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Meßinstrumente [2]

[371] Meßinstrumente, elektrotechnische, Apparate zur Bestimmung der Stärke und Spannung des elektrischen Stromes und des von ihm geleisteten Effektes.

Die wichtigsten elektrischen Messungen sind die der Stromstärke, da sich auf diese die Messungen aller andern elektrischen Größen zurückführen lassen. – Sollen z.B. zwei Widerstände,[371] ein bekannter und ein unbekannter, miteinander verglichen werden, so mißt man die Stromstärken, welche ein und dieselbe Spannung in beiden hervorbringt. Sollen zwei Spannungen miteinander verglichen werden, so mißt man wiederum die Stromstärken, welche sie in ein und demselben Widerstande hervorbringen, u.s.w. Aus dem Zusammenhange zwischen der Stromstärke und den zu messenden Größen erhalten wir dann diese letzteren selbst nach dem Ohmschen Gesetz J (Stromstärke) = E (Spannung)/W (Widerstand).

Zum Messen der Stromstärke kann nun jede der Wirkungen des elektrischen Stromes benutzt werden, da sie alle ihrem Grade nach von der Stromstärke abhängen, und es ergibt sich sonach folgende Gruppeneinteilung: Strom- und Spannungsmesser a) auf chemischen, b) bis d) auf elektromagnetischen, e) auf elektrodynamischen Wirkungen, f) auf Wärmewirkungen beruhend; hierzu kommen noch g) die auf Wirkungen der statischen Elektrizität beruhenden Apparate und h) die auf einer gleichzeitigen Strom- und Spannungsmessung beruhenden, mit dem Namen Wattmeter bezeichneten Meßinstrumente, welche die Leistung des Stromes bestimmen. Letztere sind nach den Prinzipien der Gruppe e gebaut.

a) Auf der chemischen Wirkung des Stromes beruhende Meßinstrumente. Nach dem Faradayschen Gesetze ist die in einer bestimmten Zeit zerfetzte Menge einer Flüssigkeit, z.B. des Wassers oder einer Kupfersalzlösung, proportional der Stromstärke. Je stärker der Strom ist, eine um so größere Menge Knallgas wird entwickelt, eine um so größere Menge Kupfer wird auf der Kathode niedergeschlagen. Umgekehrt kann man aber aus der zerfetzten Menge auch auf die Stromstärke schließen: je größer die in einer bestimmten Zeit zerfetzte Menge ist, um so stärker muß der Strom gewesen sein. Auf diesen Beziehungen zwischen der Stromstärke und der zerfetzten Menge beruhen eine Reihe von Instrumenten, die zur Messung von Stromstärken dienen und als Voltameter bezeichnet werden. In Gebrauch sind nur Wasservoltameter, Kupfer- und Silbervoltameter. – Bei den Wasservoltametern wird die Stromstärke aus der Menge des in einer bestimmten Zeit zerfetzten, angesäuerten Wassers berechnet. Entweder wird diese Menge ihrem Gewicht nach bestimmt, indem man den Gewichtsverlust eines mit 10–20 prozentiger Schwefelsäure gefüllten Kölbchens feststellt, oder man mißt das Volumen des entstandenen Knallgases, welches in einer geteilten Röhre aufgefangen wird.

Eine einfache Form eines solchen Knallgasvoltameters für Ströme bis 30 Ampere ist von Kohlrausch vorgeschlagen. Es besteht aus einem etwa 40 mm weiten Glasrohr, welches nach Kubikzentimetern graduiert ist und dessen verengerter Fortsatz in den Hals eines weiten Gefäßes eingeschliffen ist. Ein in das Meßrohr eingeschmolzenes Thermometer ermöglicht eine genaue Temperaturbestimmung. Zwei Platinelektroden sind mit durchbohrten Kautschukstopfen durch die beiden Seitenfortsätze eingeführt (Fig. 1), an ihre äußeren Verlängerungen werden die Stromzuführungsdrähte angeschlossen. – Bei allen Knallgasvoltametern ist zu beachten, daß die an den Platinelektroden haftenden Gase eine Polarisation hervorrufen, welche nahezu 2 Volt beträgt. Es sind demnach zur Wasserzersetzung mindestens drei Daniell- oder zwei Bunsenelemente oder zwei Akkumulatorzellen erforderlich. Ein Strom von 1 Ampere zersetzt in 1 Minute 5,59 mg Wasser; das hierbei entwickelte Knallgas nimmt bei 0° und 760 mm Druck einen Raum von 10,44 ccm ein. Für 1 Sekunde sind die betreffenden Zahlen: 0,093 mg Wasser und 0,174 ccm Knallgas. – Die Genauigkeit der Messungen mit den Knallgasvoltametern wird namentlich dadurch beeinträchtigt, daß das Volumen der entwickelten Gasmenge höchstens auf 0,3% genau abgelesen werden kann. Um nun diese unsichere Volumenbestimmung durch genauer auszuführende Gewichtsbestimmungen zu ersetzen, bedient man sich der Metallvoltameter, bei denen die Stromstärke aus der Menge der niedergeschlagenen Metalle berechnet wird; gleichzeitig fällt auch die umständliche Reduktion auf Druck und Temperatur fort. Gebräuchlich sind Kupfer- und Silbervoltameter.

Das Kupfervoltameter besteht aus einem mit Kupfersulfatlösung gefüllten Glasgefäß, in welches als Elektroden zwei Kupferplatten oder als Anode eine Kupferplatte und als Kathode eine Platinplatte tauchen. Die Lösung darf nicht so konzentriert sein, daß sich bei einer etwaigen Abkühlung oder infolge Verdunstung Kristalle ausscheiden; eine 10–15 prozentige Lösung genügt. Die als Anode dienende Platte muß aus chemisch reinem Elektrolytkupfer bestehen. Um beide Seiten der Kathode zu benutzen, pflegt man die Anode so umzubiegen, daß sie die Kathode von beiden Seiten umgibt, oder auch zwei Kupferplatten parallel zu schalten. Die Fig. 2 zeigt eine derartige Konstruktion von Hartmann & Braun. Wird die Anode mit dem positiven, die Kathode mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden, so zerlegt der durchfließende Strom die Kupfersulfatlösung in ihre Bestandteile Cu und SO₄, das freigewordene Kupfer setzt sich an der Kathode an, während sich die Gruppe SO₄ mit einem Atom Cu der Anode wieder zu CuSO₄, verbindet. Die Lösung bleibt also gleichmäßig konzentriert. Vor und nach dem Versuche wird die Kathode sorgfältig getrocknet und gewogen. Die Gewichtszunahme[372] gibt die Menge des ausgeschiedenen Kupfers an, woraus sich die Stromstärke ergibt. Sind Q mg Kupfer niedergeschlagen und betrug die Dauer des Stromdurchganges t Sekunden, so ist die Stromstärke J = Q : α t Ampère; α ist das elektrochemische Aequivalent des Kupfers = 0,329 (Tabelle in [3]). Damit der Niederschlag fest haftet, muß die Stromdichte, d.h. das Verhältnis der Stromstärke zur wirksamen Kathodenfläche, passend gewählt werden, weshalb die Stromstärke bei einem Elektrodenabstände von 1,5–2 cm nicht über 2,5–3,5 Ampere pro Quadratdezimeter der wirksamen Kathodenfläche betragen soll.

