auftreten, muß man etwa ein Viertel der berechneten Zeit hinzuzählen. Beispiel: Ein Sammler hat 30 Amperestunden, man würde ihn also mit 1 Ampere etwa 30 + 7]/2, also 37% Stunden aufladen müssen. Auch ein geladener Sammler, wenn er unbenutzt steht, soll monatlich nachgeladen und vierteljährlich entladen und neugeladen werden. Durch den dauernden chemischen Umsatz der Bestandteile der Platten bildet sich nach und nach am Boden des Gefäßes ein brauner Schlamm, der mit dem Stechheber entfernt werden muß. Ebenso müssen einzelne Stücke, die aus den Platten herausfallen und eine leitende Verbindung zwischen den Platten hervorrufen, entfernt werden. 145. Für den NC-Sammler gelten ähnliche Vorschriften, wobei besonders darauf zu achten ist, daß der N C - S a m m l e r Kalilauge enthält, der B l e i -

S a m m l e r d a g e g e n v e r d ü n n t e S c h w e f e l s ä u r e . Durch Verwechseln der beiden Elektrolyte beim Füllen der Sammler werden die Sammler restlos vernichtet, ja, es können sogar starke Zerstörungen und Explosionen auftreten. D a r u m Vorsicht beim Nachfüllen von Sammlern! Dieses soll nur von Sammler-Ladewarten geschehen, die die Notwendigkeit durch Prüfung feststellen. Das verdunstete Wasser darf nur durch chemisch reines Wasser ersetzt werden, niemals durch Leitungswasser. 146. Die Sammler finden dort Anwendung, wo ein Anschluß an die Starkstromleitungen der Elektrizitätswerke nicht möglich ist. Insbesondere Fahrzeuge aller Art benutzen als Stromquellen Sammler, so z. B . Schiffe, K r a f t w a g e n , Triebwagen, Lastkarren usw. Ferner werden dort Sammler eingebaut, wo man von einer Störung in der Stromlieferung des Elektrizitätswerkes unabhängig sein will, z. B . in Fernsprech- und Telegraphenämtern, bei Notbeleuchtungen usw. Überblick 1. Durch chemische Umsetzung wird in den „ E l e m e n t e n " eine Spannung erzeugt. 2. Das Element besteht aus zwei verschiedenartigen Elektroden, die in einen Elektrolyten eintauchen. 3. Beim Trockenelement ist der Elektrolyt durch flüssigkeitsansaugende Stoffe verdickt. 4. Der Sammler muß durch einen Strom geladen werden, wobei sich chemische Umsetzungen ergeben. E r liefert Strom so lange, bis diese Umsetzungen wieder rückgängig gemacht sind. 5. Der Blei-Sammler enthält als Elektroden Blei und Bleiverbindungen. Der Elektrolyt ist Schwefelsäure. Spannung etwa 2 Volt je Zelle. 6. Der NC-Sammler enthält Elektroden aus Nickel- und Cadmiumverbindungen. Sein Elektrolyt ist Kalilauge. Spannung etwa 1,2 Volt je Zelle. 7. Die Kapazität eines Sammlers wird in Amperestunden und für zehnstündige Entladung angegeben.

D. Der Magnetismus 1 . Magnetische Grunde rscheinungen 147. Magnete haben die Fähigkeit, Eisen anzuziehen und festzuhalten. Es gibt n a t ü r l i c h e M a g n e t e , d. h. solche, die in der Natur vorkommen, und k ü n s t l i c h e M a g n e t e , das sind Körper, die durch besondere Be5

Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

65

S a m m l e r d a g e g e n v e r d ü n n t e S c h w e f e l s ä u r e . Durch Verwechseln der beiden Elektrolyte beim Füllen der Sammler werden die Sammler restlos vernichtet, ja, es können sogar starke Zerstörungen und Explosionen auftreten. D a r u m Vorsicht beim Nachfüllen von Sammlern! Dieses soll nur von Sammler-Ladewarten geschehen, die die Notwendigkeit durch Prüfung feststellen. Das verdunstete Wasser darf nur durch chemisch reines Wasser ersetzt werden, niemals durch Leitungswasser. 146. Die Sammler finden dort Anwendung, wo ein Anschluß an die Starkstromleitungen der Elektrizitätswerke nicht möglich ist. Insbesondere Fahrzeuge aller Art benutzen als Stromquellen Sammler, so z. B . Schiffe, K r a f t w a g e n , Triebwagen, Lastkarren usw. Ferner werden dort Sammler eingebaut, wo man von einer Störung in der Stromlieferung des Elektrizitätswerkes unabhängig sein will, z. B . in Fernsprech- und Telegraphenämtern, bei Notbeleuchtungen usw. Überblick 1. Durch chemische Umsetzung wird in den „ E l e m e n t e n " eine Spannung erzeugt. 2. Das Element besteht aus zwei verschiedenartigen Elektroden, die in einen Elektrolyten eintauchen. 3. Beim Trockenelement ist der Elektrolyt durch flüssigkeitsansaugende Stoffe verdickt. 4. Der Sammler muß durch einen Strom geladen werden, wobei sich chemische Umsetzungen ergeben. E r liefert Strom so lange, bis diese Umsetzungen wieder rückgängig gemacht sind. 5. Der Blei-Sammler enthält als Elektroden Blei und Bleiverbindungen. Der Elektrolyt ist Schwefelsäure. Spannung etwa 2 Volt je Zelle. 6. Der NC-Sammler enthält Elektroden aus Nickel- und Cadmiumverbindungen. Sein Elektrolyt ist Kalilauge. Spannung etwa 1,2 Volt je Zelle. 7. Die Kapazität eines Sammlers wird in Amperestunden und für zehnstündige Entladung angegeben.

D. Der Magnetismus 1 . Magnetische Grunde rscheinungen 147. Magnete haben die Fähigkeit, Eisen anzuziehen und festzuhalten. Es gibt n a t ü r l i c h e M a g n e t e , d. h. solche, die in der Natur vorkommen, und k ü n s t l i c h e M a g n e t e , das sind Körper, die durch besondere Be5

Weyres-Brandt, Elektrizitätslehre

65

handlung technischer Art diese Eigenschaften erhalten. Die natürlichen Magnete bestehen aus einem Eisenerz, dem sogenannten Magneteisenstein, einer chemischen Verbindung von Eisen und Sauerstoff, die in der Natur häufig vorkommt. Künstliche Magnete stellt man aus Stahl oder Stahllegierungen her. Die Anziehungskraft des Magnets wirkt nicht nur durch die Luft, sondern auch durch manche andere Körper hindurch. Durch Glas, Holz, Gewebe, Papier usw. zieht der Magnet ein Stück Eisen an. [46] Untersucht man die A n z i e h u n g s k r a f t e i n e s M a g n e t s , indem man ihn in Eisenfeilicht legt und dann heraushebt, so findet man, daß es Stellen stärkster Wirkung gibt, die man Pole nennt Abb. 122. S t a b m a g n e t mit Eisenfeilicht. (Abb. 122). An anderen Stellen äußert sich die Kraft nur wenig oder gar nicht. Ein Stabmagnet hat je einen Magnetpol an den beiden Enden. [47] Um die Wirkung eines Stabmagnets zu vergrößern, kann man ihn in die Form eines Hufeisens biegen und erhält dadurch den bekannten Hufeisenmagnet. Ein vor den Magnet gebrachtes Eisenstück wird jetzt von beiden Polen gleichzeitig angezogen. Ein Eisenstück, das die Pole miteinander verbindet, also sozusagen „verankert", heißt Anker. 149. Hängt man einen Stabmagnet an einem dünnen Faden waagerecht auf, läßt ihn freischwebend ruhig ausschwingen und stört diese Schwingungen nicht durch in der Nähe befindliche Eisenteile, so stellt sich dieser Magnetstab in die Richtung nach Norden ein. Den nach Norden weisenden Pol nennt man den Nordpol. Meistens wird er durch blaue Färbung gekennzeichnet. Den entgegengesetzten Pol nennt man Südpol. Auf dieser Eigenschaft eines freischwebenden Magnets, sich nach Norden einzustellen, beruht die Anwendung der Magnetnadel (Abb. 123). [48] 150. Die Verwendung der Magnetnadel im Kompaß ist allgemein bekannt. Mit einem Kompaß kann man die N o r d — S ü d - R i c h t u n g f e s t s t e l l e n , jedoch müssen aus seiner Nähe alle Gegenstände, die Eisen enthalten, entfernt werden, da sonst die Kompaßnadel nicht richtig anzeigt. Abb. 124 zeigt einen Marschkompaß. A b b . 123. Magnetnadel.

