2. Das 18. Jahrhundert errichtet die Grundlagen der Elektrizitätslehre.
Während die Physik im 17. Jahrhundert ihre Fortschritte vorzugsweise auf den Gebieten der Mechanik und der Optik, den ältesten Zweigen der Naturlehre, zu verzeichnen hatte, war das 18. Jahrhundert insbesondere dem Ausbau des von Gilbert und Guericke erschlossenen Gebietes der Reibungselektrizität gewidmet. Gilbert hatte zum erstenmal den Unterschied zwischen magnetischer und elektrischer Anziehung scharf hervorgehoben[1], während Guericke die elektrische Abstoßung entdeckt und die erste maschinelle Vorrichtung zur Erzeugung von Elektrizität ins Leben gerufen hatte. Leider wurde Guerickes Apparat zunächst nicht benutzt. Man begnügte sich damit, Elektrizität zu erzeugen, indem man Glas, Bernstein und andere geeignete Stoffe aus freier Hand rieb. Trotzdem gelang es, elektrische Entladungen von solcher Wirkung hervorzurufen, daß nicht nur ein Knistern, sondern auch das Auftreten von Funken bemerkt wurde. Ein Beobachter erwähnt sogar, »dieses Licht und Knistern scheine einigermaßen Blitz und Donner vorzustellen«[2].
Auf das Studium der elektrischen Phänomene wurde man besonders durch eine merkwürdige Beobachtung am Quecksilberbarometer gelenkt. Picard bemerkte im Jahre 1675, daß sich bei völliger Dunkelheit beim Erschüttern der Quecksilbersäule in der Torricellischen Leere ein eigentümliches phosphoreszierendes Leuchten zeigt. Die sonderbare Erscheinung erregte großes Aufsehen und rief eine umfangreiche Literatur hervor. Die richtige Erklärung fand Francis Hawksbee, ein Mitglied der Royal Society. Hawksbee, welcher seine Versuche über diesen Gegenstand seit dem Jahre 1705 in den Philosophical Transactions veröffentlichte[3], nahm an, daß man es hier mit einer durch die Reibung des Quecksilbers an dem Glase vor sich gehenden Elektrizitätserregung zu tun habe. Um seine Ansicht zu beweisen, stellte er eine hohle Glaskugel auf eine Achse und versetzte sie in rasche Drehung. Brachte er gleichzeitig die trockene, warme Hand an diese Kugel, so wurde sie so stark elektrisch, daß man zolllange Funken erhielt. Wurde die Kugel zuvor luftleer gemacht, so erschien in ihr dasselbe Leuchten, das man im Quecksilberbarometer beim Schütteln beobachtet hatte. Hawksbee ist somit als der Erfinder der Glaselektrisiermaschine zu betrachten. Allerdings kam diese Maschine erst viel später in allgemeinen Gebrauch. Obgleich Hawksbee auch Schwefelkugeln und Siegellackstangen elektrisierte, gelangte er noch nicht dazu, zwischen positiver und negativer Elektrizität zu unterscheiden.
Der Fortschritt auf dem Gebiete der Reibungselektrizität mußte ein sehr langsamer bleiben, so lange es sich nur um zufällige, durch keine Theorie verknüpfte Beobachtungen handelte. Dieser allerersten Stufe jeder exakten Wissenschaft sollte keiner der Hauptzweige der Physik so spät entwachsen wie gerade die Elektrizitätslehre. Erst im Verlaufe des 18. Jahrhunderts tritt letztere in das zweite Stadium ein. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, daß man zu einem planmäßigen, von hypothetischen Vorstellungen geleiteten Experimentieren übergeht. Als Vertreter jener ersten Stufe muß selbst noch ein Du Fay gelten. Seine Tätigkeit fällt in den Beginn des 18. Jahrhunderts, während Aepinus und Franklin auf den Schultern der Genannten stehen und dem zweiten Zeitraum angehören. Erst der gegen das Ende des 18. Jahrhunderts anhebenden Epoche blieb es vorbehalten, durch messende Beobachtung zu den Gesetzen der Reibungselektrizität vorzudringen[4]. Hieran reihte sich das deduktive, die Hilfsmittel der Mathematik und der Mechanik benutzende Verfahren, womit auch auf diesem Gebiete endlich diejenige Stufe erreicht war, welche der Wissenschaft nach einem Ausspruch Galileis in allen ihren Teilen erst eine würdevolle Behandlung verleiht[5].
Dem erwähnten Du Fay verdankt die Elektrizitätslehre eine Anzahl grundlegender Versuche. Charles François Du Fay wurde 1698 in Paris geboren und starb daselbst im Jahre 1739. Du Fay beschäftigte sich mit magnetischen und elektrischen Versuchen, die in den Abhandlungen der Pariser Akademie beschrieben wurden[6]. Das wichtigste Ergebnis seiner Untersuchungen läßt sich in folgende Sätze zusammenfassen: 1. Ein elektrischer Körper zieht alle nichtelektrischen an und teilt ihnen Elektrizität mit, worauf er sie wieder abstößt. 2. Es gibt zwei entgegengesetzte Arten der Elektrizität, die Glas- und die Harzelektrizität. Zu der Entdeckung, daß es zwei Arten Elektrizität gibt, wurde Du Fay durch sein Blattgoldelektroskop geführt. Du Fay ging von der Annahme aus, daß ein mit dem Glasstab elektrisiertes Blättchen von jedem Körper, der durch Reiben in den elektrischen Zustand versetzt sei, abgestoßen werde. Diese Annahme bestätigte sich indessen nicht. Als Du Fay nämlich dem Blättchen geriebene Kopalstücke und andere geriebene harzartige Körper näherte, wurde es von diesen angezogen. Du Fay unterschied aus diesem Grunde zwei Arten von Elektrizität, die er als Harz- und Glaselektrizität bezeichnete. Später erkannte man indessen, daß diese Benennungen irreführend sind, da harzartige Körper mit Glaselektrizität, glasartige dagegen mit Harzelektrizität geladen werden können[7]. Deshalb wurden die Glas- und die Harzelektrizität als positive und negative Elektrizität unterschieden. Du Fay war es auch, der zuerst auf den Zusammenhang zwischen dem Leitungsvermögen und der Elektrisierbarkeit der Körper aufmerksam machte. Man fing nun an, die Nichtleiter in ausgedehnter Weise als Isolatoren zu benutzen. So gelang es dem genannten Forscher, einen an Haarschnüren oder an seidenen Stricken hängenden Menschen zu elektrisieren und ihm Funken zu entlocken.