Das Kupfervoltameter wird zum Messen stärkerer Ströme verwendet und erfordert große Vorsicht, wenn erheblichere Fehler vermieden werden sollen. Zum Messen schwächerer Ströme eignet sich besser das Silbervoltameter, bei welchem sich auch genauere Resultate erzielen lassen, da die Menge des abgeschiedenen Silbers relativ groß ist. – Die Kathode hat die Form eines Platinschälchens oder -tiegels, welcher (Fig. 3) bis etwa 1 cm vom Rande mit einer 15–30 prozentigen Lösung von salpetersauerm Silber (Höllenstein) vom spez. Gew. 1,15–1,35 gefüllt ist. In diese Lösung taucht die silberne Anode, welche entweder die Form eines Hohlzylinders oder eines Stabes besitzt. Den Silberniederschlag kann man durch Schaben mit einem Hornmesser oder einem Holzstäbchen ablösen und durch Abkochen in verdünnter Salpetersäure vollständig beseitigen. Beim Stromdurchgange wird das salpetersaure Silber AgNO₃ in Ag und NO₃ zerlegt, von denen das erstere sich in Form glänzender Kristalle in dem Platintiegel ansetzt. Auch hier muß die Stromdichte passend gewählt werden (0,5–1,5 Ampere pro Quadratdezimeter, je nach der Elektrodenentfernung); die Stromstärke ergibt sich aus J = Q/αt Ampère, worin das elektrochemische Aequivalent des Silbers α = 1,118 ist.

Ein Zinkvoltameter ist von Edison in Amerika eingeführt worden und dient dort als Elektrizitätszähler. Es enthält eine 25 prozentige Zinkvitriollösung, die zwischen Zinkelektroden zersetzt wird. Ein Ampere zersetzt in einer Minute 60 · 0,338 = 20,28 mg Zink. Weitere Angaben über elektrochemische Elektrizitätszähler s. Bd. 3, S. 410.

b) Auf elektromagnetischen Wirkungen beruhende Meßinstrumente mit fester Stromspule und beweglichem Magneten (sogenannte Galvanometer). Der einfachste Apparat dieser Art ist das Galvanoskop (Fig. 4), bei dem der Strom mittels eines Kupferbügels um eine leichtbewegliche Magnetnadel herumgeführt ist. Aus der Richtung des Nadelausschlages beim Stromdurchgang kann nach der sogenannten Schwimmregel von Ampère (s. Strom, elektrischer) die Stromrichtung bestimmt werden, während die Größe des Ausschlagwinkels ein ungefähres Maß für die Stromstärke gibt. Sollen sehr schwache Ströme vermittelst eines Galvanoskops nachgewiesen werden, so vervielfacht man die Einwirkung des Stromes, indem man ihn nicht einmal, sondern in vielen Windungen um die Nadel herumführt. Zu diesem Zwecke wickelt man den Draht auf einen Rahmen, innerhalb dessen sich die Nadel befindet. Solche Apparate nennt man Multiplikatoren.

Zu denjenigen Galvanometern, bei welchen zwischen der Stromstärke und dem Ablenkungswinkel eine einfache Beziehung besteht, gehört die sogenannte Tangentenbussole (Fig. 5), die aus einem kreisförmigen Kupferbügel besteht, in dessen Mittelpunkt eine Magnetnadel aufliegt. Wird der Kupferbügel, der Stellung der Magnetnadel entsprechend, in die Meridianebene eingeteilt, so lenkt ein den Bügel durchfließender Strom die Nadel um einen Winkel φ ab, dessen trigonometrische Tangente der Stromstärke J proportional ist, entsprechend der Formel: J = C · tg φ. Der Reduktionsfaktor C hat den Wert C = R H_e : 2π, wenn J in absoluten Einheiten erhalten werden soll, oder C = 5 · R H_e : π für Amperestrommaß. Hiernach kann C berechnet werden, wenn R, der Radius des Bügels, und H_e, die Horizontalkomponente des Erdmagnetismus, bekannt sind. Da tg φ von 0 bis ∞ wächst, wenn φ von 0 bis 90° zunimmt, so können mit einer solchen Tangentenbussole theoretisch alle Stromstärken von 0 bis ∞ gemessen werden. In Wirklichkeit ist aber der Meßbereich ein recht beschränkter, wenn die Messungen einigermaßen genau sein sollen.

Wegen der unvermeidlichen Ablesefehler werden die Messungen um so ungenauer, je mehr sich die Ablesungen von 45° entfernen. Nimmt man ¹/₅° als möglichen Ablesungsfehler an und soll der Fehler im Resultat höchstens 1% betragen, so dürfen nur Winkel zwischen 25° und 65° vorkommen, d.h. man kann nur von J₁ = C tg 25° bis J₂ = C tg 65° messen. – Die Tangentenbussole kann auch nicht zum Messen sehr schwacher Ströme benutzt werden. Instrumente für größere Stromstärken kann man zwar durch Vergrößerung des Windungsdurchmessers erhalten, man kann aber nicht umgekehrt den Durchmesser beliebig klein machen, um die Windungen nahe an die Nadel heranzubringen und so ein empfindliches Instrument zu erhalten. Denn die Gleichung J = C tg φ ist nur dann richtig, wenn die Länge der Magnetnadel[373] im Verhältnis zum Windungsdurchmesser sehr klein ist; sie soll höchstens ein Zwölftel des Durchmessers betragen. Man darf auch die Windungszahl n nicht beliebig groß machen, da sonst ebenfalls die Abweichung vom Tangentengesetz zu groß wird. Der Reduktionsfaktor einer Tangentenbussole mit n Windungen (n facher Multiplikation) ist: C = 5 R H_e : π n, worin R den mittleren Windungshalbmesser bedeutet. Um ein empfindlicheres Instrument zu erhalten, hat Gaugain die Nadel außerhalb der Windungsebene um R/2 vom Mittelpunkt entfernt angebracht. Dann darf der Windungsdurchmesser klein und die Windungszahl größer sein.

Die Bestimmung des Reduktionsfaktors einer Tangentenbussole kann bei den einfacheren Konstruktionen durch Rechnung geschehen, wenn H_e bekannt ist, während man ihn bei Instrumenten mit einer größeren Windungszahl, besonders aber bei den Gaugainschen Tangentenbussolen, durch Eichung bestimmt. Die Eichung geschieht meist mittels eines Voltameters, das mit der Tangentenbussole hintereinander geschaltet wird.