151. Nähert man dem Nordpol eines Magnets den Nordpol der Magnetnadel, so bemerkt man, daß die Pole sich abstoßen; nähert man dem Nordpol den Südpol eines anderen Magnets, so ziehen die beiden Pole sich an. 66

Daraus folgt: Gleichnamig*! Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. [49] 152. Eine stählerne Stricknadel, die keine Spur von Magnetismus zeigt, wird mit dem Pol eines Magnetstabes, in der Mitte der Nadel aufsetzend, langsam zu einem Ende hin bestrichen (Abb. 125). Man führt den Magnet im Bogen durch die Luft zur Mitte der Nadel zurück und wiederholt dieses Überstreichen mehrere Male. Legt man die Stricknadel in Eisenfeilicht, so stellt man fest, daß sie magnetisch geworden ist (Magnetisieren). [50] Macht man den Versuch mit einem Stabe aus w e i c h e m S c h m i e d e e i s e n , so nimmt dieser Stab fast keinen Magnetismus an.

Abb. 124. Marschkompaß.

Abb. 125. Magnetisieren eines Stahlstabes

Stahl behält also den Magnetismus (Dauermagnet), während „weiches Eisen" den Magnetismus schnell wieder verliert. 153. Um die Wirkung eines Magnets zu verstärken, legt man mehrere Magnete mit den gleichnamigen Polen zusammen. Derartige Magnete benutzt man bei Zündmaschinen, bei den sogenannten Zündmagneten von Motorrad- und Kraftwagenmotoren und in der Fernsprechtechnik beim Kurbelinduktor (vgl. 222). 154. Zerbricht man eine magnetische Stricknadel oder einen magnetischen Stahlstab und untersucht dann beide Stücke in Eisenfeilicht, so stellt man fest, daß jetzt beide Teile je einen Nord- und einen Südpol erhalten haben. Dieses Verfahren kann man bis zu den kleinsten Teilchen weiterführen, und wenn man es sich fortgesetzt denkt bis zu den kleinsten noch physikalisch teilbaren Teilchen, den Molekülen (vgl. 2), so h a t jedes Stahlmolekül einen Nord- und Südpol. Die Moleküle eines Stoffes liegen nun nicht fest zusammen, sondern können sich etwas bewegen. Im unmagnetischen Zustand liegen sie in Unordnung durcheinander (Abb. 126). Wie eine Magnetnadel von einem in die Nähe gebrachten Magnet g e r i c h t e t wird, so werden auch die molekularen Magnete von dem über sie wegstreichenden Magnet gerichtet. Es 5*

67

steht dann jeweils einem Nordpol ein Südpol gegenüber, so daß die Kraftwirkungen der Molekularmagnete in der Mitte der Stahlnadel aufgehoben werden. Nur an den beiden Enden treten dann nach außen hin wirksame Pole auf (Abb. 127). Daher ist auch leicht zu erklären, warum an der Bruchstelle eines Magnets neue Pole entstehen.

am

CM

cm cm cm cm cm cm

n n n t i a i i a i c i Abb. 126. Lage kleiner Eisenmagnete vor dem Magnetisieren.

Abb. 127. Ausrichten beim Magnetisieren.

Bei Stahl hat diese einmal angenommene Richtung der molekularen Magnete einen dauernden Bestand (Dauermagnetismus). Glüht man eine magnetisierte Stricknadel aus oder klopft sie gründlich mit einem Hammer, so verliert die Nadel ihren Magnetismus. Die m o l e k u l a r e n M a g n e t e werden durch die W ä r m e oder durch die S t ö ß e wie der durche i n a n d e r g e w ü r f e l t . Die magnetische Wirkung nach außen verschwindet (Entmagnetisieren). 2 . D a s magnetische Feld 155. Legt man auf einen Stabmagnet, der waagerecht liegt, einen Bogen Papier und streut darauf Eisenfeilicht,

Abb. 128. Kraftfeld eines Stabmagnets.

Abb. 129. Schnitt durch das Magnetfeld um einen l'ol.

Abb. 130. Kraftlinien zwlsehen Nord- und Südpol zweier Stabmagnete.

so entsteht, wenn man das Papier etwas klopft, ein L i n i e n b i l d (Abb. 128). [51] Legt man den Bogen auf einen Pol eines senkrecht gestellten Stabmagnets, so erhält man ein Bild nach Abb. 129. 68