Die ersten Beobachtungen über die Fortleitung der Elektrizität rühren von Guericke her. Ausgedehntere Versuche über das Leitungsvermögen stellte ein Zeitgenosse Du Fays, der Engländer Stephan Grey, an. Er verschloß eine Glasröhre vermittelst eines Korkstopfens, um zu untersuchen, ob sie sich jetzt in gleicher Weise wie vorher durch Reiben elektrisieren lasse. Grey (er starb 1736 in London) bemerkte keinen Unterschied, fand aber, daß der Stopfen auch elektrisch geworden war, da er auf eine Feder wie die Glasröhre wirkte. Darauf steckte er in den Stopfen einen Holzstab, der am andern Ende eine Elfenbeinkugel trug. Wurde nun die Glasröhre gerieben, so zeigte sich diese Kugel gleichfalls elektrisch. Die Zustandsänderung hatte sich also von dem Glase aus durch den Stopfen und das Holz bis auf die Kugel fortgepflanzt. Um die Frage zu entscheiden, bis auf welche Entfernung eine solche Fortpflanzung möglich sei, ersetzte Grey den Holzstab durch einen ausgespannten Faden, der in seidenen Schleifen hing. Es gelang, eine Wirkung auf Entfernungen bis zu 700 Fuß nachzuweisen. Ließ man den Bindfaden nicht auf Seide, sondern auf Draht ruhen, so mißlang der Versuch. Auch hierdurch wurde man auf den Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern aufmerksam gemacht. Als letztere lernte man Haare, Seide, Harz und Glas kennen und zu ferneren Versuchen benutzen. Grey elektrisierte auch Personen, die auf einem Harzkuchen standen. Er ist also im Prinzip der Erfinder des Isolierschemels. Grey stellte eine Schale mit Wasser auf seine Isolierplatte. Wurde der Flüssigkeit ein elektrisierter Glasstab genähert, so erhob sie sich über ihr gewöhnliches Niveau. Dieser Versuch führte auf eine eigentümliche Entdeckung. Zwei Leydener Physiker[8] suchten Wasser, das sich in einem isolierenden Glasgefäß befand, zu elektrisieren, indem sie es vermittelst eines Drahtes mit einer geriebenen Glasröhre in Verbindung setzten. Als der eine von ihnen zufällig das Gefäß in der Hand hielt und zu gleicher Zeit die Röhre berührte, erhielt er einen kräftigen Schlag, der besonders im Arm und in der Brust zu spüren war. In der betreffenden Mitteilung vom Jahre 1746 hieß es, man sei in Leyden auf einen erschrecklichen Versuch geraten, dem sich die Erfinder nicht um die Krone Frankreichs zum zweitenmal aussetzen möchten. Die Priorität der Entdeckung gebührt jedoch nicht den Leydener Physikern, sondern dem in Pommern lebenden von Kleist[9]. Im Jahre 1745 machte dieser folgenden Versuch. Er stellte in eine Arzneiflasche einen eisernen Nagel und elektrisierte diesen. Als er darauf den Nagel mit der anderen Hand berührte, erhielt er einen heftigen Schlag, der noch verstärkt wurde, wenn sich etwas Quecksilber am Boden der Flasche befand. Die Entdeckung erregte großes Aufsehen und führte der Beschäftigung mit elektrischen Versuchen zahlreiche Dilettanten zu. Jene Vorrichtung, die man in der Folge als die Leydener Flasche bezeichnete, wurde in Frankreich im Beisein des Königs durch eine Kette von mehr als hundert Personen entladen. Das Wasser und die Hand, welche bei dem ursprünglichen Versuch die Rolle des inneren und des äußeren Belags gespielt hatten, wurden bald darauf durch Zinn ersetzt. Ferner machte man die Beobachtung, daß die Leydener Flasche die Elektrizität längere Zeit behält und daß sie sich nicht laden läßt, wenn sie isoliert ist. Zu einem Verständnis dieses Verhaltens gelangte erst Franklin. Als er eine, an einem Seidenfaden hängende, leichte Kugel dem inneren Belage näherte, wurde sie in der bekannten Weise zunächst angezogen, dann aber, nachdem sie gleichfalls elektrisch geworden war, wieder abgestoßen. Näherte er die Kugel jetzt dem äußeren Belag, so wurde sie angezogen. Es zeigte sich also, daß die Beläge entgegengesetzt geladen waren, und daß die Entladung der Flasche in dem Ausgleich dieser entgegengesetzten Elektrizitäten besteht. Franklin bediente sich bei seinen Versuchen einer auf beiden Seiten mit Zinn überzogenen Tafel, die nach ihm noch heute als Franklinsche Tafel bezeichnet wird.
Die Vereinigung mehrerer Leydener Flaschen zu einer elektrischen Batterie bewerkstelligte zuerst der Danziger Bürgermeister Gralath[10]. Er nahm mehrere Glaskolben, füllte sie zur Hälfte mit Wasser und ließ einen eisernen, mit einer Kugel versehenen Draht aus der Flasche hervorragen. Sämtliche Kugeln wurden dann gleichzeitig mit dem Konduktor der Elektrisiermaschine verbunden. Gralath erhielt durch diese Vorrichtung einen sehr heftigen Schlag. Noch in demselben Jahre (1746) wurde die Wirkung der Batterie in solchem Maße verstärkt, daß man den Funken am hellen Tage 200 Schritte weit sah und die Entladung auf noch größere Entfernung zu hören vermochte.
Die weitere Erforschung der Reibungselektrizität wurde dadurch außerordentlich gefördert, daß man nach dem Vorgange Guerickes und Hawksbees zur Anwendung maschineller Vorrichtungen schritt.
Einem Leipziger Professor der Physik namens Hausen wurde im Jahre 1743 von einem seiner Zuhörer der Vorschlag gemacht, sich das mühevolle Reiben der Glasröhre dadurch zu ersparen, daß er eine größere Glaskugel in Drehung versetze. Dieser Vorschlag erwies sich als über Erwarten praktisch, zumal ein Leipziger Handwerker den neuen Apparat mit dem ersten Reibzeug versah. Letzteres bestand aus einem wollenen Kissen. Bald darauf (1744) brachte der deutsche Physiker Bose neben der Glaskugel einen isolierten Metallkörper als Konduktor an. Diesen Konduktor finden wir schon wenige Jahre, nachdem Hausen seine Maschine gebaut, mit einem Saugkamm versehen[11], so daß noch vor Ablauf der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts die Elektrisiermaschine in ihrer noch jetzt gebräuchlichen Einrichtung den Physikern zu Gebote stand. Im weiteren Verlaufe des 18. Jahrhunderts ersetzte man die Glaskugel durch die handlichere Glasscheibe[12] und versah das Reibzeug mit dem bekannten, von Kienmayer empfohlenen Amalgam[13].
Abb. 1. Elektrisiermaschine aus dem Jahre 1744. (Aus Gerland und Traumüller, Geschichte der physikalischen Experimentierkunst.)
Als Reibzeug dient noch die Hand. Ihr gegenüber befindet sich als Konduktor eine auf seidenen Schnüren liegende Metallröhre AB, deren Ende A mit einem Bündel Fäden an Stelle des Saugkammes versehen ist. E steht auf einem mit isolierender Substanz (Pech) gefüllten Kasten. Aus der Spitze des Degens springt ein Funken über, welcher den im Löffel F befindlichen Weingeist entzündet.]
Die Elektrisiermaschine kam nun sozusagen in Mode. Das Interesse, welches ihr bemittelte Dilettanten entgegenbrachten, bewirkte, daß sie schließlich gewaltige Dimensionen annahm[14]. In rascher Folge wurden jetzt die wichtigsten Erscheinungen der Reibungselektrizität entdeckt. Die zündende Wirkung des Funkens wurde an Schießpulver, Äther und anderen brennbaren Stoffen dargetan. Der Danziger Bürgermeister Gralath[15] entzündete ein eben ausgeblasenes Licht durch den elektrischen Funken. Ja, es gelang sogar, vermittelst eines elektrisierten Wasserstrahles Weingeist in Brand zu setzen.
Ferner versuchte man die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Elektrizität zu bestimmen, indem man den Schlag einer Leydener Flasche durch einen mehrere tausend Meter langen Draht leitete (siehe Abb. [2]). Derartige Versuche unternahm zuerst der Franzose Le Monnier und später der Engländer Watson (1715-1787). Da sich hierbei kein meßbarer Zeitunterschied ergab, so konnte man zunächst nur auf eine sehr große Geschwindigkeit schließen. Diese zu bestimmen, war eine neue, sinnreiche Methoden erfordernde Aufgabe der Experimentalphysik. Doch knüpfte man später an den der obigen Versuchsanordnung (Abb. [2]) zugrunde liegenden Gedanken wieder an, nur daß an Stelle der unmittelbaren Beobachtung der rasch rotierende Spiegel trat.