Macht man die Windungen samt Bussole um eine vertikale Achse drehbar und dreht dieselben der abgelenkten Nadel nach, so wird diese zunächst weiter zurückweichen, aber immer langsamer, da das Drehungsmoment des Erdmagnetismus zunimmt; sie wird schließlich von den Windungen eingeholt werden, wenn die Stromstärke nicht zu groß ist. Jetzt haben Windungen und Nadel wieder die anfängliche Lage zueinander, und es ist dann die Stromstärke i = 5 R H_e sin α : π n, unter α den Winkel verstanden, welcher der Drehung entspricht. Ein Instrument, welches auf diesem Prinzip beruht, nennt man Sinusbussole. Zur Ablesung des Drehungswinkels wird eine zweite Skala angebracht, auf welcher ein mit den Windungen fest verbundener Zeiger den Winkel anzeigt. Der Meßbereich einer Sinusbussole ist sehr gering, da sin α höchstens = 1 wird. Ein andrer Uebelstand ist der, daß jede Ablesung erst eine Drehung der Windungen und eine sorgfältige Einstellung erfordert.

Zur bequemen Messung sehr schwacher Ströme, wie sie z.B. bei Isolationsmessungen vorkommen, die weniger als den millionsten Teil eines Ampere betragen, muß man entweder auf den einfachen Zusammenhang zwischen Stromstärke und Ausschlag verzichten oder sich auf so kleine Ablenkungswinkel beschränken (Bruchteile von Graden), daß bei ihnen noch die Stromstärken den Tangenten der Ablenkungswinkel oder diesen Winkeln selbst proportional angenommen werden können. In diesem Falle ist eine besondere Art der Ablesung, die sogenannte Spiegelablesung (s. unten), erforderlich.

Man kann die Empfindlichkeit eines Galvanometers auch dadurch erhöhen, daß man die Einwirkung des Erdmagnetismus schwächt oder ganz aufhebt. Zu diesem Zweck verwendet man nicht eine einfache Magnetnadel, sondern ein sogenanntes astatisches Nadelpaar (angegeben von Nobili). Dasselbe besteht aus zwei gleichstark magnetisierten Nadeln, welche mittels eines leichten Elfenbeinstäbchens fest miteinander verbunden sind und parallel so übereinander liegen, daß die entgegen gesetzten Pole sich nach derselben Seite hin richten (Fig. 6). Die untere Nadel befindet sich innerhalb der Windungen, während die obere außerhalb liegt und meist zugleich als Zeiger dient. So wirkt der Strom auf beide Nadeln in gleichem Sinne, während die Einwirkung des Erdmagnetismus auf das Nadelpaar aufgehoben oder, wenn die beiden Nadeln nicht vollkommen gleich sind, nur gleich der Differenz der Wirkungen auf die einzelnen Nadeln ist Nach diesem Prinzip ist z.B. die ältere Form des Universalgalvanometers von Siemens & Halske konstruiert. Eine neuere, auf dem Prinzip der Drehspulengalvanometer (Gruppe c) beruhende Konstruktion s. unter Meßmethoden, elektrotechnische.

Eine andre Methode der Astasierung, welche noch den Vorteil hat, daß ihr Grad beliebig verändert werden kann, besteht in der Verwendung eines Kompensationsmagnets, dessen man sich namentlich bei den sogenannten Spiegelgalvanometern bedient. Man bringt oberhalb oder unterhalb der Nadel einen Magnetstab an, welcher vertikal verschiebbar ist und um seine vertikale Achse gedreht werden kann (Hauyscher Stab). Er kann auch als Richtmagnet dienen, wenn zur bequemeren Aufstellung des Ablesefernrohres die Nullage der Magnetnadel eine andre als die Meridianebene sein soll.

Das wichtigste Hilfsmittel zur Messung sehr schwacher Ströme ist die schon erwähnte Spiegelablesung, durch die selbst Ausschlagswinkel von wenigen Sekunden noch mit großer Genauigkeit gemessen werden können. Mit dem an einem Faden hängenden Magnet, dessen Drehung gemessen werden soll (Fig. 7), ist ein Spiegel C verbunden, in dem mittels eines Fernrohres F eine in gleicher Höhe befindliche, unter Umständen bis R = 5 m vom Spiegel entfernte Skala B D beobachtet wird. Die Skala soll möglichst nahe am Fernrohr, parallel zum Spiegel und senkrecht zur Visierlinie so angebracht sein, daß ihr Mittelpunkt sich senkrecht über oder unter dem Fernrohre befindet. Bei der Ruhelage des Magnets erblickt man im Fernrohre den mittleren Skalenteil A. Dreht sich nun der Spiegel C aus der Anfangstellung a in die Stellung b um einen Winkel φ, so wird im Fernrohr ein Punkt B erscheinen, welcher so liegt, daß B C mit dem auf der Spiegelebene b errichteten Lote C C' denselben Winkel φ bildet, wie A C mit C C', bezw. wie die Ebenen a und b. Ist n die Anzahl der Skalenteile zwischen A und B, R der Abstand der Skala von dem mit ihr parallelen Spiegel, beide in derselben Einheit gemessen, so ist tg 2 φ = A B : A C = n : R. Handelt es sich um sehr kleine Winkel, so kann angenähert tg 2 φ = 2 tg φ, also tg φ = n : 2 R gesetzt werden. Bei so kleinen Ablenkungswinkeln können aber auch die Stromstärken den Tangenten dieser Winkel proportional gesetzt werden und verhalten sich dann wie die im Fernrohr beobachteten Ausschläge (i₁ : i₂ = n₁ : n₂).[374]