Die Linien gehen vom Nordpol eines Magnets zum Südpol eines anderen hinüber und sind besonders in der Nähe der Pole sehr dicht (Abb. 130). Sie stellen die Richtung der magnetischen Kraft dar. 156. Abb. 131 zeigt den Verlauf dieser Kraftlinien zwischen den Polen eines Hufeisenmagnets. Wenn man so die Kraftlinienbilder in der ganzen Umgebung eines Magnets herstellt, erhält man eine Vorstellung, wie dessen Kraftlinien im Baume verlaufen. 157. Den Raum, in dem magnetische Kraftlinien vorhanden sind, nennt man das magnetische Feld. Dabei wird die S t ä r k e d e s u e l d e s an einer bestimmten Stelle durch die Dichte der Kraftlinien gekennzeichnet. Legt man z w i s c h e n die P o l e e i n e s H u f e i s e n m a g n e t s ein E i s e n s t ü c k A b b . 131. Kraftlinienbild eines H u f (Abb. 132), so drängen sich die Kraftlinien eisenmagnets. in dem Eisen zusammen und sind hier viel dichter als in anderen Körpern. In dem von Kraftlinien durchsetzten Eisenstück werden die Moleküle ebenfalls gerichtet, es wird selbst zu einem Magnet.

A b b . 132. Eisenstilek im Magnetfeld zwischen zwei Polen.

A b b . 133. Abschirmen eines B a u m e s gegen magnetischeKraftlinien durch einen Eisenring.

Innerhalb eines Eisenringes (Abb. 133) befinden sich überhaupt keine Kraftlinien, so daß man durch sogenannte E i s e n p a n z e r u n g einen Raum vor magnetischen Kraftlinien schützen und abschirmen kann. Von dieser Erscheinung wird in der Technik häufig Gebrauch gemacht, um Räume oder Geräte vor den Einwirkungen magnetischer Kräfte abzuschirmen. 69

3. D a s Magnetfeld der Erde 158. Die freischwingende Magnetnadel und der Kompaß zeigten, daß die Erde ein magnetisches Feld besitzt, und zwar reicht dieses Feld um die ganze Erde (Abb. 134). Auch an der Erdkugel hat man zwei Magnetpole festgestellt, so daß die Erde als ein g r o ß e r K u g e l m a g n e t angesehen werden kann. Der eine Pol liegt im Norden, in Nordamerika auf einer Halbinsel, Bootina felix, der andere südlich von Australien. Da der magnetische Nordpol nicht mit dem geographischen Nordpol der Erde zusammenfällt, zeigt die Kompaßnadel n i c h t g e n a u n a c h N o r d e n , sondern sie weicht von der Nord-Süd-Linie um einen bestimmten Winkel ab. Dieser Winkel hat die Bezeichnung Mißweisung (Deklination). Für die Seeund Luftfahrt ist diese Mißweisung von großer Bedeutung. — Jede Kompaßablesung muß um den Betrag der Mißweisung berichtigt werden. A b b . 134. Kraftfeld der Erde. Die Mißweisung ist an allen Orten Europas verschieden. Deswegen trägt man in den Ortungskarten die Größe der magnetischen Mißweisung in Linien gleicher Mißweisung ein. Sie ändert sich mit der Zeit, und zwar in etwa 5 Jahren um 1 Grad. Überblick 1. Der Magnet hat zwei Stellen stärkster Wirkung, die Magnetpole. 2. Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige ziehen einander an. 3. Zwischen den Polen verlaufen die magnetischen Kraftlinien. 4. Der von magnetischen Kraftlinien erfüllte Raum heißt magnetisches Feld. 5. Die Erde hat zwei Magnetpole, einen magnetischen Nord- und einen Südpol. 6. Die Magnetpole der Erde fallen nicht mit dem geographischen Nordund Südpol zusammen. 7. Die magnetische Mißweisung ist für die Luft- und Seefahrt von großer Bedeutung. 70

E . Magnetische Wirkungen des Stromes 1. Das Magnetfeld des Stromes 159. Bringt man eine Magnetnadel in die Nähe eines Leiters (Abb. 135), durch den ein elektrischer Strom fließt, so wird die Nadel abgelenkt. In der Nähe eines stromführenden Leiters muß also ein Magnetfeld sein. [52] 160. Um die Form dieses Feldes zu untersuchen, steckt man einen Leitungsdraht durch einen Pappkarton nach Abb. 136. Den Karton bestreut man mit Eisenfeilicht und schickt durch d< teilchen ordnen sich in Kreisen i

Abb. 136. Magnetfeld um einen geraden Leiter.

A b b . 135. Ablenkung einer Magnetnadel durch den elektrischen Strom.

Draht einen starken Strom. Die Eisenden Draht. [53]

A b b . 137. Magnetfeld eines ringförmigen Leiters.

