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Elektromagnetismus

[623] Elektromagnetismus, umfaßt die Gesammtheit der Erscheinungen, welche auf einer Wechselwirkung zwischen Elektricität u. Magnetismus beruhen. Schon lange hatte man vergeblich nach einer solchen Wechselwirkung gesucht; doch wie große Massen ruhender Elektricität man auch großen Massen von Magnetismus näherte, so konnte man doch keine Spur entdecken. Ruhende Elektricität in beliebiger Anhäufung u. Vertheilung übt auf ruhenden Magnetismus in beliebiger Anhäufung u. Vertheilung keine Wirkung. Erst Örsteds Entdeckung (1820) verbreitete Licht über die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Führt man den Verbindungsdraht einer galvanischen Säule in der durch eine magnetische Declinationsnadel gelegten Verticalebene oberhalb der Magnetnadel hin, so daß der positive Strom von Süden nach Norden gerichtet ist, so erfolgt eine Ablenkung der Magnetnadel mit dem Nordpol nach West. Daß wirklich die ganze Wirkung in die horizontale Ebene fällt u. nicht etwa ein in der verticalen Ebene vorhandener Theil dadurch der Beobachtung entgeht, weil sich die Nadel nicht vertical bewegen kann, sieht man daraus, daß, wenn man den stromführenden Draht mit der Declinationsnadel in eine horizontale Ebene bringt, durchaus keine Ablenkung wahrgenommen wird. Hiernach ist die elektromagnetische Kraft keine Anziehungs- od. Abstoßungskraft, sondern eine sogenannte transversale Kraft, d.h. eine solche, die sich nicht in der Richtung der Verbindungslinie zwischen dem magnetischen u. dem elektrischen Stromelement, sondern senkrecht auf derselben äußert, dergleichen Kräfte sonst nirgends in der Natur gefunden werden. Die Richtung der Kraft definirt man am bündigsten so, daß für eine mit dem elektrischen Strome im Drahte schwimmende Person, welche der Magnetnadel zugewendet ist, der Nordpol (d.i. das nach Norden zeigende Ende) nach der Linken gestoßen wird. Führt man daher den Schließungsdraht einer Kette ringförmig in der Verticalebene um eine Declinationsnadel herum, so geht zwar der Theil unterhalb der Nadel nach entgegengesetzter Richtung als der obere, doch muß die mitschwimmende Person unten auch auf dem Rücken schwimmen, um den Magneten anzusehen, daher der obere u. untere Theil des Stromes in gleichem Sinne wirken, womit sich auch noch die vertical auf- u. abwärts gerichteten Theile des Ringes vereinigen. Die elektromagnetische Wirkung wird folglich verstärkt, wenn man den stromführenden Draht nicht blos einmal an die Nadel vorüber, sondern in vielen Windungen in verticaler Ebene um sie herumführt. Ein solches von Poggendorf u. Schweigger gleichzeitig erfundenes Instrument heißt ein Multiplicator. Der elektrische Strom wirkt aber nicht allein richtend auf die Magnetnadel, er vermag dieselbe auch, wenn ihr Schwerpunkt beweglich ist, als Ganzes zu bewegen. Umschließt man einen Magnetstab mit einer vertical aufgefteten Glasröhre, in der sich der Magnet, dessen Südpol nach oben gerichtet ist, bequem auf u. nieder bewegen[623] kann, u. umwindet man den Glascylinder oberhalb der Mitte des Magnetstabes mit einem stromführenden Leiter, so daß die Windungen von oben gesehen von links nach rechts, also von unten gesehen von rechts nach links gehen, so wird der Strom nach der oben gegebenen Regel den Südpol nach oben, den Nordpol nach unten zu bewegen suchen. Doch herrscht die Wirkung auf den näheren Südpol vor, u. es wird daher der Magnetstab so hoch gehoben, bis er gegen die Windungen symmetrisch liegt. Es erscheint hiernach ein mit dem Zeiger einer Uhr in gleicher Richtung fließender Strom wie ein magnetischer Südpol, ein entgegengesetzter wie ein