Die Verwendung eines asiatischen Magnetsystems oder eines schweren Magnets hat einen Uebelstand zur Folge, der das Messen mit solchen Galvanometern sehr unbequem macht, nämlich die langsame Abnahme der Schwingungen, die den Magnet erst nach längerer Zeit in der neuen Gleichgewichtslage zur Ruhe kommen läßt. Man bringt daher bei den meisten Galvanometern eine sogenannte Dämpfung an, d.h. eine Vorrichtung, durch welche die Schwingungen schnell verringert werden. Diese Dämpfung kann durch mechanischen Widerstand herbeigeführt werden, indem man an dem schwingenden Teile Flügel anbringt, die in eine enge Kapsel eingeschlossen sind oder in eine Flüssigkeit eintauchen und somit bei ihrer Bewegung den Luft- oder den Flüssigkeitswiderstand zu überwinden haben (Luftdämpfung bezw. Flüssigkeitsdämpfung). Eine andre, sehr wirksame Dämpfung wird auf elektrischem Wege durch Induktionsströme bewirkt (elektromagnetische oder Wirbelstromdämpfung). Es entstehen in einem Metall, in dessen Nähe sich ein Magnet bewegt oder das selbst in einem magnetischen Felde bewegt wird, Wirbelströme, die, nach dem Lenzschen Gesetze (s. Strom, elektrischer) rückwirkend die Bewegung zu hemmen suchen. Diese Wirkung ist um so stärker, je kräftiger der Magnet ist und je näher beide Teile einander sind. Um möglichst starke Ströme zu erhalten, wählt man zur Dämpfung ein gut leitendes Material (Kupfer) und gibt dem Dämpfer einen möglichst großen Querschnitt. Unter günstigen Verhältnissen kann die Dämpfung so kräftig sein, daß der Magnet ohne jegliche Schwingung sofort in die neue Gleichgewichtslage übergeht. Man nennt die Galvanometer dann aperiodisch. Die Form des kupfernen Dämpfers muß sich der Form des Magnets möglichst anpassen. Die Dämpfung kann reguliert werden, wenn man die Kupfermasse verschiebbar anordnet. Das ist z.B. bei dem Weberschen Spiegelgalvanometer (Hartmann & Braun) der Fall. Die Empfindlichkeit dieses Galvanometers ist groß. Bei Verwendung von Multiplikatorrollen mit 50 Ohm Widerstand bedeutet 1 mm Ausschlag bei 1 m Skalenabstand eine Stromstärke von 0,00000002 Ampère. Fig. 8 zeigt das Galvanometer im Schnitt. D bedeutet den Kupferdämpfer (teilweise herausgezogen), M die Magnete, mittels des Magnetträgers T an einem Kokonfaden hängend, G ein Gegengewicht, W die Windungen, S den Spiegel. Bei diesem Galvanometer ist die Empfindlichkeit nur insoweit veränderlich, als austauschbare Multiplikatoren zur Verfügung stehen. Wiedemann begnügte sich nicht mit der Austauschbarkeit, sondern suchte bei Verwendung nur eines Multiplikatorpaares den Meßbereich dadurch zu erweitern, daß er die Drahtrollen verschiebbar machte. Um das Trägheitsmoment des schwingenden Systems zu verringern, besteht der Magnet aus einer kreisförmigen polierten Stahlscheibe, die zugleich als Spiegel dient.

Größere Vorteile bietet eine Magnetform, die zuerst in dem Siemensschen Spiegelgalvanometer zur Verwendung gelangte, der Siemenssche Glockenmagnet. Er besteht aus einer oben geschlossenen Stahlröhre von etwa 1 cm Durchmesser und 3 cm Länge, die zu beiden Seiten nahe bis zum oberen Ende aufgeschnitten ist (Fig. 9), und hängt frei beweglich in der zylindrischen Bohrung einer Kupferkugel C, wobei der Sitz der Pole sich in der Mitte der Kugel, der größten Kupfermasse gegenüber, befindet. Der Magnet hat überall gleichen Abstand vom Kupfer, die Dämpfung ist bei allen Ausschlägen vollkommen aperiodisch. Zu beiden Seiten der Kugel, möglichst der Form derselben angepaßt, befinden sich zwei Multiplikatorrollen [2]. Für Isolationsmessungen hat man die Empfindlichkeit der Spiegelgalvanometer erhöht durch Verwendung eines asiatischen Magnetsystems. Siemens verwendete hierzu zwei Glockenmagnete, deren Dimensionen auf 15 mm Länge und 7–8 mm Durchmesser verringert wurden. Die Magnete sind durch eine Messingstange verbunden, welche in der Mitte zwischen den beiden Magneten den Planspiegel trägt. Jeder Magnet befindet sich innerhalb eines Spulenpaares in einer engumschließenden Kupferhülse.

In dem von W. Thomson (Lord Kelvin) konstruierten Spiegelgalvanometer besteht das Magnetsystem aus einer Anzahl leichter Stäbchen, die auf die Rückseite des in der Spule an einem kurzen Faden hängenden Spiegels aufgeklebt sind. In dem Thomsonschen astatischen Spiegelgalvanometer sind zwei solche Magnetsysteme an einem Aluminiumstäbchen befestigt, jedes von einem Spulenpaar umschlossen. Das Stäbchen trägt unterhalb dieses Magnetsystems den Spiegel und die Dämpferscheibe (Luftdämpfung) Die gegen äußere magnetische Einflüsse sehr empfindlichen Spiegelgalvanometer werden zum Schutz dagegen von einem Ring aus weichem Eisen umgeben (magnetische Schirmt Wirkung). Das Panzergalvanometer System Du Bois-Rubens (Siemens & Halske, Fig. 10) besitzt sogar eine mehrfache kugelförmige Eisenumhüllung [1].