Um den Raum in der Umgebung eines gebogenen Leiters zu untersuchen, biegt man den Draht zum Kreis (Abb. 137) und wiederholt den Versuch. Zu einem weiteren Versuch schickt man den Strom durch eine Spule nach Abb. 138 und beobachtet nun das Kraftlinienbild der Spule. I m I n n e r n d e r S p u l e laufen die Kraftlinien parallel, man spricht von einem homogenen Feld. [54] 161. Wie ein Stabmagnet zwei Pole hat (Nord- und Südpol), so sind auch

A b b . 138. Magnetfeld einer Spule.

71

bei einer Spule zwei Pole vorhanden (Abb. 139). Bringt man eine Magnetnadel an das eine Spulenende heran, so findet man, daß dort der Nordpol ist, wo der Strom entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn den Spulenkern umläuft. Am Südpol läuft der Strom im Uhrzeigersinn (Abb. 140).

A b b . 139. Schema eines Elektromagnets.

A b b . 140. Polling des Elektromagnets: Strom im Uhrzeigersinn — Südpol vorn; Strom Im Gsgenuhrzeigersinn — Nordpol vorn.

162. Die Anziehungskraft einer stromdurchflossenen Spule kann sehr groß werden; sie hängt von der Stromstärke ab und der Anzahl der Windungen, die auf ein Zentimeter Spulenlänge entfallen. Wenn man einen Eisenstab mit dem einen E n d e in die Spule hineinbringt, so wird der Stab beim Einschalten des Stromes in die Spule hineingezogen. [55] 2. Der Elektromagnet 163. Die magnetische Kraft der Spule wird noch erheblich verstärkt, wenn man in die Spule einen Eisenkern einführt, weil dieses Eisen auch magnetisch wird und dadurch das Feld der Spule erheblich verstärkt wird (Abb. 141). Eine solche Spule mit einem Kern von weichem Eisen nennt man einen Elektromagnet. [56]

A b b . 141. Eine stromdurchflossene Spule mit Eisenstab Ist ein Elektromagnet.

A b b . 142. Verlauf der Kraftlinien durch A n k e r und Kern eines Hufeisenelektromagnets.

D a der E i s e n k e r n a u s w e i c h e m E i s e n besteht, bleibt er nur so lange magnetisch, wie ein Strom fließt. Schaltet man den Strom aus, so bricht das Magnetfeld zusammen.72

164. Um die Wirkung eines Elektromagnets zu verstärken, biegt man den Kern in Huieisenform (vgl. 156). Dadurch wird der Weg der Kraftlinien verkürzt und ihre Kraft erheblich größer. [57] Wenn der Anker unmittelbar fest an den Polen anliegt, verlaufen alle Kraftlinien durch das Eisen. Er haftet dann außerordentlich fest (Abb. 142). Dieses Anliegen nennt man „ E i s e n s c h l u ß " des Ankers. [58] Man hat es in der Hand, das Magnetfeld des Elektromagnets plötzlich entstehen oder verschwinden zu lassen, indem man den Strom ein- oder ausschaltet. Diese Möglichkeit wird in weitem Umfang in der Technik ausgenutzt, wenn es gilt, magnetische Wirkungen auf schnellstem Wege zu erzeugen und zu vernichten.

A b b . 143. E i n Elektromagnet trägt eine Last von 7 5 0 0 0 Kilo (Krupp).

3. Technische Anwendung des Elektromagnets 165. Die Anwendung des Elektromagnets in Wissenschaft, Technik, Industrie und im täglichen Leben bietet eine solche Fülle von Beispielen, daß hier nur einige grundsätzliche behandelt werden können. Die K r a f t des E l e k t r o m a g n e t s wird in der Technik, besonders in der Eisenindustrie, zum T r a g e n g r o ß e r E i s e n l a s t e n verwendet. Abb. 143 zeigt einen Lasthebemagnet, der die schweren Eisenblöcke mit Leichtigkeit trägt.