Nordpol. Diese elektromagnetische Wirkung ist zwischen der Magnetnadel u. dem Schließungsdrahte reciprok in der Weise, daß wenn der Magnet fest, der stromführende Ring aber beweglich ist, sich letzter so richtet, bis er gegen den Magneten eine solche Lage hat, in welche er als unbeweglicher Ring den beweglichen Magneten versetzt haben würde. Ein solcher fester Magnet ist nun unsere Erde, u. hängt man daher einen stromführenden Multiplicatorring drehbar auf, so richtet er sich so, daß seine Achse in die Richtung des magnetischen Meridians fällt u. der positive Strom von Nord aus gesehen einen der Bewegung eines Uhrzeigers entgegengesetzten Sinn der Bewegung hat, also im unteren Theile des Ringes von Ost nach West läuft. Zur Ausführung dieses Versuchs ist das Ampèresche Gestell sehr bequem. Von einem hölzernen Fußgestell aus erheben sich isolirt von einander, aber nahe neben einander zwei messingene Säulchen, welche sich in einiger Höhe in horizontale Arme umbiegen, die zwei Quecksilbernäpfchen tragen. Ein Ring von Kupferdraht, dessen Enden, wo sie zusammenstoßen, durch Seide isolirt sind, endigt in zwei Spitzen, die man in die Quecksilbernäpfchen tauchen kann. Führt man nun zu den beiden Messingsäulen die Poldrähte einer galvanischen Batterie, so durchläuft der Strom den auf seinen Spitzen beweglichen Ring, welcher nun durch den Erdmagnetismus od. einen anderen genährten Magneten gerichtet wird. Auch kann man statt eines einfachen Ringes eine längere Spirale, ein sogenanntes Solenoid, in die Quecksilbernäpfchen einhängen, welches eine mit einer frei beweglichen Magnetnadel gleiche Richtung annimmt. Auf demselben Princip beruht Faradays rotirender Strom um einen Magnetpol. Ein durch zwei concentrische Zinkcylinder u. eine Bodenfläche gebildetes ringförmiges Gefäß, das an seiner inneren Wand nach oben einen Bügel mit einem Quecksilbernäpfchen trägt, läßt sich über einen Magnetpol schieben. Das Zinkgefäß enthält verdünnte Schwefelsäure, u. in diese taucht ein Kupferstreifen, der nach oben einen Bügel trägt, welcher mittelst einer Spitze in das Quecksilbernäpfchen führt. Nun entsteht ein galvanischer Strom vom Zink durch die Flüssigkeit zum Kupfer im Kupferbügel aufwärts, u. in Folge dessen muß nach obigem elektromagnetischen Gesetz der Kupferbügel um den constanten Magnetpol rotiren. Die elektromagnetische Wirkung, die sich bei Stahlmagneten, deren Coërcitivkraft die freie Bewegung des Magnetismus in ihrem Inneren hindert, in Bewegung derponderabeln Massentheile äußert, besteht da, wo die Coërcitivkraft fehlt, also im weichen Eisen, in einer Bewegung des Magnetismus, unabhängig von der Masse; ein um einen weichen Eisenstab geführter isolirter Schließungsdraht einer galvanischen Kette stößt den Nordmagnetismus nach dem einen, den Südmagnetismus nach dem anderen Ende, verwandelt also das Eisen in einen Elektromagneten. Dabei ist die Stärke der Magnetisirung der Intensität des Stromes, u. wenn mehrere Windungen, die alle von gleichen Strömen durchflossen werden, um den Eisenstab geführt sind, der Zahl der Windungen proportional, mögen diese nun Kreise von größerem od. kleinerem Halbmesser beschreiben (nur in der Nähe des Endes des Stabes verringert sich die Wirksamkeit der Windungen einigermaßen bei Vergrößerung der Weite), mögen sie aus dickem od. dünnem Drahte bestehen. Man verstärkt demnach die Magnetisirung im Allgemeinen, wenn man den Schließungsdraht in vielen cylindrisch neben einander u. concentrisch über einander liegenden Windungen um den Eisenstab wickelt. Doch erreicht man bei einem gewissen Punkte eine Grenze, da bei gesteigerter Weite der Drahtwindungen endlich die Vermehrung des