Abb. 2. Watsons Versuch, die Geschwindigkeit der Elektrizität in einem Drahte zu bestimmen. Der innere Belag der Leydener Flasche C steht mit dem isoliert aufgehängten leitenden Stabe AD in Verbindung. Von dem äußeren Belag geht ein Draht nach der Kugel H. In F wird eine Person eingeschaltet. Obgleich das Drahtstück zwischen F und H etwa 12000 Fuß lang war, konnte der in F befindliche Beobachter doch keinen Zeitunterschied zwischen der empfangenen Erschütterung und dem Überspringen des Funkens bei H feststellen.
Auch der naheliegende Gedanke, das Verhalten des Funkens im Vakuum zu untersuchen, kam zur Ausführung[16]. Der erste, der darüber Versuche anstellte, war der Mechaniker Grummert (1719-1776) in Dresden. Es zeigte sich, daß die Elektrizität den luftleeren Raum auf eine beträchtliche Strecke durchdringt. Nach der Beschreibung Watsons, eines späteren Beobachters, erfüllte das elektrische Feuer die ganze Röhre, so daß man, so lange die Maschine in Bewegung blieb, eine ununterbrochene Lichterscheinung wahrnahm. Der weitere Verfolg dieses Versuches hat zur Erfindung der Geißlerschen Röhre und endlich in der neuesten Zeit zur Entdeckung eigentümlicher Strahlengattungen geführt. Auch zur Erklärung des Nordlichts wurde das elektrische Leuchten in evakuierten Röhren herangezogen[17].
Den neuen, wunderbaren Entdeckungen gegenüber, denen man nichts Ähnliches an die Seite stellen konnte, erhob sich schon bei den Physikern des 18. Jahrhunderts die Frage nach der Ursache der elektrischen Erscheinungen. War die Elektrizität ein Stoff, so ließ sich erwarten, daß die Körper durch das Elektrisieren eine Gewichtszunahme erfahren würden. Alle Versuche, die nach dieser Richtung hin angestellt wurden, blieben jedoch ohne Erfolg[18]. Zu dem gleichen Ergebnis war man hinsichtlich der Wärme gelangt, als man Gegenstände in erhitztem Zustande und bei gewöhnlicher Temperatur wog.
Aus diesen Versuchen wurde nun keineswegs gefolgert, daß die Elektrizität und die Wärme bloße Zustände seien, sondern es wurde der Begriff des unwägbaren Stoffes oder der Imponderabilie, aus dem man ja auch die Lichterscheinungen zu erklären suchte, auf die elektrischen, die verwandten magnetischen und die kalorischen Vorgänge ausgedehnt. Die Lehre von den Imponderabilien hat die Physik bis in das 19. Jahrhunderte hinein beherrscht. Sie wurde hinsichtlich der Wärme zuerst von Rumford und Davy erschüttert. Ihre endgültige Beseitigung auf allen Gebieten ist eine Aufgabe, welche die Wissenschaft bis in die neueste Zeit beschäftigt hat.
Obgleich die Lehre von den Imponderabilien nicht imstande war, einem vorgeschrittenen Kausalitätsbedürfnis zu genügen, bot sie bei der Stufe des Wissens, welche das 18. Jahrhundert erreicht hatte, doch die einzige Möglichkeit einer Erklärung. Wenn man die Lichterscheinungen auf die Fortbewegung eines besonderen Stoffes zurückführte, war man auch gezwungen, weitere Stoffe als Träger der Wärme, der elektrischen und der magnetischen Vorgänge anzunehmen. Einfacher gestaltete sich die Theorie der Elektrizität bei solchen Physikern, welche die Lichterscheinungen auf Wellenbewegung zurückführten. So besteht für Euler kein Zweifel, daß die Quelle aller elektrischen Vorgänge in dem Äther zu suchen sei, in dem sich nach ihm und Huygens das Licht fortpflanzt. Die Elektrizität, meint Euler, sei nichts als eine Störung im Gleichgewichte dieses Äthers, der in die Körper hineingepreßt oder aus ihnen herausgetrieben werde, je nachdem sie die eine oder die andere Art des Elektrizitätszustandes aufwiesen[19].
Von einer ähnlichen Vorstellung ließ sich Franklin bei seinen Untersuchungen leiten. Die Körper waren für ihn positiv oder negativ elektrisch, je nachdem sie ein Zuviel oder ein Minder des hypothetischen elektrischen Fluidums enthielten, während sie unelektrisch seien, wenn sich dieses Fluidum außerhalb und innerhalb der Körper im Gleichgewicht befände.
Nach Franklin durchdringt das elektrische Fluidum die ganze Körperwelt. Es ist die Ursache aller elektrischen Erscheinungen. Die Teilchen dieses Fluidums stoßen sich gegenseitig ab, werden aber von den Körperteilchen kräftig angezogen. Enthält der Körper soviel davon, als er aufnehmen kann, ohne daß etwas von dem Fluidum auf der Oberfläche des Körpers zurückbleibt, so ist dies nach Franklin der gewöhnliche Zustand, und der Körper erscheint uns unelektrisch.
Andere wieder, wie Symmer, zogen es vor, die verschiedenen elektrischen Zustände aus der Annahme zweier Fluida zu erklären. Der hieraus entstehende Streit der Unitarier und Dualisten, so zwecklos er an sich auch war, bewirkte, daß die experimentelle Erforschung der in Frage kommenden Erscheinungen lebhaft gefördert wurde. Das Interesse dafür wurde ein solch allgemeines, daß den Physikern von Beruf mancher Bundesgenosse aus dem Laienkreise erstand. Der hervorragendste unter ihnen war der soeben genannte Franklin.
Benjamin Franklin wurde am 17. Januar 1706 in Governors Island bei Boston geboren. Sein Vater hatte die englische Heimat verlassen, weil er dort nicht ungehindert seiner religiösen Überzeugung leben konnte. Da er sich und eine zahlreiche Familie durch Seifensieden nur mühsam ernährte, so wurde der junge Benjamin frühzeitig von der Schule genommen und seinem älteren Bruder, einem Buchdrucker, in die Lehre gegeben. Nachdem Franklin einige Zeit in England als Setzer tätig gewesen war, rief er in Philadelphia eine Zeitung und eine Druckerei ins Leben.
Zur Beschäftigung mit der Elekrizitätslehre wurde Franklin dadurch angeregt, daß ein Londoner Kaufmann namens Collinson der Bibliotheksgesellschaft zu Philadelphia einige Gegenstände für elektrische Versuche übersandte. Ein Jahr später konnte Franklin an Collinson schreiben[20]: »Mein Eifer und meine Zeit wurden nie zuvor durch etwas in solchem Maße in Anspruch genommen. Ich stelle Versuche an, sobald ich allein sein kann, und wiederhole sie in Gegenwart meiner Freunde, die in Scharen kommen, um sie zu sehen. Ich habe kaum Zeit für irgend etwas anderes.«
Die Ergebnisse, zu denen Franklin von 1747-1755 gelangte, legte er in zahlreichen Briefen nieder, die zum größten Teil an Collinson gerichtet sind, und von ihm der Royal Society mitgeteilt wurden. Im Jahre 1756 wurde Franklin Mitglied der Royal Society.
Franklins erste Briefe handeln von der Ladung der Leydener Flasche und der unitarischen Lehre; spätere betreffen das Gebiet der atmosphärischen Elektrizität, welches durch Franklins Arbeiten erst erschlossen wurde. Franklin setzte seine wissenschaftliche Tätigkeit bis zum Jahre 1774 fort. Von diesem Zeitpunkt an widmete er sich ganz den Bestrebungen, die auf eine Loslösung der nordamerikanischen Kolonien von England abzielten. Franklin war bald einer der Führer in dieser gewaltigen politischen Bewegung.