73

4 . Der F e r n h ö r e r (Telephon) 166. Durch das Mikrophon (vgl. 48) werden die Schallschwingungen der Sprache und Musik in Schwankungen eines Gleichstromes umgeformt. Dieser „modulierte" Gleichstrom wird an der Empfängerseite durch den Fernhörer wieder in Schallschwingungen umgewandelt (Abb. 144). Der Fernhörer besteht Geber Empfänger aus einem polarisierten Fernsprech Verbindung einfachster Art Elektromagnet besondeA b b . 144. M i k r o p h o n s t r o m b e t ä t i g t einen F e r n h ö r e r . rer Bauart. Beim polarisierten Elektromagnet ist der Eisenkern ein Dauermagnet. Schon bei geringsten Stromschwankungen wird der vorhandene Magnetismus des Hufeisenmagnets verstärkt oder geschwächt, so daß die elektromagnetische Wirkung e r h e b l i c h e m p f i n d l i c h e r einsetzt. Überall dort, wo noch ganz geringe Stromstöße und Schwankungeil zur Wirkung kommen sollen, werden solche polarisierten Magnete verwendet. 167. Abb. 145 zeigt den schematischen Aufbau des Fernhörers. Dem Hufeisenmagnet NS steht eine dünne lackierte Eisenplatte (Membran) gegenüber, die durch den vorhandenen Magnetismus etwas durchgebogen und dadurch dauernd geA b b . 145. Wirkungsweise des F e r n spannt ist (Abb. 145b). Infolge der Beeinhörers (schematisch) a) A b s t o ß u n g , flussung des Magnetismus durch die anb) R u h e l a g e , c) A n z i e h u n g der M e m kommenden Stromschwankungen schwingt bran. die Membran zwischen den Lagen a und c hin und her, und zwar im T a k t e der S t r o m s c h w a n k u n g e n . [59] Dieses Hin- und Hergehen der Membran im Takt der Mikrophonströme

Muschel

Weicheisenmembran Kapsel Dauermagnet Elektromagnetwicklung 'Polschuhe

A b b . 146. Q u e r s c h n i t t durch einen F e r n h ö r e r .

74

'lektromagnetwicklung Dauermagnet

A b b . 147. Grundriß eines F e r n h ö r e r s .

versetzt die Luft in Schwingungen, die man als Töne hört. Um störende Geräusche abzuhalten und den Ton zu verstärken, ist auf den Fernhörer eine Hörmuschel aufgeschraubt. Abb. 146 und 147 zeigen den technischen Aufbau eines Kopffernhörers, wie er in der Fernmeldetechnik benutzt wird. Ein derartiger Fernhörer spricht noch auf Stromstärken von 0,01 mA an. E r hat einen Widerstand bis zu 2000 Ohm.

kd

168. Bei der einfachsten SprechI L-1 Verbindung zwischen zwei Orten I—' muß der Strom sowohl durch die beiden Mikrophone als auch durch die Fernhörer gehen. Abb. 148 gibt die grundsätzliche Schaltung einer einfachen Fernsprechanlage. Für den sogenannten WeitA b b . 148. Einfachste Sprechverbindung, sprechverkehr über lange Fernleitungen ist diese Schaltung nicht geeignet. Hier werden zusätzliche Einrichtungen notwendig (vgl. 259).

P

5 . D e r Morseschreiber 169. Als Empfänger in Fernmeldeanlagen, besonders dort, wo es darauf ankommt, d a ß d i e ü b e r m i t t e l t e n N a c h r i c h t e n schriftlich f e s t g e l e g t w e r d e n , wird der Morseapparat benutzt. %Ft

f, Einzelheiten: Einem kräftigen Elektromagnet M (Abb. 149) steht als Anker ein Weicheisenanker A gegenüber, der im Takte der Stromstöße angezogen wird. Die Rückholfeder jPj zieht in den Pausen den Anker in seine Ruhestellung zurück. Die Anschläge | I1 I' Fernleitung M Zl und Zt begrenzen die Bewegung des Ankers nach oben und unten. Der Anker trägt am an- A b b . 149. Grundsätzlicher Aufbau eines Morseapparates, deren Ende einen Schreibstift oder ein Schreibrädchen, das in Farbe taucht und auf einem Papierstreifen Punkte und Striche schreibt, je nachdem der Stromstoß kurz oder lange dauert. Der Papierstreifen wird durch eine Spannrolle S mit der Feder Ft auf die Walze R gepreßt. Diese Walze wird durch ein Uhrwerk oder einen kleinen Elektromotor gedreht.

.—||.|i—.—°

laSsn

Dieser einfache Morseschreiber ist heute vielfach durch andere F e r n s c h r e i b e r verdrängt. 75

170. Zur Abgabe der Zeichen dient an der Gebestelle eine Taste. Abb. 150 zeigt eine neuzeitliche Morsetaste. Sie hat zwei Kontakte, den Arbeitskontakt, der beim Niederdrükken der Taste den Stromkreis schließt, und den Ruhekontakt, der zu besonderen Schaltungsarten verwendet wird. Die Fernleitung liegt an der Mitte der Taste. Abb. 150. Ansicht der Einheitstaste.

