Elektrotechnisches Experimentierbuch: Eine Anleitung zur Ausführung elektrotechnischer Experimente unter Verwendung einfachster, meist selbst herzustellender Hilfsmittel - Eberhard Schnetzler

Wenn man nun den Apparat so abändert, daß man den in [Abb. 63] mit d bezeichneten Eisendraht länger (etwa 20 cm) macht und ihn nicht in ein Luftthermometer einschließt, sondern die eine Lötstelle in eine Kältemischung (Salz-Eis), die andere in siedendes Wasser bringt, also die eine abkühlt und die andere erwärmt, und die Klemmen g und g_₁ mit einem Galvanoskop verbindet, so zeigt dieses das Vorhandensein eines Stromes an, der um so stärker ist, je größer die Temperaturdifferenz an den beiden Lötstellen ist. Untersucht man auch hier verschiedene Metalle, so ergibt sich die gleiche Spannungsreihe wie oben, bei welcher Anordnung der positive Strom an der wärmeren Lötstelle von einem in der Reihe früher zu einem in der Reihe später stehenden Metall fließt.

Die in solchen Thermoelementen erzeugten Ströme, die thermoelektrischen Ströme, sind aber so schwach, daß sie in der Praxis nur für eine ganz spezielle Verwendung Bedeutung haben, nämlich zu Temperaturmessungen. Da man auch die schwächsten elektrischen Ströme noch mit großer Genauigkeit messen kann und da bei einem Thermoelement sich die allergeringste Temperaturänderung in einer, wenn auch geringen, so doch meßbaren Änderung des Thermostromes äußert, so benutzt man das Thermoelement, verbunden mit einem feinen Galvanometer, direkt zur Messung kleinster Temperaturdifferenzen.

Nachdem wir die Herstellung der verschiedensten Elemente kennen gelernt haben, wollen wir hören, was Rudi über die Gesetze des galvanischen Stromes vorgetragen und welche erklärenden Versuche er dabei ausgeführt hat.

Die Gesetze des galvanischen Stromes.

Was wir unter elektromotorischer Kraft verstehen, haben wir schon gehört, wie auch, daß sie abhängig ist von der Größe der Spannung, die infolge der chemischen Einflüsse auf den beiden Elektroden auftritt. Noch nicht erwähnt haben wir, wie Rudi an einem sehr einfachen Experimente zeigte, von welcher Bedeutung für die elektromotorische Kraft eines Elementes sowohl die Natur der beiden Elektroden als auch die der Flüssigkeit sei: In ein Standglas mit Wasser stellte er eine Eisen- und eine Zinkplatte, die je mit einem längeren Draht versehen waren, und wies mit einem Multiplikator, dessen Herstellung später beschrieben wird ([Seite 92 bis 96]), das Vorhandensein eines sehr schwachen Stromes nach. Dann schaltete er den Multiplikator aus und eine 1,5 Volt-Glühlampe in den Stromkreis ein, die nicht glühte; aber als er etwas Schwefelsäure unter das Wasser mischte, begann der Kohlenfaden schwach rot zu werden, leuchtete aber erst dann hell auf, als die Eisenplatte durch eine solche von Kupfer ersetzt wurde.

Ein zweiter Versuch sollte zeigen, daß je nach den Verhältnissen ein Strom bei gleichbleibender elektromotorischer Kraft verschieden stark sein kann: In den Stromkreis eines Leclanchéelementes schaltete Rudi mit zwei kurzen Drähten eine 1,5 Volt-Glühlampe ein, die hell glühte. Dann ersetzte er den einen der kurzen Drähte durch einen sehr langen und sehr dünnen Kupferdraht, worauf das Lämpchen nur noch mit halber Kraft glühte. Darauf vertauschte er den Kupferdraht mit einem kurzen Nickelindraht, und die Lampe wurde noch etwas dunkler. An Hand dieser Versuche wies er darauf hin, daß die Stärke eines Stromes nicht nur von der ihn treibenden Kraft abhängt, sondern auch von der Natur der ihn leitenden Stoffe und von der Länge und Dicke seines Weges. In dem langen Draht ist der Strom schwächer als in dem kurzen; bei gleichlangen Drähten verliert er in Nickelin mehr von seiner Kraft als in Kupfer, in einem dünnen Draht mehr als in einem dicken. Es scheinen also die Metalle zwar den Strom zu leiten, aber nicht, ohne ihm einen gewissen Widerstand entgegenzusetzen; denn sonst würde der Strom nicht in einem langen Leiter mehr geschwächt werden als in einem kurzen, in einem dünnen nicht mehr als in einem dicken. Auch leiten verschiedene Metalle verschieden gut. Haben wir nun recht aufgepaßt, so konnte uns nicht entgehen, daß wir es hier mit drei Größen zu tun haben: 1. mit der elektromotorischen Kraft, unmittelbar abhängig von der Spannung, die auf den Elektroden entsteht, und deren Maßeinheit das Volt ist; 2. mit der Stromstärke, denn je heller die Lampe glühte, desto stärker mußte der sie durchfließende Strom sein; die Einheit für die Stärke oder die Intensität des Stromes ist 1 Ampere; 3. mit dem Widerstand, den wir in Ohm messen. (Die elektromotorische Kraft sei fernerhin immer mit E, die Intensität des Stromes mit J und der Widerstand mit W bezeichnet; man setzt oft auch die Anfangsbuchstaben der drei Einheiten: V, A, O.) Durch genaue Messungen hat man nun ein sehr einfaches Gesetz gefunden, das zwischen diesen Größen besteht: es ist das Ohmsche Gesetz und sagt aus, daß J umso größer ist, je größer E und je kleiner W ist, oder in eine Formel gefaßt: J proportional EW. Man hat zur Vereinfachung die drei Einheiten so gewählt, daß sogar J = EW ist. Daraus ergibt sich E = J · W, oder in Worten: E ist umso größer, je größer J und je größer W ist; ferner ergibt sich, daß W umso größer ist, je größer E und je kleiner J ist: W = EJ.