Als die griechische Philosophie an Stelle der mythischen Betrachtung eine ursächliche Erklärung des Naturgeschehens zu setzen suchte, führte man das Gewitter auf schweflige, brennbare Dünste zurück, die sich in den Wolken ansammeln und als Blitz die letzteren durchbrechen sollten. Selbst im 17. Jahrhundert ahnte noch niemand die wahre Natur der Erscheinung. Nach Descartes besteht das Gewitter in einem Herabfallen der oberen Wolken auf die darunter befindlichen. Euler erzählt, daß man die ersten, welche eine Ähnlichkeit zwischen den elektrischen Erscheinungen und dem Blitz zu finden glaubten, als Träumer angesehen habe[21]. Was noch im Beginn des 18. Jahrhunderts als bloße Vermutung geäußert wurde, erhob Franklin durch seine Untersuchungen auf den Boden der Gewißheit.
Wenn wir von Wall absehen, der schon 1705 die gelegentliche Bemerkung gemacht hat, man könne die elektrische Entladung mit dem Blitz und dem Donner vergleichen, so besitzt Franklin mit seiner Gewittertheorie einen Vorläufer nur in dem Deutschen Winkler. Letzterer erörterte im Jahre 1746[22] die Frage: »ob Schlag und Funken der verstärkten Elektrizität (in Kleistschen Flaschen) für eine Art Blitz und Donner zu halten sind?« Winkler kam zu dem Ergebnis, daß das Gewitter und die künstlich herbeigeführte elektrische Entladung nur in der Stärke, indessen nicht in ihrem Wesen voneinander verschieden seien. Als die Quelle der Gewitterelektrizität betrachtete er die Verdunstung des Wassers und eine damit verbundene Reibung.
Franklin sprach sich zuerst in seinem Briefe vom 7. November 1749 für die elektrische Natur des Gewitters aus. Für die Übereinstimmung des Blitzes mit dem elektrischen Funken führte er folgende Gründe und Beweise an: 1. Die Ähnlichkeit des Lichtes, sowie des Geräusches und das fast Augenblickliche beider Erscheinungen. 2. Der Funke wie der Blitz sind imstande, Körper zu entzünden. 3. Beide vermögen lebende Wesen zu töten. (Franklin tötete ein Huhn durch die Entladung mehrerer Leydener Flaschen). 4. Beide rufen mechanische Zerstörungen hervor und erzeugen einen Geruch nach verbranntem Schwefel[23]. 5. Der Blitz und die Elektrizität folgen denselben Leitern und springen vorzugsweise auf die Spitzen über. 6. Beide sind imstande, den Magnetismus zu zerstören oder auch die Pole eines Magneten umzukehren. 7. Durch den Funken können ebenso wie durch den Blitz Metalle zum Schmelzen gebracht werden.
An die Versuche, durch welche Franklin den letzten Punkt dieser Aufzählung zu erweisen suchte, knüpfte sich eine Meinungsverschiedenheit mit seinem Freunde Kinnersley. Dieser befaßte sich gleichfalls mit elektrischen Versuchen und führte sie als wandernder Experimentator seinen Landsleuten vor. Franklins Verfahren, Metalle durch den Funken zu schmelzen, bestand darin, daß er dünne Blättchen von Zinn oder Gold zwischen zwei Glasscheiben legte und eine große Leydener Flasche durch diese Blättchen entlud[24]. Das Metall wurde dadurch in feinste Teilchen zerstiebt, ein Vorgang, den Franklin als kalte Schmelzung bezeichnete, da ihn sein Verfahren die bei der Entladung auftretende Wärme nicht erkennen ließ. Die kalte Schmelzung sollte nicht durch Hitze, sondern dadurch zustande kommen, daß das elektrische Fluidum in die Zwischenräume der Teilchen eindringe und auf diese Weise den Zusammenhang der Körper zerstöre. Demgegenüber zeigte Kinnersley, indem er die Entladung einer Batterie von 35 Flaschen durch einen Draht vor sich gehen ließ, daß Metalle zum Erglühen und sogar zum Schmelzen gebracht werden können. »Ihr herrlicher Versuch,« schrieb darauf Franklin, »setzt außer Zweifel, daß unsere künstliche Elektrizität Hitze hervorbringt und daß, wenn sie Metalle schmilzt, dies nicht durch das geschieht, was ich als kalte Schmelzung bezeichnet habe[25].«
Die Ursache der elektrischen Erscheinungen ist nach Franklin eine äußerst feine Flüssigkeit, welche die Körper durchdringt und sich in ihnen gleichmäßig verteilt aufhält. Wenn es sich infolge eines künstlich herbeigeführten oder eines natürlichen Vorganges ereignet, daß diese Flüssigkeit in dem einen Körper in größerer Menge vorhanden ist als in einem anderen, so teilt der Körper, welcher mehr davon enthält, sie demjenigen mit, der weniger besitzt, bis die Verteilung eine gleichmäßige geworden ist, Voraussetzung ist, daß der Abstand zwischen den Körpern nicht zu groß ist, oder daß Leiter vorhanden sind, welche diese Materie von dem einen zum anderen Körper zu führen vermögen. Erfolgt die Mitteilung durch die Luft, ohne Vermittlung eines Leiters, so sieht man eine glänzende Lichterscheinung zwischen den Körpern und vernimmt dabei ein Geräusch. Bei den großartigen, in der Natur stattfindenden Entladungen ist dieses Licht dasjenige, was wir Blitz nennen, und das Geräusch und sein Widerhall ist der Donner[26].
Den unmittelbaren Nachweis der atmosphärischen Elektrizität lieferte Franklin durch seinen berühmt gewordenen Versuch mit dem Drachen. Letzterer besaß eine eiserne Spitze und wurde im Juni des Jahres 1752 während eines Gewitters an einer Hanfschnur emporgelassen. Die Schnur war an einen Schlüssel geknüpft, der mit einem seidenen Tuche festgehalten wurde. Zuerst blieb der Erfolg aus. Als die Schnur jedoch feucht geworden war und eine Wolke an dem Drachen vorüberzog, sträubten sich die losen Fäden. Als Franklin jetzt die Knöchel seiner Hand dem Schlüssel näherte, vermochte er deutliche Funken aus ihm hervorzuziehen. Das zweite von Franklin in Vorschlag gebrachte Verfahren, welches indes in Europa früher zur Ausführung gelangte als in Amerika, bestand darin, daß man hohe Eisenstangen errichtete und diesen während eines Gewitters Elektrizität entzog, ein Versuch, den fast zur selben Zeit, als Franklin seinen Drachen steigen ließ, einige Franzosen in der Nähe von Paris dem Könige vorführten. Später entdeckte Franklin, daß die Wolken bald positiv, bald negativ geladen sind. Diese Untersuchungen führten ihn schließlich auf den Gedanken, jene Eisenstangen als Blitzableiter zum Schutze von Gebäuden zu empfehlen, ein Vorschlag, der in Amerika und bald darauf auch in Europa allseitige Beachtung fand.
Die Überlegungen, die ihn zu seinem Vorschlag führten, legte Franklin in einem vom 12. IX. 1753 datierten Briefe dar. »Wird außerhalb des Gebäudes«, heißt es dort, »ein eiserner Stab angebracht, der ununterbrochen von dem höchsten Teile bis in das feuchte Erdreich geht, so nimmt dieser Stab den Blitz an seinem oberen Ende auf und bietet ihm eine gute Leitung bis in die Erde. Auf solche Weise wird die Beschädigung irgend eines Teiles des Gebäudes verhindert. Dabei ist eine geringe Menge Metall imstande, eine große Menge Elektrizität fortzuleiten. Ein eiserner Draht, der nicht stärker als eine Gänsefeder war, vermochte eine Elektrizitätsmenge fortzuführen, die an seinen beiden Enden eine schreckliche Zerstörung anrichtete[27].