A b b . 1 5 0 a z e i g t die g r u n d -

legraphenstationen für Wechselverkehr Rückleitung erfolgt durch die Erde.

sätzliche Schaltung zweier Teauf einer Einfachleitung. Die

171. Die Punkt- und Strichzeichen sind international im Morsealphabet festgelegt. Die Morsezeichen setzen sich aus kurzen und langen Zeichen (Punkten und Strichen) zusammen. Dabei ist ein Strich = 3 Punktlängen. Der Zwischenraum zwischen den Zeichen eines Morsebuchstabens ist eine Punktlänge. Der Zwischenraum zwischen zwei Morsebuchstaben = 3 Punktlängen. Der Zwischenraum zwischen zwei Wörtern oder Gruppen Abb. 150 a. B die Batterien, M die Morseapparate, T die ( W o r t a b s t a n d ) Tasten. T\ ist gedrückt, I gibt Signal nach I I .

längen.

Buchstaben und Buchstabierhilfen a ä b c d e f g h i 76

Anton Ärger Berta Cäsar Dora Emil Friedrich Gustav Heinrich Ida

• — • — — • —• —•

• — • • — • •

• • — • • • • •

j Julius k Konrad 1 Ludwig m Martha n Nordpol o Otto ö Ödipus p Paula q Quelle r Richard

— • — • — • • — •

— • — •

s t u ü v w x y z

Siegfried Theodor Ulrich Übel Victor Wilhelm Xantippe Ypsilon Zeppelin

5

Punkt

Zahlen 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

nuhl einß zwoh • • — drrei • • • — fieärr • • • • füneff sechs — • • • siebän acht neun

Satzzeichen . Punkt , Komma : Doppelpunkt ? Fragezeichen — Bindestrich () Klammer Unterstreichungszeichen / Bruchstrich

• —•

•• — —• • —••• — —• •

6. Der Selbstunterbrecher 172. Den grundsätzlichen Aufbau kann man am besten am üblichen 3.0-tf »i0 ist wesentlich für die Arbeitsweise Gitterspannung der Röhre. A b b . 231. Kennlinie einer Dreipolröhre. Bei — 1 , 5 V Gitterspannung ist der Anodenstrom 7,2 mA.

280. Unter dem Arbeitspunkt versteht man den Punkt der Kennlinie, der durch die gewählte Gittervorspannung festgelegt ist.

3. Die Verstärkung 281. Der Kennlinie kann man die Verstärkerwirkung, die wichtigste Eigenschaft der Eingitterröhre, entnehmen.

Qittemnpdnnung

— 2V

A b b . 232. Schaubild der Verstärkerwirkung der Dreipolröhre.

120

A b b . 233. Falsche Wahl der Gitterspannung. Arbeitspunkt nicht in der Mitte des aufsteigenden Astes, daher Verzerrung.

Bringt man an das Gitter schwache Wechselspannungen, so rufen diese große Schwankungen des Anodenstroms hervor. In Abb. 232 liegt der Arbeitspunkt durch die Gittervorspannung von — 2 V in der Mitte des aufsteigenden Teiles der Kennlinie. Die beiden Halbwellen der auf das Gitter aufgebrachten Wechselspannung werden dann gleichmäßig verstärkt und rufen im Anodenstromkreis einen Wechselstrom der gleichen Frequenz und der gleichen Schwingungsform hervor. In Abb. 233 liegt der Arbeitspunkt zu hoch, d. h. die Gittervorspannung ist nicht richtig gewählt. E s wird ein Teil der Wechselstromkurve verzerrt. Bei einer guten Verstärkung liegt also der Arbeitspunkt in der Mitte des geraden Teiles der Kennlinie der Röhre. 282. I s t die an das Gitter angelegte Wechselspannung zu groß, so entsteht die sogenannte „Übersteuerung".

^Lautsprecher

Abb. 234. Schaltung der Dreipolröhre als Sprechverstärker.

283. Um sehr schwache Spannungen hoch zu verstärken, schaltet man m e h r e r e R ö h r e n h i n t e r e i n a n d e r , indem man die Schwankungen des Anodenstromes über einen Umspanner oder in anderer zweckentsprechender Weise als Spannungsschwankungen auf das Gitter der folgenden Röhre überträgt. Der Röhrenverstärker ist aus dem technischen und täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Außer beim Rundfunk im Empfangsgerät, im Sender und hinter dem Mikrophon benutzt man ihn heute überall dort in Wissenschaft und Technik, wo es gilt, kleinste Spannungen der Beobachtung zugänglich zu machen. 284. Abb. 234 zeigt die Schaltung einer Röhre als Sprachverstärker. Die Stromschwankungen des Mikrophons werden durch einen Umspanner als Spannungsschwankungen an das Gitter der Röhre gebracht und erzeugen im Anodenkreis Gleichstromschwankungen von beträchtlich größerer Schwingungsweite als das Mikrophon sie liefert. [96] 121