Ein andres Galvanometer, bei welchem ebenfalls eine einfache Beziehung zwischen der Stromstärke und dem[375] abgelesenen Winkel besteht und welches infolge seiner vielfachen Verwendbarkeit, namentlich auch zum Eichen andrer Instrumente, die ausgedehnteste Verbreitung gefunden hat, ist das Torsionsgalvanometer von Siemens & Halske. Bei demselben werden, wie bei der Sinusbussole, Magnet und Windungen wieder in die ursprüngliche Lage zueinander gebracht, nur daß hier nicht die Windungen nachgedreht, sondern der Magnet mittels einer Torsionsfeder wieder in die ursprüngliche Lage zurückgeführt wird. Zwischen zwei vertikal gestellten Multiplikatorspulen (Fig. 11) hängt ein Glockenmagnet mit einem Messingstab m an einem Kokonfaden, der in einem Torsionskopfe T befestigt ist. An dem Messingstäbe ist das untere Ende einer Spiralfeder f angeklemmt, deren oberes Ende gleichfalls mit dem Torsionskopfe T verbunden ist. Durch Drehung des letzteren wird also die Feder tordiert und damit auf den Magnet ein Drehungsmoment ausgeübt. Diese Drehung kann an dem mit dem Torsionskopfe verbundenen Zeiger z auf einer Skala abgelesen werden, die sich auf der das Gehäuse abschließenden Glasplatte befindet. Mit der Messingstange ist ferner ein schräg nach oben gerichteter Aluminiumzeiger a verbunden, der alle Bewegungen des Magnets mitmacht und dessen obere Spitze zum Nullpunkte der Skala führt. Um die Bewegungen des Magnets zu dämpfen, sind an der Messingstange noch zwei Glimmer- oder Aluminiumflügel D angebracht, die zwischen je zwei Messingplatten p eine kräftige Luftdämpfung erzeugen. Für die Ablesung gilt die Gleichung i = C α, d.h. die Stromstärke i ist dem Torsionswinkel α proportional. Der Reduktionsfaktor C hängt von dem magnetischen Moment M ab und beträgt (bei den Siemensschen Instrumenten) C = 0,001 bei dem sogenannten einohmigen, C = 0,0001 bei dem hundertohmigen. Der direkte Meßbereich der Torsionsgalvanometer geht nur bis zu 0,17 Ampère, kann aber durch Benutzung von Hilfswiderständen beliebig erweitert werden. Schaltet man nämlich zu einem Meßinstrument, durch das nur schwache Ströme geschickt werden dürfen, einen Nebenschlußwiderstand (»Shunt«) parallel, so teilt sich der Strom nach den Gesetzen der Stromverzweigung im umgekehrten Verhältnis der Widerstände; durch das Galvanometer fließt nur ein kleiner Teilstrom, während der größere Teil an dem Galvanometer vorbei durch den Nebenschlußwiderstand geht. Sind beide Widerstände bekannt, so kann aus dem vom Galvanometer angezeigten Strome der Hauptstrom J berechnet werden. Fig. 12 zeigt diese Schaltung. Der bequemeren Rechnung halber werden die Widerstände so gewählt, daß sich für die Teilströme abgerundete Zahlen ergeben. Die Nebenschlußwiderstände des einohmigen Galvanometers betragen ¹/₉, ¹/₉₉ Ohm u.s.w., so daß z.B. bei Parallelschaltung von ¹/₉ Ohm nur der zehnte Teil des Hauptstromes durch das Galvanometer fließt. Das Torsionsgalvanometer wird mehr und mehr durch die Drehspuleninstrumente verdrängt, die erheblich bequemer zu benutzen sind (s. weiter unten Gruppe c). – Jeder Strommesser kann auch zu Messungen von Spannungen verwendet werden, so daß ein und dasselbe Prinzip bei Strom- und Spannungsmessern zur Anwendung gelangen kann. Aus den Angaben eines Strommessers und aus dem bekannten Widerstände desselben läßt sich nach dem Ohmschen Gesetz sofort die Spannung berechnen, welche erforderlich war, die gemessene Stromstärke hervorzubringen. Es beträgt z.B. beim einohmigen Torsionsgalvanometer bei einer Ablesung von α⁰ die Stromstärke i = C α = α/1000 Ampère. Da der Widerstand w = 1 Ohm ist, ergibt sich die Spannung zwischen den beiden mit den Galvanometerklemmen direkt verbundenen Punkten e = i · w = α/1000 Volt. Der Meßbereich kann durch Vorschaltung entsprechender Widerstände beliebig erweitert werden. Diese sogenannten Widerstandskästen werden am bequemsten so gewählt, daß sich als Gesamtwiderstand eine abgerundete Zahl 10, 100, 1000 u.s.w. ergibt, weshalb beim einohmigen Galvanometer die beigegebenen Widerstände 9, 99, 999 u.s.w. betragen. Diese Berechnung wird bei den sogenannten technischen Spannungsmessern (für Schaltbretter, Prüffeld, Montage u. dergl.), dadurch erspart, daß dieselben schon nach Volt geteilt sind, weshalb man sie gewöhnlich auch als Voltmeter bezeichnet. Die einzelnen Punkte der Skala sind mit derjenigen Spannung in Volt bezeichnet, welche erforderlich ist, um in dem konstanten Widerstände des Voltmeters eine Stromstärke hervorzubringen, durch welche der Zeiger des Instrumentes bis zu den entsprechenden Punkten abgelenkt wird. Die Teilung erfolgt auf empirischem Wege durch Vergleich mit einem Normalinstrument, z.B. einem Präzisionsgalvanometer der Gruppe c.

Alle Galvanometer mit zwei gleichen Wicklungen oder mit mehreren Paaren gleicher Wicklungen in symmetrischer Lage zum Magnet können auch als Differentialgalvanometer benutzt werden. Hierbei wirken die durch die Spulen fließenden Ströme in entgegengesetztem Sinne auf die Nadel ein und die Wirkungen heben sich gerade auf, wenn die Ströme gleich sind und die Spulen gleiche Entfernung von der Nadel besitzen. Sind die Galvanometer nur zum Gebrauch als Differentialgalvanometer benimmt, so sind die Klemmschrauben gleich so mit A und E bezeichnet, daß die Wirkungen sich aufheben, wenn die gleichen Ströme in beide Spulen bei A (Anfang) eintreten und bei E (Ende) austreten. Die Differentialgalvanometer finden bei Widerstandsmessungen Anwendung.

c) Auf elektromagnetischen Wirkungen beruhende Meßinstrumente mit festem Magneten und beweglicher Stromspule (sogenannte Spulen- oder Drehspulengalvanometer). Bei dieser Gruppe wird nicht die Ablenkung eines Magneten, sondern die Drehung einer Drahtrolle benutzt, die mit ihrer Ebene innerhalb eines künstlichen magnetischen Feldes senkrecht zur[376] Kraftlinienrichtung aufgehängt ist. Fließt ein Strom durch die Rolle, so sucht diese sich parallel zu den Kraftlinien zu stellen, wobei die Elastizität des Aufhängefadens oder einer Feder die Gegenkraft bildet.

Das erste Instrument dieser Art war das von Deprez und d'Arsonval, das in Fig. 13 dargestellt ist [2] Zwischen den aufrechtstehenden Schenkeln eines hufeisenförmigen Stahlmagneten A hängt ein mit sehr seinem Draht bewickelter rechteckiger Rahmen c aus dünnem Kupfer- oder Aluminiumblech, der einen Spiegel S trägt. Der Aufhängefaden aus hartem, dünnem Silberdraht dient zugleich als Stromzuführung; ein zweiter derartiger Draht führt von der Spule zu einer Feder f, durch welche die Spannung des Aufhängefadens reguliert werden kann. Die Wirkung wird verstärkt durch einen Hohlzylinder B aus weichem Eisen, der sich im Innern der Drahtspule befindet. Diese Galvanometer sind unabhängig von äußeren magnetischen Einflüssen und z.B. noch in der Nähe von Dynamomaschinen zu verwenden. Fig. 14 zeigt eine neuere Form dieses Instruments in der Ausführung von Siemens & Halske; an dem aus dem Magnetkörper herausgehobenen Oberteil (Fig. 15) erkennt man deutlich die Anordnung von Spule, Eisenkern und Feder.