Der Stab muß an der Mauer, dem Schornstein usw. mit eisernen Klammern befestigt werden. Der Blitz wird den Stab, der ein guter Leiter ist, nicht verlassen, um durch diese Klammern in die Mauer zu fahren.
Wenn das Gebäude sehr groß ist, so kann man der größeren Sicherheit wegen zwei oder mehr Stäbe an verschiedenen Stellen errichten.
Das untere Ende des Stabes muß so tief in den Boden geführt werden, daß es eine feuchte Stelle erreicht. Wenn man den Stab dann biegt, um ihn horizontal sechs bis acht Fuß von der Mauer fortlaufen zu lassen, und ihn dann drei bis vier Fuß abwärts gehen läßt, so schützt er alle Steine des Fundamentes vor Beschädigung.«
Auf die Einrichtung von Blitzableitern ist Franklin besonders durch seine Versuche über die Spitzenwirkung gekommen, die er zuerst zu erklären suchte. Dies geschah in seinem Briefe vom 29. Juli 1749. Franklin führt darin folgendes aus. Befinde sich die Elektrizität auf der Oberfläche einer Kugel, so habe kein Teilchen des elektrischen Fluidums mehr Neigung wie ein anderes, die Oberfläche zu verlassen, weil die Anziehung der Materie auf das elektrische Fluidum in diesem Falle überall gleich groß sei. Setze man an Stelle der Kugel einen Würfel, so werde die Elektrizität auf den Flächen mehr angezogen als an den Ecken. Die Teilchen der Elektrizität würden daher infolge der zwischen ihnen wirkenden Abstoßung nach den Ecken strömen. Je feiner die Spitze, desto mehr müsse diese Abstoßung, weil sich die Anziehung der Materie auf der Spitze vermindere, zur Geltung kommen und die Elektrizität dorthin strömen.
Ebenso bekannt wie durch seine wissenschaftlichen Erfolge ist Franklin durch die Rolle geworden, die er in der politischen Geschichte seines Vaterlandes gespielt hat. Während des amerikanischen Unabhängigkeitskampfes hielt sich Franklin in Paris auf, wo er im Jahre 1783 die Friedensverhandlungen unterzeichnete. Die Bewunderung, welche dem schlichten und doch so bedeutenden Manne von ganz Frankreich gezollt wurde, fand einen beredten Ausdruck in dem von d'Alembert an ihn gerichteten Worte: Eripuit coelo fulmen sceptrumque tyrannis[28].
Bevor Franklin nach Amerika zurückkehrte, schloß er noch Freundschafts- und Handelsverträge mit Schweden und Preußen. Im Jahre 1788 zog er sich vom öffentlichen Leben zurück. Franklin starb am 17. April 1790. Sein Tod versetzte, wie die von Washington gehaltene Rede bekundet, sein Vaterland in tiefe Trauer. Auch Europa, wo Mirabeau ihm einen Nachruf widmete, nahm lebhaften Anteil. Es war ein Augenblick, in welchem das Gefühl der geistigen Zusammengehörigkeit zwischen der alten Welt und der jungen, neuen Stätte der Kultur voll zum Ausdruck kam. Zwar sollte die Mitarbeit des amerikanischen Volkes an den Aufgaben der Wissenschaft nicht sobald Platz greifen, wie man nach den Erfolgen eines Franklin hätte erwarten mögen. Es harrten eben noch zu viele andere Aufgaben ihrer Erledigung, so daß ein volles Jahrhundert verstreichen konnte, bis die Wissenschaft jenseits des Ozeans die gleiche Pflege fand, die sie in den alten Staaten Europas genießt.
Erwähnenswerte Versuche über die atmosphärische Elektrizität wurden auch von de Romas, Richmann und Le Monnier angestellt.
De Romas (starb 1776), ein Franzose, wiederholte Franklins Drachenversuch in größerem Maßstabe im Sommer des Jahres 1753. Er ließ einen Drachen von 7½ Fuß Höhe an einer 780 Fuß langen, um einen Eisendraht gesponnenen Schnur 550 Fuß hoch emporsteigen. Die Schnur war an einer Blechröhre befestigt, aus der acht Fuß lange Funken gezogen wurden.
Der Physiker Richmann in Petersburg (1711-1753) hatte eine Stange errichtet, an deren unterem Ende sich ein Elektroskop befand. Als er sich dem letzteren gelegentlich eines Gewitters näherte, wurde er von einem aus der Stange herausfahrenden Kugelblitz erschlagen.
Von besonderer Wichtigkeit waren die Versuche des Franzosen Le Monnier. Diesem gelang im Jahre 1752 der Nachweis, daß die Atmosphäre auch elektrisch ist, wenn kein Gewitter, ja nicht einmal Wolken am Himmel stehen.
Auch die chemische Wirkung der Elektrizität wurde schon in diesem Zeitraum, also noch vor der Erfindung der galvanischen Elemente, bekannt. Die Versuche Beccarias lieferten den Nachweis, daß sich mit Hilfe des Entladungsschlages aus Metalloxyden Metalle herstellen lassen. Beccaria erhielt auf diesem Wege Zink aus Zinkoxyd und Quecksilber aus Zinnober[29].
Als man die Entladungen durch Flüssigkeiten hindurch vor sich gehen ließ, bemerkte man gleichfalls chemische Wirkungen. So fand Priestley im Jahre 1774, daß sich mit Hilfe der Elektrizität aus einigen Flüssigkeiten, z. B. aus Alkohol, Wasserstoff abspalten läßt. Unter allen Flüssigkeiten hatte stets das Wasser in seinem Verhalten gegenüber der Elektrizität am lebhaftesten interessiert. Priestleys Versuche wurden daher durch den holländischen Chemiker van Troostwyk im Jahre 1789 mit Wasser angestellt. Der Wunsch, vielleicht auf diesem Wege Aufschluß über die chemische Natur des Wassers zu erhalten, war besonders durch Lavoisiers Untersuchungen über die Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Metalloxyden[30] hervorgerufen worden. Das Ergebnis van Troostwyks entsprach demjenigen Lavoisiers vollkommen. Als van Troostwyk die Entladung einer Leydener Flasche wiederholt durch destilliertes Wasser vor sich gehen ließ, fand eine Zerlegung der Flüssigkeit in ihre gasförmigen Bestandteile statt[31]. Ließ er den elektrischen Funken durch das entstandene Gasgemisch schlagen, so verwandelte es sich wieder in Wasser.
Waren somit auch die chemischen Wirkungen der Elektrizität schon lange vor der Erfindung der galvanischen Elemente bekannt, so handelte es sich doch zunächst mehr um gelegentliche Beobachtungen, die nur geringe Beachtung fanden, da sich mit Hilfe der Leydener Flasche nur unerhebliche chemische Umsetzungen hervorrufen ließen. Erst als man in der Berührungselektrizität eine weit geeignetere Quelle für chemische Zerlegungen entdeckt hatte, eröffnete sich in der Elektrochemie ein neues, weites, für die Wissenschaft wie für die Technik gleich wichtiges Forschungsgebiet.
Durch eine Reihe von Versuchen war man auch mit der physiologischen Wirkung der Elektrizität bekannt geworden. Vor allem hatte die heftige Erschütterung, welche die Leydener Flasche bewirkt, wenn die Entladung durch den Körper vor sich geht, das Interesse der Forscher wie der Laien hervorgerufen. Die Ärzte versprachen sich von diesen Erschütterungen die günstigsten Erfolge. Man verordnete gelähmten Kranken ein »elektrisches Bad«, indem man sie auf einer isolierenden Unterlage Platz nehmen und den Konduktor der Elektrisiermaschine berühren ließ. Nach der Erfindung der Leydener Flasche glaubte man, nicht nur Lähmungen, sondern auch alle möglichen anderen Krankheiten durch elektrische Kuren heilen zu können. Aus der Mitte des 18. Jahrhunderts liegen darüber eine Anzahl günstiger Krankenberichte vor[32]. Selbst an Versuchen, Tote mit Hilfe der Elektrizität wieder zu erwecken, hat es nicht gefehlt.