Überblick 1. Das Gitter als dritte Elektrode steuert den Anodenstrom ( S t e u e r gitter). 2. Durch Spannungsänderungen am Gitter werden starke Änderungen des Anodenstromes hervorgerufen. 3. Die Kennlinie der Röhre veranschaulicht die Wirkung der Spannungsänderung des Gitters auf den Anodenstrom. 4. Mit Arbeitspunkt bezeichnet man den Punkt der Kennlinie, der durch die jeweilige Gittervorspannung festgelegt ist. 5. Die Verstärkerwirkung der Dreipolröhre wird in Funk- und Fernsprechtechnik weitgehend ausgenutzt.

Die folgenden Abbildungen stellten freundlicherweise zur Verfügung: AFA, Berlin: Abb. 121, E . B u s c h , Rathenow: Abb. 124; P. Gossen, Erlangen: Abb. 166, 168b und 169b; R. Jahre, Berlin: Abb. 87, 8 9 u n d 9 1 ; K r u p p : Abb. 143; Leybolds Nachf., Köln: Abb. 202; Physikalische Werkstätten, Göttingen: Abb. 70, 71, 76, 77, 79, 162, 207 und 208; Siemens-Halske: Abb. 19; M. Ulrich, Leipzig: Abb. 93; Verlag B . G. Teubner, Leipzig: nach Blatzheim, Fachkunde f ü r Fernmeldetechnik: Abb. 73, 75, 96, 97 und 204; T W L : Abb. 102, 203, 211, 212b.

122

IV. Anhang A. Schaltzeichen Schaltzeichen dienen zur Darstellung von elektrischen Schaltungen. Sie geben nur Aufschluß über Art, Schaltung und Arbeitsweise der Geräte, aber nicht über ihre technische Ausführung. Sie können in beliebiger Lage gezeichnet werden. Die Schaltzeichen entsprechen den DIN-Vorschriften vom Januar 1941.

Gleichstrom

fr

_L

Masse (z. i>. metall. Gehäuse)

Wechselstrom

Isolierendes Zwischenstück

Gleich- oder Wechselstrom (Allstrom)

Steckerstift

Leiter allgemein

Steckerhülse

Leitungskreuzung ohne Verbindung

Trennbare Kupplung, Steckkupplung. Trennvorriclitg. ungescliirmt

Leitungskreuzung mit Verbindung

Einschalter

Leitungsabzweigung

Tastschalter

Erde

V

Umschalter

123

Widerstand (Wirkwiderstand) allgemein

—IfUjj—

/

-j

— W r -

Meßwiderstand

|VW]

—vWy-AW-

124

_L T

Übertrager, Umspanner mit Eisenkern

Kondensator, Kapazität

Widerstand mit Anzapfung, z. K. Mittelanzapfung

Regulierbarer sator

Veränderbarer Widerstand stetig regelbar

Galvanische Stromquelle (Element, Sammler, Akkumulator, Batterie) allgemein, auch Einzelzelle

Widerstand als Spannungeteiler stetig regelbar

60 K

H h

Wicklung (Spule) allgemein, Induktivität mit Verlustwiderstand

"Wicklung (Spule) allgemein, zur bes. Kennzeichnung der 1nduktivität ohne Eisenkern

Uv\l

-vQQQs-

Konden-

Galvanische Stromquelle nur zur bes. Kennzeichnung der Mehrzelligkeit

Gleichstromgenerator (umlaufend)

6

Wechselstromgenerator (umlaufend)

Wicklung (Spule) allgemein, zur bes. Kennzeichnung der Induktivität mit Eisenkern

Elektrisches Ventil, z. B. Troekengleichrichter, Detektor

Übertrager, allgemein

Umspanner

Stromsich ertrag mein

allge-

Übertrager, Umspanner mit Eisenkern

Stromsicherung, sicherung

Grob-

Stromsicherung, sicherung

Fein-

Spannungssicherung allgemein

\J

j

Spannungsmesser

Strommesser

o 1

Kolben für Röhre allgemein

Kalte Elektrode allgemein, inbesond. Anode

Heizfaden, direkt heizte Kathode

Indirekt thode

geheizte

ge-

Ka-

Lampe, z.B. Signallampe Gitter, Steuergitter

"Wecker allgemein

P=