Auf demselben Prinzip beruhen auch die Strom- und Spannungsmesser der Weston Electrical Instrument Company in Newark, deren innere Einrichtung Fig. 16 erkennen läßt. Das magnetische Feld wird durch einen permanenten Magneten erzeugt, dessen Enden mit zylindrisch ausgebohrten Polschuhen aus weichem Eisen versehen sind. In der zylindrischen Bohrung befindet lieh die Drehspule und der von ihr umschlossene Eisenkern. Um die Instrumente transportabel zu machen und ihre Verwendung am Schaltbrett zu ermöglichen, ist die Fadenaufhängung durch eine Achsenlagerung in Steinen ersetzt. An dieser Achse sitzen der Zeiger sowie die beiden Torsionsfedern aus unmagnetischem Material und die Ausbalanzierung. Die Bewegung des Zeigers ist das Ergebnis der vereinten Wirkung der beiden Felder, die der Magnet und der die Spule durchfließende Strom hervorrufen. Die Instrumente zeichnen sich durch eine sorgfältige Justierung und geringe Empfindlichkeit gegen äußere Einflüsse aus. Sie zeigen völlige Proportionalität zwischen Ausschlag und Stromstärke und gestatten bei vorzüglicher Dämpfung eine direkte Ablesung. Die Handhabung der Instrumente ist sehr bequem, und sie eignen sich auch als Kontrollapparate für die gewöhnlichen Meßinstrumente. Da sie in erster Linie dazu bestimmt waren, die unbequemen Torsionsgalvanometer zu ersetzen, so gab man ihnen dieselben elektrischen Eigenschaften Das einohmige Drehspulengalvanometer erhielt die Konstante C = 0,001 und das hundertohmige C = 0,0001. Die Skala geht von 0 bis 150°. Der Meßbereich läßt sich mit den bei den Torsionsgalvanometern erwähnten Vorschalt- und Nebenschlußwiderständen ebenso wie dort sowohl für Strom- wie für Spannungsmessungen beliebig erweitern Die Instrumente nach dem Weston-System sind sehr verbreitet und werden auch von den meisten deutschen Fabriken sowohl für wissenschaftliche als auch für technische Zwecke (Schaltbrettinstrumente u. dergl.) hergestellt.

d) Auf elektromagnetischen Wirkungen beruhende Meßinstrumente mit fester Stromspule und beweglichem Eisenkern. Bei dieser Gruppe wird ein weicher Eisenkern in ein stromdurchflossenes Solenoid eingezogen bezw. in oder vor ihm gedreht Er sucht dabei die Lage anzunehmen, in der er seiner Längsrichtung nach von einer möglichst großen Zahl von Kraftlinien durchströmt wird. Dieser Bewegung, die[377] durch einen Zeiger auf der Skala sichtbar gemacht wird, wirkt als Gegenkraft die Schwerkraft, die Elastizität eines Metalldrahtes oder einer Feder entgegen. Die Instrumente werden hauptsächlich nach folgenden Systemen gebaut.

Bei dem System Hummel ist im Innern eines Solenoids ein dünnes Eisenblech exzentrisch gelagert. Beim Durchgang des Stromes durch die Spule hat das magnetisch gewordene Eisenstück das Bestreben, sich. der Innenwand der Spule zu nähern; infolge seiner exzentrischen Lagerung dreht es sich und den daran befestigten Zeiger. Als Gegenkraft für die Wirkung des Stromes dient das Gewicht des Eisenblechs nebst Zeiger.

Bei dem Apparat von Kohlrausch dient als Eisenkern eine oben geschlossene, unten offene, dünnwandige Eisenröhre E, die an einer Neusilberfeder f befestigt ist (Fig. 17). Sobald Strom in die Spule S eintritt, wird das Eisenrohr mehr oder weniger tief in sie eingezogen und die Spannung der Feder wirkt als Gegenkraft. Das eingezogene Eisenrohr schiebt sich mit sehr kleinem Spielraum über einen Messingzylinder, wodurch eine starke Luftdämpfung erreicht wird. Ein mit dem Eisenkern verbundener Zeiger i spielt auf der am Gehäuse angebrachten vertikalen Skala.

Bei dem System Dobrowolsky (Allgemeine Elektrizitätsgesellschaft zu Berlin) ist als Eisenkern ein kleines Bündel e (s. Fig. 18) seiner Eisendrähtchen verwendet, das am Hebelarm einer zwischen Spitzen drehbaren Welle c hängt. An dieser Welle befinden sich noch die Reguliergewichte d und der Zeiger f. Mittels des Bockes b ist die Welle auf einer Spule a so gelagert, daß der Eisenkern in ihrer Oeffnung frei beweglich hängt. Durchfließt ein Strom die Spule, so wird der Eisenkern eingezogen und der Zeiger f gibt auf der Skala einen Ausschlag. Durch eine größere oder geringere Länge des Eisenkerns, durch eine mehr oder minder tiefe Anfangslage gegen die Spule sowie durch entsprechende Bewicklung der letzteren läßt sich jede gewünschte Skala herstellen.

Bei neuern Instrumenten befinden sich im Innern der Spule zwei konzentrische Zylindersegmente, ein festes und ein bewegliches, die in gleichem Sinne magnetisiert, sich gegenseitig abflößen. Während die Instrumente der Gruppen a–c nur für Gleichstrom geeignet sind, können die der Gruppe d auch bei Wechselstrom Verwendung finden, da der Einfluß der Hysteresis gering ist, wenn der Eisenkern sehr klein gehalten wird. Als Dämpfung wird bei den neueren Instrumenten vielfach Luftdämpfung angebracht. Gegen die Einwirkung starker magnetischer Felder sind sie empfindlich und dürfen deshalb nicht unmittelbar über oder neben Starkstromleitungen angebracht werden.

e) Auf elektrodynamischen Wirkungen beruhende Meßinstrumente mit fester und beweglicher Stromspule. Diese sogenannten Elektrodynamometer verwenden die Wirkung zweier Ströme aufeinander und ersetzen den Magneten oder den Eisenkern durch eine zweite Spule. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik (s.d.) ziehen zwei parallele und gleich gerichtete Ströme sich an, während entgegengesetzt gerichtete sich abflößen; gekreuzte Ströme suchen sich so zu stellen, daß die Ströme parallel und gleich gerichtet fließen.

Auf dem letzten Satze beruht das Elektrodynamometer von Siemens & Halske, das in Fig. 19 dargestellt ist. Es besitzt zwei Spulen, eine feste A und eine bewegliche W, deren Ebenen vor dem Stromdurchgange senkrecht zueinander stehen und durch die ein und derselbe Strom fließt; er tritt bei den Klemmen C₁ und C₂ ein und gelangt mittels der Quecksilbernäpfe Q₁ und Q₂, in welche die Enden der beweglichen Spule eintauchen, weiter Die Spule W ist an einem Seidenfaden aufgehängt und außerdem an einer Spiralfeder befestigt, die durch den Knopf R, an dem auch der Zeiger Z sitzt, tordiert werden kann. Die ablenkende Kraft P ist proportional dem Quadrate der Stromstärke i und ferner ist das Quadrat der Stromstärke dem abgelesenen Torsionswinkel, also die Stromstärke selbst der Quadratwurzel aus diesem Winkel proportional, i = D √α; hierin ist D eine Konstante, die ähnlich wie bei der Tangentenbussole durch Eichung bestimmt wird. Dieses Dynamometer eignet sich auch zur Messung von Wechselströmen, hat aber folgende Nachteile: Die Messungen werden sehr ungenau, sobald die Drehungswinkel nur klein sind. Ferner bildet sich auf dem Quecksilber in den beiden Näpfen bald eine Oxydschicht, welche die Drehung der beweglichen Windung hemmt. Ebenso besitzt es den Nachteil des Torsionsgalvanometers, daß die Ablesungen stets erst nach einer Drehung des Torsionskopfes gemacht werden können, also das Instrument den Stromschwankungen nicht selbsttätig folgt. Diese Uebelstände hat man bei neueren Konstruktionen, insbesondere bei den [378] direkt zeigenden Elektrodynamometern, zu beseitigen gesucht. Sie sind nach dem Konstruktionsprinzip der Weston-Galvanometer (vgl. Gruppe c) gebaut, nur daß der Hufeisenmagnet durch eine oder zwei feste Spulen ersetzt ist, in denen sich die bewegliche Spule dreht. Die Stromzuführung erfolgt durch zwei Spiralfedern, deren Spannung der Drehung entgegenwirkt Besondere Schwierigkeit macht bei diesen Instrumenten die Herstellung einer gleichmäßigen Skala, was zu besonderen Anordnungen und Formen der Spulen geführt hat [1].