So rasch wie die Elektrizität als Allheilmittel in Aufnahme gekommen war, ebenso schnell kam sie aus der Mode, bis unsere Zeit sie wieder in richtiger Beschränkung als therapeutisch wertvolles Mittel benutzen gelernt hat. Ganz unbekannt waren übrigens selbst den Alten die elektrischen Kuren nicht. Es wird nämlich berichtet, daß sie die tierische Elektrizität gegen nervöse Leiden anwandten, indem sie den Kranken mit dem Zitterrochen in Berührung brachten, natürlich ohne im entferntesten die Quelle des eigentümlichen Verhaltens dieses Tieres zu ahnen.
Unter den deutschen Zeitgenossen Franklins ragen Wilke und Aepinus als Elektriker hervor.
Johann Karl Wilke (Wilcke) wurde am 6. September 1732 in Wismar, das damals noch zu Schweden gehörte, geboren. Wilke studierte in Upsala, Göttingen und Rostock, wo er 1757 eine Dissertation über die entgegengesetzten Elektrizitäten, eine bedeutende Arbeit, herausgab[33]. Später wurde Wilke Sekretär der schwedischen Akademie der Wissenschaften. In dieser Stellung hielt er in Stockholm physikalische Vorlesungen. Er starb am 18. April 1796.
In seiner Arbeit vom Jahre 1757 lieferte Wilke den wichtigen Nachweis, daß beim Aneinanderreiben zweier Körper stets beide Elektrizitätsarten entstehen. Wilke brachte darauf die untersuchten Stoffe in eine Reihe, in welcher jedes Glied, mit einem darauf folgenden gerieben, positiv-elektrisch, mit einem vorangehenden gerieben, dagegen negativ elektrisch wird. Einige Glieder dieser Reihe sind: Glas, Wolle, Holz, Lack, Metalle, Schwefel. Dieser ersten Reibungs- oder Spannungsreihe sind später zahlreiche Anordnungen gefolgt, die unter sich jedoch hin und wieder auffallende Abweichungen zeigen. Dies rührt daher, daß nicht nur die Art des Stoffes, sondern auch seine Oberflächenbeschaffenheit für die Stelle, die er innerhalb der Spannungsreihe einnimmt, mitbestimmend ist. Am bekanntesten sind die Reihen von Young[34] und die von Faraday geworden. Erstere mag hier noch Platz finden. Sie lautet: Glas, Wolle, Federn, Holz, Siegellack, Metalle, Harz, Seide, Schwefel.
Wilke entdeckte ferner im Jahre 1757 eine neue Art der Elektrizitätserregung. Er fand nämlich, daß Schwefel und Harz, wenn man sie in einer Porzellanschale erstarren läßt, stark negativ elektrisch werden. Von Wilke rührt auch die erste Karte über die magnetische Inklination her. Von seinen Verdiensten um die Entwicklung der Wärmelehre werden wir im nächsten Abschnitt hören.
Neben der durch Reibung und durch atmosphärische Vorgänge erzeugten Elektrizität lernte man auch die Erregung dieser Kraft durch physiologische Vorgänge und durch Wärmezufuhr kennen. Um die Mitte des 18. Jahrhunderts tauchte die Vermutung auf, daß man es in der schon von den Schriftstellern des Altertums erwähnten eigentümlichen Wirkung des Zitterrochens (Raja torpedo) auf den Menschen und andere lebende Wesen mit einer elektrischen Erscheinung zu tun habe[35]. Seit Richers Anwesenheit in Cayenne war man auch mit dem Zitteraal (Gymnotus electricus) der südamerikanischen Gewässer bekannt geworden. Indes erst ein Jahrhundert, nachdem Richer[36] über dieses eigentümliche Geschöpf berichtet, hatte sich die Elektrizitätslehre soweit entwickelt, daß man die Identität jener physiologischen und der durch Reibung erzeugten Erscheinungen nachzuweisen vermochte. Dies geschah einmal dadurch, daß man den Impuls durch eine Kette von Personen leitete, wobei die erste und die letzte den Fisch an der Ober-, beziehungsweise an der Unterseite berührten. Alle empfingen dann einen Erschütterungsschlag, wie ihn die Leydener Flasche erteilt. Der zweite Nachweis bestand darin, daß man die Entladung durch einen auf Glas geklebten Stanniolstreifen vor sich gehen ließ, der eine Unterbrechung besaß. An der Stelle, wo sich diese befand, sah man bei jedem Schlage, den der Fisch bewirkte, einen elektrischen Funken überspringen[37].
Die erste wissenschaftliche Untersuchung über die tierische Elektrizität wurde im Jahre 1773 von Walsh veröffentlicht. Walsh erbrachte nicht nur die soeben erwähnten Nachweise, sondern er zeigte auch, daß der Zitterrochen Elektrizität in einem ganz bestimmten Organ erzeugt, während der übrige Körper wie die Gewebe jedes Tieres nur leitend ist. Das elektrische Organ liegt, wie Walsh erkannte, zwischen dem Kopf und den Brustflossen (s. Abb. [3]). Es besteht aus vielen Säulen, deren jede etwa 1/3 Zoll Durchmesser hat. Walsh zählte bei einigen Zitterrochen über 1000 solcher Säulen. Den kräftigsten elektrischen Schlag erhielt Walsh bei seinen Versuchen, wenn er eine leitende Verbindung zwischen dem Rücken und dem Bauch des Fisches herstellte[38].
Abb. 3. Querschnitt durch den Torpedo nach der Zeichnung Hunters, der zuerst das elektrische Organ des Torpedos genauer untersuchte. (Philos. Transact. Vol. LXIII. Tab. XX. Fig. 3.)
AA die obere Fläche des Fisches; BB die durchschnittenen Muskeln des Rückens; C das Rückenmark; D der Schlund; E die linke Kieme, gespalten, um den Vorlauf des sie durchziehenden Nerven zu zeigen; F die atmende Oberfläche der rechten Kieme; GG die Flossen; HH die senkrechten Säulen, welche das elektrische Organ zusammensetzen mit ihren horizontal verlaufenden Abteilungen; I einer der Nerven, welche das elektrische Organ versorgen, mit seinen Verzweigungen.
Noch eine zweite, schon lange bekannte Erscheinung wurde um die Mitte des 18. Jahrhunderts als eine elektrische erkannt. Bei der von den Juwelieren an Edelsteinen üblichen Feuerprobe konnte es nicht lange verborgen bleiben, daß der Turmalin, wenn er auf glühende Kohlen gelegt wird, Aschenteilchen anzieht und wieder von sich stößt[39]. Dieses eigentümliche, an das elektrische Pendel erinnernde Verhalten leichter Körper dem erwärmten Turmalin gegenüber wurde von Aepinus[40] genauer untersucht. Letzterer fand, daß die Erscheinung nur bei ungleicher Erwärmung der beiden Enden des Kristalls eintritt, sowie daß diese dabei entgegengesetzt elektrisch werden. Ein solcher Kristall, meint Aepinus, sei einem Magneten zu vergleichen, der ja auch an den beiden Polen ein entgegengesetztes Verhalten zeige[41]. Er habe am Turmalin eine doppelte Elektrizität entdeckt und deutlich unterschieden, »davon die erstere auf die gewöhnliche Art durch Reiben, die andere aber durch einen gewissen Grad der Wärme, die man dem Steine beibringe, erweckt werde«. Diejenige Elektrizität, welche der Stein durch Reiben bekommt, war von der Elektrizität der glasartigen Körper nicht zu unterscheiden. Wurde der Turmalin aber erwärmt, so wurde die eine Seite positiv, die andere negativ elektrisch. Der erwärmte Turmalin zeigte also, »wie der Magnet eine doppelte Magnetkraft besitzt, beide Arten der Elektrizität zugleich«[42].