Des weiteren schaltete Rudi in den Stromkreis eines Leclanchéelementes eine 2 Volt-Glühlampe[4], die nur schwach glühte; dann schaltete er zwei Elemente hintereinander, das heißt so, daß er den Kohlepol des einen mit dem Zinkpol des anderen verband; als er nun die Lampe einschaltete, glühte sie hell. Diesen Vorgang erklärte er wie folgt: Wie schon erwähnt, besteht auf den Elektroden eines Elementes eine Spannungsdifferenz; hier beträgt sie etwa 1 Volt; das Zink hat eine Ladung negativer Elektrizität von ½ Volt, das Kupfer eine solche positiver Elektrizität von ½ Volt. Bringe ich nun das Zink mit der Erde in leitende Verbindung, so sinkt sein Potential (= Spannung) auf den Wert 0; da aber die Spannungsdifferenz des Elementes immer gleich 1 ist, so muß nun das Potential des Kupfers auf 1 Volt steigen. Bringe ich das Zink in Verbindung mit dem Konduktor einer Elektrisiermaschine, so steigt seine Spannung auf 100000 Volt und folglich die des Kupfers auf 100001 Volt. Daraus ergibt sich nun folgende praktisch sehr wichtige Tatsache: Schalte ich eine größere Anzahl von Elementen, sagen wir zehn, so, daß jeweils die negative Elektrode des einen mit der positiven des nächsten verbunden wird, so wirkt in der dadurch entstandenen Reihe (Kette) eine zehnmal größere elektromotorische Kraft als in einem Element; denn nehmen wir die Spannung auf dem Kupfer des ersten Elementes als 1 Volt an, so werden alle mit ihm verbundenen aber sonst isolierten Leiter dieselbe Spannung annehmen. In unserem Fall wird das Zink des zweiten Elementes ebenfalls die Spannung von 1 Volt erhalten, damit steigt aber das Potential des Kupfers im zweiten Element auf 2 Volt; da mit dieser Kupferplatte aber die dritte Zinkelektrode ebenfalls eine Spannung von 2 Volt erhält, so steigt diese beim dritten Kupferpol auf 3 Volt und so fort, bis wir bei der zehnten und letzten positiven Elektrode eine Spannung von 10 Volt haben. Bei dem Zink des ersten Elementes haben wir das Potential 0 angenommen und so ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 10 Volt; es ist also auch die elektromotorische Kraft dieser Kette zehnmal größer als die eines einzelnen Elementes. Wir können nun aber auch alle gleichnamigen Elektroden miteinander verbinden, also die Zinkplatten aller Elemente zusammen und die Kupferplatten zusammen; dadurch gewinnen wir an elektromotorischer Kraft nichts. Die Vorteile dieser Schaltungsweise werden wir nachher kennen lernen.

Wir können nun mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes einige einfache Berechnungen machen. Nehmen wir an, wir hätten eine Anzahl von Elementen und einen Stromkreis von einem bestimmten Widerstand gegeben. Wir wollen nun berechnen, wie wir die Elemente schalten müssen, ob hintereinander oder nebeneinander, um einen möglichst starken Strom zu erhalten. Nehmen wir ein Bunsenelement und verbinden wir seine Pole mit irgend einem Widerstand (z. B. einer Glühlampe), so ist nach dem Ohmschen Gesetz die Intensität des Stromes gleich der elektromotorischen Kraft des Bunsenelementes dividiert durch den gesamten Widerstand; dabei ist nicht zu vergessen, daß der Strom auch die Flüssigkeit des Elementes zu passieren hat und in ihr einen Widerstand findet, der umso kleiner ist, je größer und einander näher die Elektroden sind; man nennt ihn den inneren Widerstand des Elementes.

Vereinige ich nun etwa zehn Elemente so, daß ich jeweils den Kupferpol des einen mit dem Zinkpol des nächsten verbinde, also hintereinander oder, wie man auch zu sagen pflegt, in Serie, so tritt in dieser Anordnung von Elementen die zehnfache elektromotorische Kraft eines einzigen Elementes auf. Aber auch der innere Widerstand ist nun zehnmal so groß, so daß sich für die gesamte Stromstärke ergibt: zehnfache elektromotorische Kraft eines Bunsenelementes geteilt durch den äußeren Widerstand plus dem zehnfachen inneren eines Elementes; oder in einer Formel geschrieben: 10 EO + 10 W. Dabei sei mit O der äußere, mit W der innere Widerstand bezeichnet. Ist nun der äußere Widerstand so klein im Verhältnis zum inneren, daß wir ihn, ohne einen allzu großen Fehler zu begehen, vernachlässigen können, so haben wir J = 10 E10 W oder J = EW. In diesem Falle ist es also ziemlich gleich, ob man ein oder zehn hintereinander geschaltete Elemente benützt.

Ist dagegen der äußere Widerstand sehr groß, so daß man ihm gegenüber den inneren vernachlässigen kann, so ist annähernd: J = 10 EO. Diesmal haben wir also beinahe die zehnfache elektromotorische Kraft, als wenn wir nur ein Element benützten.