Auf elektrodynamischer Wirkung beruhen auch die Stromwagen, in Form einer Wage angeordnete Elektrodynamometer, bei denen die beiden Windungssysteme parallel ineinander oder übereinander liegen und die Anziehung bezw. Abstoßung der festen und der beweglichen Spule, durch die der zu messende Strom hindurchgeht, mit Hilfe von Gewichten bestimmt wird. Solche Apparate sind von Pellat, Maxwell u.a. für absolute Messungen konstruiert worden, werden aber kaum noch benutzt. Für industrielle Zwecke brauchbare Stromwagen sind von Helmholtz und W. Thomson (Lord Kelvin) angegeben. Die von der Firma James White in Glasgow hergestellte Thomsonsche Stromwage kann zum Meilen sehr starker Ströme (bis 2500 Ampere) benutzt werden. Die beiden Enden eines Wagebalkens tragen je eine horizontale Spule a, die zwischen einem ebenfalls horizontal liegenden Spulenpaar b schwingt (Fig. 20). Der Strom durchfließt die vier festen und zwei beweglichen Spulen hintereinander und zwar so, daß die abstoßenden bezw. anziehenden Wirkungen auf beiden Enden sich addieren. Die Aufhängung des Wagebalkens wird in eigentümlicher Weise durch eine große Anzahl seiner Kupferdrähte bewirkt, die gleichzeitig den Strom zuführen. Die Operation des Stromwiegens besteht nun darin, daß die beim Durchfließen des Stromes aus ihrer Nullage abgelenkten beweglichen Spulen wieder in ihre ursprüngliche Lage durch ein von einem Normalgewicht hervorgebrachtes Drehmoment zurückgebracht werden. Um dieses Drehmoment zu erzeugen, ist mit dem Wagebalken ein paralleler, mit seiner Einteilung versehener Maßstab fest verbunden, auf dem das Normalgewicht verschiebbar ist. Da das durch die Verschiebung des Gewichtes p bewirkte Drehmoment der Gewichtsentfernung x vom Nullpunkte der Skala proportional ist und ebenso das vom Strom erzeugte elektrodynamische Drehmoment dem Quadrat der Stromstärke i, so ergibt sich i √x. Es werden fünf verschiedene Typen dieser Wage hergestellt, die den Bereich von 0,01 bis zu 2500 Ampere umfassen [1].

Man hat auch Elektrodynamometer mit Spiegelablesung konstruiert, die jedoch die große Empfindlichkeit der Spiegelgalvanometer nicht erreichen. Hierher gehören die Spiegelelektrodynamometer von Kohlrausch (Hartmann & Braun) und von Kollert. Letztere sind besonders für stärkere Ströme bestimmt und lassen auch Spannungs- und Effektmessungen zu [1].

f) Auf der Wärmewirkung des elektrischen Stromes beruhende Meßinstrumente. Nach dem Jouleschen Gesetz (s. Wärmewirkungen, elektrische) ist die in einem Leiter vom Widerstande w beim Durchfließen eines Stromes i in der Zeit t erzeugte Wärmemenge Q = 0,239 i² w t; mißt man Q mittels eines sogenannten Kalorimeters [2], so kann die Stromstärke i aus der Gleichung bestimmt werden. Diese Messung ist jedoch umständlich und nicht genau genug, weshalb man besser die Längenausdehnung mißt, die der stromdurchflossene Draht erleidet. Das erste Instrument dieser Art ist das Voltmeter von Cardew (in Fig. 21 schematisch dargestellt). Ein dünner Platinsilberdraht d von 0,064 mm Durchmesser, der an einem Ende (bei A) befestigt ist, führt über eine Rolle R₁ und endet unten bei B. Der Strom tritt bei B ein und bei A durch einen Zusatzwiderstand W aus. Das Ende B ist mit einem Faden verbunden, der um die Rolle R führt und durch die Feder F gespannt erhalten wird. Dehnt sich der Draht aus, so wird diese Rolle und der mit ihr verbundene Zeiger Z gedreht und so auf der durch Eichung hergestellten Skala die Spannung angezeigt.

Eine bequemere Form besitzt das Hitzdrahtvoltmeter von Hartmann & Braun. Ein Platinsilberdraht d von 0,06 mm Durchmesser und ca. 16 cm Länge ist an beiden Enden fest eingeklemmt (Fig. 22). Ungefähr in dessen Mitte ist ein etwa 10 cm langer Messingdraht m von 0,05mm Durchmesser befestigt, dessen andres Ende ebenfalls fest ist. Von der Mitte dieses zweiten Drahtes führt ein Kokonfaden c um den Umfang einer kleinen Rolle zu einer Plattfeder p, durch welche die Drähte stets gespannt erhalten werden. Verbindet man die Klemmen des Instrumentes mit den beiden Punkten, deren Spannung gemessen werden soll, so fließt ein Strom durch den Platinsilberdraht, durch den dieser erwärmt und ausgedehnt wird. Die Verlängerung dieses Drahtes hat eine Durchbiegung der beiden Drähte d und m zur Folge, und dabei wird die obenerwähnte kleine Rolle gedreht. Auf ihrer Achse, die sich mit Spitzen auf Steinen bewegt, ist ein Zeiger befestigt, der nun auf der durch Eichung gefundenen Skala die Spannung anzeigt. Um das Instrument von der Außentemperatur unabhängig zu machen, ist die Platte, auf welcher der Draht d ausgespannt ist, nach[379] dem Prinzip der Kompensationspendel aus zwei Metallen (Messing und Eisen) zusammengesetzt, so daß der gemeinsame Ausdehnungskoeffizient gleich dem des Platinsilberdrahtes ist. Die Schraube s dient zur Einstellung des Zeigers auf den Nullpunkt der Skala; auf die Eichung hat eine solche Einstellung keinen Einfluß. Auf der Achse des Zeigers ist noch eine Aluminiumscheibe befestigt, die sich zwischen den Polen eines kräftigen Stahlmagneten bewegt, wodurch eine aperiodische Dämpfung erreicht wird (elektromagnetische Dämpfung oder Wirbelstromdämpfung wie bei den Spiegelgalvanometern). Diese Instrumente sind für Strom- und Spannungsmessungen, sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom verwendbar und völlig unempfindlich gegen äußere magnetische Einflüsse.