Eine weitere Analogie zwischen einem Magneten und einem elektrisierten Körper entdeckte Aepinus in der Influenz. Wie ein Eisenstab in der Nähe eines Magneten magnetisch werde, so bringe ein elektrisierter Körper an einem benachbarten ähnliche Wirkungen hervor. Aepinus nahm einen Metallstab, der auf gläsernen Unterlagen ruhte und brachte an das eine Ende einen elektrisierten Körper heran, doch so, daß der Stab in einiger Entfernung davon blieb. Dasjenige Ende des Metallstabes, welches dem elektrisierten Körper zugewendet war, bekam dann die entgegengesetzte, das entferntere Ende dagegen dieselbe Elektrizität, welche der elektrisierte Körper besaß, mit dem man den Versuch anstellte. Bei einer geringen Abänderung des Versuches wurde jedoch eine große Verschiedenheit der Erscheinungen wahrgenommen. Aepinus brachte nämlich einen metallenen, auf gläserner Unterlage befindlichen Stab einem elektrisierten Körper so nahe, daß eine unmittelbare Berührung stattfand. Dann erhielt der zu elektrisierende Stab seiner ganzen Länge nach nur diejenige Art von Elektrizität, welche derjenige Körper besaß, mit dem man ihn berührt hatte.
Die Beobachtung, daß sowohl der durch Erwärmung wie der durch Influenz elektrisierte Körper an beiden Enden entgegengesetzte Elektrizitäten aufweist, veranlaßte Aepinus, eine Analogie zwischen den elektrischen und den magnetischen Erscheinungen, bei denen bekanntlich stets eine solche Polarität wahrgenommen wird, zu behaupten. Die Zeit, den innigen Zusammenhang dieser Naturkräfte zu erkennen, war jedoch noch nicht gekommen. Es war dies vielmehr eine der wichtigsten Aufgaben, welche der naturwissenschaftlichen Forschung des 19. Jahrhunderts vorbehalten blieb[43].
Sehr zutreffend waren auch die Ansichten, welche Aepinus über das Verhältnis zwischen Leitern und Nichtleitern entwickelte. Zwischen beiden Gruppen von Stoffen besteht nach ihm kein grundsätzlicher Unterschied. Dieser beruht nur auf den Unterschieden, den der Widerstand und in Verbindung damit die Leitungsgeschwindigkeit für die verschiedenen Körper aufweisen. Leiter sind danach solche Stoffe, deren Widerstand sehr klein, Nichtleiter solche, deren Widerstand sehr groß ist. Deshalb erfordert die Entladung durch letztere weit mehr Zeit. Auf diese Anschauung hat später Faraday seine Theorie vom elektrischen Rückstand gegründet.
Mit der Pyroelektrizität des Turmalins hat sich von den Zeitgenossen des Aepinus besonders der Chemiker und Mineraloge Tobern Bergman beschäftigt. Bergman (1735-1784) war Professor der Chemie zu Upsala. Er zeigte, daß der Turmalin nicht durch die Erwärmung als solche, sondern durch das Hervorrufen einer Temperaturdifferenz elektrisch wird. War die Temperatur des Kristalls konstant, so war er unelektrisch, mochte die Temperatur hoch oder niedrig sein. Während der Temperaturzunahme war das eine Ende positiv, das andere negativ. Während der Abkühlung kehrten sich die Pole um. In einem späteren, der Mineralogie gewidmeten Abschnitt wird uns das an dem Turmalin entdeckte pyroelektrische Verhalten weiter beschäftigen.
Einen gewissen Abschluß fanden die Entdeckungen auf dem Gebiete der statischen Elektrizität durch Coulombs erfolgreiche Bemühungen, messend an die bis dahin vorzugsweise nur in der Art ihrer Wirkungen erforschte Naturkraft heranzutreten.
Charles Augustin Coulomb wurde am 14. Juni 1736 in Angoulème geboren. Sein Entwicklungsgang hat eine gewisse Ähnlichkeit mit demjenigen Otto von Guerickes. Wie letzterer war nämlich Coulomb ausgehend von der Ingenieurkunst zur Behandlung wissenschaftlicher Fragen gekommen. Die physikalischen Untersuchungen Coulombs knüpfen, wie wir gleich sehen werden, sämtlich an technische Probleme an. Coulomb studierte in Paris, wurde Offizier des Geniekorps und kam als solcher nach Martinique, wo er die Anlage von Befestigungen leitete. Im Jahre 1776 kehrte er nach Frankreich zurück und begann dort, sich mit technisch-mechanischen Untersuchungen zu befassen. Insbesondere beschäftigte er sich mit der Reibung, der Torsion und der Festigkeit der Körper. Seine erste Abhandlung betraf die Festigkeit eines horizontalen, mit dem einen Ende eingemauerten und am anderen Ende belasteten Balkens von rechteckigem Querschnitt. Für das Gewicht Q, bei welchem der Balken zerbricht, fand Coulomb den Wert 1/6k(bh2)/l, wenn k den Koeffizienten der Zugfestigkeit, b die Breite, h die Höhe des Querschnittes und l die Länge des Balkens bedeutet. Ähnliche Untersuchungen stellte Coulomb über die Festigkeit von Säulen, die in der Richtung ihrer Achse belastet werden, sowie über den Erddruck bei Futtermauern an. Auch die Theorie der einfachen Maschinen machte Coulomb unter Berücksichtigung der Steifigkeit der Seile und der Reibung zum Gegenstande einer Abhandlung. Letztere trug ihm im Jahre 1781 einen Preis und die Mitgliedschaft der Akademie der Wissenschaften ein. Um den Reibungskoeffizienten zu bestimmen, ließ Coulomb die zu untersuchende Substanz auf einer Unterlage von gleichem Material gleiten und ermittelte die zur Fortbewegung erforderliche Zugkraft[44].
Abb. 4. Coulombs elektrische Wage.
Auf das Gebiet des Magnetismus und der Elektrizitätslehre wurde Coulomb dadurch geführt, daß die Akademie einen Preis für die beste Konstruktion des Schiffskompasses aussetzte. Im Anschluß an eine dadurch angeregte Untersuchung und unter Verwertung seiner Forschungen über die Festigkeit in allen ihren Formen, insbesondere die Torsionsfestigkeit, erfand Coulomb im Jahre 1785 seine Torsions- oder Drehwage. Von der Einrichtung und dem Gebrauch dieses Instruments gibt uns die nebenstehende Abb. [4] Kenntnis[45]. Ein Glaszylinder ABCD von etwa 30 cm Höhe wurde mit einer doppelt durchbohrten Glasplatte bedeckt. Durch ihre Mitte ist ein frei hängender, an der Scheibe op befestigter Silberdraht qp geführt, der an seinem unteren Ende die zu elektrisierende, möglichst isolierte Kugel a trägt. Ein Scheibchen g hat nur die Aufgabe, der Kugel a das Gegengewicht zu halten. Die Verbindung zwischen a und g besteht aus einem mit Siegellack überzogenen Seidenfaden. Die Scheibe op, welche den Silberfaden trägt, und der Umfang des großen Glaszylinders besitzen Gradeinteilungen. Die in der Abbildung rechts dargestellten Teile (H dient zur Fassung der Gradscheibe G) werden beim Gebrauch der Drehwage vereinigt und in der über dem Zylinder befindlichen, etwa einen halben Meter langen Glasröhre untergebracht. Durch die seitliche Öffnung des Glasdeckels werden elektrisierte Kugeln (d) eingeführt, deren Wirkung auf den in der Schwebe befindlichen elektrisierten Körper a man messen will. Ein Maß für die abstoßenden Kräfte ist in der Torsion des Silberdrahtes gegeben. Die Größe dieser Torsion, welche die Kugel a in ihre ursprüngliche Lage zurückzudrehen strebt, kann an der Gradeinteilung abgelesen werden.