g) Auf den Wirkungen der stätischen Elektrizität beruhende Meßinstrumente. Bei den Instrumenten dieser Gruppe kommen die Kräfte zur Geltung, welche von ruhenden Elektrizitätsmengen (s. Elektrizität) ausgeübt werden. Sie führen den Namen Elektrometer und dienen zum Messen von Potentialen und Potentialdifferenzen. Zu letzterem Zwecke finden sie besonders dann Verwendung, wenn es sich um hohe Potentiale handelt, oder auch dann, wenn die zu messenden Potentiale durch das Meßinstrument keine Aenderung erleiden sollen. Sie beruhen auf dem Prinzip der Anziehung und Abstoßung leichtbeweglicher Körper durch freie Elektrizität, und es stellt das sogenannte Elektroskop, wenn es mit einem Gradbogen versehen ist (Fig. 23), den einfachsten dieser Apparate vor, indem man aus der Divergenz der Goldblättchen auf die Größe der Potentialdifferenz schließen kann.

Das Quadrantenelektrometer von W. Thomson (Lord Kelvin) besitzt vier isolierte Quadranten, die entweder scheibenförmig oder als Sektoren eines flachen, zylindrischen Gefäßes angeordnet sind. Je zwei diametral gegenüberliegende Quadranten sind miteinander und mit einer der beiden Klemmschrauben leitend verbunden. Oberhalb der scheibenförmigen oder innerhalb der zylindrischen Quadranten schwebt eine leichte Aluminiumnadel in der Form einer 8 (Biskuit genannt), die meist bifilar aufgehängt, von den Quadranten isoliert und durch einen Platindraht mit einem Gefäß verbunden ist, das auf dem Boden des Elektrometers steht und 60 prozentige Schwefelsäure enthält. Der Platindraht trägt unten zur Dämpfung ein kleines Plättchen, welches in die Schwefelsäure eintaucht. Aus diesem Gefäß führt eine Leitung zur dritten Klemme. Das Elektrometer ist für Spiegelablesung eingerichtet. Die Messungen erfolgen bei entsprechender Schaltung von Quadranten und Nadel (Quadranten- Nadel- und idiostatische Schaltung s. in [1], [3]). Die Ladung wird der Nadel durch die Schwefelsäure oder durch den metallisierten Aufhängefaden zugeführt.

Für die Praxis wichtig sind die elektrostatischen Voltmeter, die auf dem gleichen Prinzip beruhen und für Gleich- und Wechselstrom benutzt werden können. Sie bestehen aus einem festen und einem beweglichen Plattensystem, die, beide voneinander isoliert, die Pole des Instruments bilden. Das bewegliche System ist meist in Spitzen gelagert, durch die auch die Ladung der Platten erfolgt, und mit ihm ist ein Zeiger verbunden, der sich vor einer empirisch gefundenen Skala bewegt. Der Verwendungsbereich geht bis 20000 Volt.

Für niedere Spannungen (bis 1000 Volt) ist das Multizellularvoltmeter (nach Lord Kelvin) in Gebrauch. Zwei einander gegenüber angeordnete Reihen von Metallzeiten wirken drehend auf ein System, welches aus einer entsprechenden Anzahl übereinander liegender, leichter Aluminiumflügel besteht und an einem dünnen Metallband aufgehängt ist. Ein Paar diametral fest angebrachter und von den festen Zellen isolierter Metallplatten dienen als Schirm für das in der Ruhelage befindliche bewegliche System, mit dem sie leitend verbunden sind, und erhöhen die Anfangsempfindlichkeit. Die Anwendung des Multizellularprinzips macht die Instrumente so empfindlich, daß sie auch für die Messungen niedriger Spannungen, etwa 60 Volt, verwendet werden können.

h) Wattmeter. Die eingangs erwähnte Sondergruppe von Meßinstrumenten, die auf gleichzeitiger Strom- und Spannungsmessung beruhen, mißt den Effekt, die Leistung eines elektrischen Stromes. Bei ihnen ist das Prinzip des Elektrodynamometers (vgl. Gruppe e) verwendet, indem die eine Spule, und zwar meist die feste, wie ein Strommesser in den Hauptstromkreis, die dünndrähtige bewegliche Spule wie ein Spannungsmesser in den Nebenschluß eingeschaltet ist. Es ist dann J E = C w α. Hierin bedeuten J die Hauptstromstärke, E die Spannung, w den Widerstand der beweglichen (Nebenschluß-) Spule, α den Torsionswinkel, C die durch Eichung zu bestimmende Konstante des Instrumentes. Die Einheit des Effektes ist das Voltampere oder Watt; man nennt daher diese Instrumente, welche den Effekt messen, Wattmeter oder, da der Effekt, multipliziert mit der Zeit, die Arbeit ergibt, auch Arbeitsdynamometer. Sie gleichen in ihrem Aufbau vollkommen den Torsionselektrodynamometern von Siemens & Halske (Fig. 11). Die Torsionswattmeter haben die gleichen Unbequemlichkeiten und Nachteile wie die Torsionsdynamometer. Es lag daher nahe, das Drehspulprinzip auch zur Konstruktion direkt zeigender Wattmeter zu verwenden. Dies ist bei den neueren Instrumenten zur Ausführung gekommen und es sind dabei durch geeignete Form der Spulen nahezu gleichmäßige Skalen erreicht worden. Das Wattmeter ist im Prinzip ebensogut für Wechselstrom wie für Gleichstrom zu verwenden, und es gilt für beide Stromarten die gleiche Konstante; es kann also auch für Wechselstrommessungen mit Gleichstrom geeicht werden. Bei Wechselstrommessungen können aber Ungenauigkeiten dadurch entstehen, daß in der Spannungsspule eine Selbstinduktion auftritt, die eine Phasenverschiebung bewirkt. Der Einfluß der Selbstinduktion ist jedoch um so geringer, je größer der induktionsfreie Vorschaltwiderstand im Verhältnis zum Spulenwiderstand ist, und kann meist vernachlässigt werden.[380]

Literatur: [1] Heinke, Handbuch der Elektrotechnik, Bd. 2, Leipzig 1905. – [2] Holzt, Schule des Elektrotechnikers, Leipzig 1907. – [3] Strecker, Hilfsbuch für die Elektrotechnik, Berlin 1907. – [4] Elektrotechnische Zeitschrift.

Holzt.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10.

Fig. 11.

Fig. 12.

Fig. 13.

Fig. 14., Fig. 15.

Fig. 16.

Fig. 17.

Fig. 18.

Fig. 19.

Fig. 20.

Fig. 21.

Fig. 22.

Fig. 23.