Abb. 5. Coulombs Untersuchung der Torsion.
Seine Arbeiten über die Torsion von Fäden und Metalldrähten hatte Coulomb ein Jahr vor der Erfindung der Drehwage veröffentlicht[46]. Die Methode, welche er anwandte, ist diejenige der Schwingungen oder Oszillationen. Er wies nämlich nach, daß die Schwingungen eines schweren, an einem Faden aufgehängten Körpers (Abb. [5]) isochron sind. Ist dies der Fall, dann muß auch die Torsionskraft dem Torsionswinkel proportional sein. Das Ergebnis seiner Beobachtungen an Drähten verschiedener Länge (l) und Dicke (D) konnte Coulomb durch folgende Formel darstellen: Das Drehungsmoment der Torsionskraft ist μ·B·D4/l. In dieser Formel bedeutet μ eine charakteristische Konstante des Materials und B den Torsionswinkel. Coulombs Torsionswage beruht auf der von ihm entdeckten Eigenschaft der Drähte, eine dem Torsionswinkel proportionale Gegenkraft zu besitzen. Um die feinsten elektrischen und magnetischen Wirkungen messen zu können, wählte Coulomb den Torsionsdraht so fein, daß ein Torsionswinkel von einem Grad einer Torsionskraft von 1/100,000 Gran entsprach. Wurde der Aufhängefaden einem Kokon entnommen, so genügte schon eine Kraft von 1/60,000 Gran, um den Faden um 360 Grade zu tordieren.
Das wichtigste Ergebnis der Coulombschen Versuche besteht in dem Nachweise, daß »die abstoßende Kraft zweier kleiner, gleichartig elektrisierter Kugeln im umgekehrten Verhältnis zum Quadrat des Abstandes der Mittelpunkte beider Kugeln steht«[47].
Den Nachweis dieses wichtigen Grundgesetzes lieferte Coulomb in folgender Weise. Er stellte die Scheibe op (siehe Abb. [5]) so ein, daß die Kugel a unter der seitlichen Öffnung des Glasdeckels stand. Elektrisiert man nun die Kugel d und führt sie durch die Öffnung bis zur Berührung mit der beweglichen Kugel a ein, so nehmen beide Kugeln die gleiche elektrische Ladung von gleicher Dichtigkeit an. Es erfolgt Abstoßung um 36 Grade. Jetzt wird der Torsionskreis entgegengesetzt zur Ablenkung gedreht, bis letztere nur noch 18 Grad beträgt. Die Entfernung beträgt somit die Hälfte, während die Torsion jetzt 126° + 18° = 144°, also das Vierfache beträgt. Um die Kugeln auf ¼ der ursprünglichen Entfernung einander zu nähern, mußte man die Torsion des Aufhängefadens auf 576 Grad, mithin auf das Sechszehnfache bringen. Aus diesen Versuchen folgt das oben erwähnte Grundgesetz.
In seiner zweiten Abhandlung vom Jahre 1785 dehnte Coulomb seine Untersuchung auf die anziehende Kraft elektrisierter Körper und auf die abstoßende und anziehende Kraft magnetisierter Körper aus. Er gelangte zu folgenden Ergebnissen:
1. Die abstoßende wie die anziehende Wirkung zweier elektrisierten Kugeln und folglich zweier elektrischen Moleküle steht im geraden Verhältnis der Dichtigkeit der Elektrizität und ist umgekehrt proportional dem Quadrate der Entfernung.
2. Die anziehende und abstoßende Kraft des Magnetismus steht gleichfalls im geraden Verhältnis zu den Dichtigkeiten und im umgekehrten Verhältnis zum Quadrat des Abstandes der magnetischen Moleküle.
Eine Fehlerquelle der ersten Versuche bestand in dem im Verlaufe des Versuches vor sich gehenden Elektrizitätsverlust. Um den durch Abgabe an die Luft und die Aufhängevorrichtung entstehenden Verlust an Elektrizität in Rechnung ziehen zu können, war eine weitere Untersuchung erforderlich, die in der dritten Abhandlung vom Jahre 1785 mitgeteilt wurde. Aus dieser Untersuchung ergab sich, daß die Zerstreuung mit dem Wassergehalt der Luft wächst. Und zwar ergab sich der Zerstreuungskoeffizient direkt proportional den Graden des von Saussure erfundenen, an anderer Stelle beschriebenen Haarhygrometers[48].
Schließlich wandte sich Coulomb noch der Verteilung der Elektrizität zu. Er bedeckte eine isolierte Metallkugel mit zwei halbkugelförmigen Schalen, die mit isolierenden Handhaben versehen waren. Nachdem er das Ganze elektrisiert hatte, nahm er die Schalen fort. Es zeigte sich, daß die Kugel völlig unelektrisch, die Schalen dagegen elektrisch waren[49]. Wurde die Kugel allein elektrisiert und wurden die Schalen dann darauf gesetzt, so erhielt man nach der Trennung dasselbe Ergebnis, wie beim ersten Versuch[50].
Abb. 6. Coulombs Versuch über die Verteilung der Elektrizität.
Die beiden Grundgesetze über die Verteilung der Elektrizität sprach Coulomb in folgender Fassung aus: 1. Die Elektrizität verbreitet sich in allen leitenden Körpern gemäß ihrer Gestalt, ohne daß sie eine auswählende Anziehung für einen Körper gegenüber einem anderen zu haben scheint. 2. In einem elektrisierten leitenden Körper verbreitet sich die Elektrizität auf der Oberfläche des Körpers, dringt aber nicht in das Innere ein.
Sowohl Coulomb wie auch Cavendish erkannten, daß die Eigenschaft der Elektrizität, sich auf der Oberfläche der leitenden Körper auszubreiten und nicht in das Innere dieser Körper einzudringen, eine Folge des Gesetzes von der Abstoßung nach dem umgekehrten Quadrat der Entfernung sei.
Mit Coulomb findet die erste Periode in der Entwicklung der Elektrizitätslehre ihren Abschluß. Seine Arbeiten galten der Elektrostatik und brachten dieses Gebiet zu hoher Vollendung. Auf das die Wirkung der elektrischen Kräfte vermittelnde Dielektrikum nahm Coulomb noch keine Rücksicht. Das geschah erst in der neuesten, durch Faraday eröffneten Periode der Elektrizitätslehre. Für Coulomb waren die elektrische Anziehung und Abstoßung wie die Newtonsche Gravitation Fernkräfte, die momentan durch den leeren Raum hindurch wirken. Dieser Umstand tut indessen dem Wert der Coulombschen Arbeiten keinen Abbruch, da sie nur den Anspruch erheben, mustergültige Messungen unter Ausschluß jeder Spekulation zu sein. Als solche bildeten sie die Grundlage, auf welche die nachfolgende Generation die mathematische Theorie der elektrischen und magnetischen Erscheinungen aufzubauen vermochte, eine Aufgabe, die mit Hilfe der höheren Analysis, insbesondere der Potentialtheorie, in den ersten Jahrzehnten des 19. Jahrhunderts gelöst wurde[51].