Widerstandes u. die Schwächung des Stromes durch den Draht in größerem Verhältniß zunimmt, als die Vermehrung der Magnetisirung, soweit sie der Zahl der Windungen proportional geht. Auch muß sich nach Beschaffenheit der galvanischen Kette die Beschaffenheit des Leitungsdrahtes richten, od. umgekehrt. Da nämlich dann die größte Wirkung erzielt wird, wenn der Widerstand in der galvanischen Kette dem Wider stande im Schließungsdrahte gleich ist, so wird man bei einer galvanischen Kette, die eine bedeutende Spannung, aber auch bedeutenden Widerstand hat, den Eisenstab mit dünnem Drahte umwickeln, von welchem viele Windungen neben einander Platz haben. Hat aber die Kette geringen Widerstand in sich, so wird man auch am vortheilhaftesten starken Draht zur Schließung anwenden, wenn auch davon weniger Windungen Raum finden. Die magnetisirende Eigenschaft des elektrischen Stromes gestattet kräftige Magnete von den mannigfaltigsten Formen darzustellen, was bei Stahlmagneten kaum möglich sein würde, u. darin liegt eine große Bequemlichkeit ihres Gebrauches. Folgende Anwendung auf die Eisenbahn hat W. Weber vorgeschlagen: Bildet man in dem eisernen Radkranze der Locomotivenräder drei Furchen u. führt in diesen einen Metalldraht um das Rad, so daß die Art der Umwickelung bei der mittelsten Furche den beiden äußeren gerade entgegengesetzt ist, so wird ein durch den Draht geführter Strom das Eisen so magnetisiren, daß die beiden Ränder des Rades wie entgegengesetzte Pole eines Hufeisenmagnetes sind, dessen mittlere indifferente Zone im Innern des Rades liegt. Den Anker für diesen Hufeisenmagnet bildet die Eisenschiene. Es wird mithin hierdurch eine sehr große Friction hervorgebracht, die für den Dampfwagen sehr wichtig ist. Denn da die Kraft des Dampfes nicht unmittelbar auf den Zug, sondern nur auf das Drehen der Räder verwandt ist, so werden diese, wie es namentlich bei Steigungen der Bahn der Fall ist, gleiten u. sich drehen, ohne den Wagen fort zu bewegen, wenn es nicht die Reibung verhindert. Die Magnetisirung der Räder wird daher die Reibung ersetzen, die man sonst nur durch Vermehrung des Gewichtes der Locomotiven erreichen kann, u. man hat hier noch den Vortheil, die Wirkung nach Belieben unterbrechen zu können. Die Ausführung des Vorschlages scheint bis jetzt noch in der dadurch[624] geschmälerten Festigkeit der Radkränze Hinderniß gefunden zu haben. Die glänzendste Anwendung für das praktische Leben hat der E. durch die Elektromagnetische Telegraphie gefunden; dieselbe beruht darauf, daß der auf der ersten Station erregte u. in einem gewissen Moment durch die Drahtleitung nach der zweiten Station fortgepflanzte Strom auf der letzteren die Windungen eines Multiplicators durchläuft u. dabei entweder je nach seiner Richtung eine Magnetnadel nach rechts od. links ablenkt, od. einen weichen Eisenkern magnetisch macht. Im ersteren Fall dienen die Ausschläge der Nadel als Zeichen für die Buchstaben, im letzteren muß der Elektromagnet einen Anker bewegen u. mittelst dessen die Zeichen hervorbringen; das Nähere hierüber s.u. Telegraphie. Weniger glücklich sind die Bemühungen gewesen, den E. als Triebkraft zu benutzen. Zuerst Dal Negro in Padua, später Jacobi, Stöhrer, Wagner in Deutschland u. Page in Washington haben sich vielfach damit beschäftigt. Von dem Princip, welches die meisten ihren Versuchen zu Grunde legten, gibt Ritchies rotirender Elektromagnet eine anschauliche Vorstellung. Ein hufeisenförmiger Stahlmagnet hat seine beiden Pole nach oben gekehrt; über ihm schwebt, um eine verticale Achse drehbar, ein hufeisenförmiger Elektromagnet, dessen Pole bei der Drehung genau über die Pole des ersteren zu stehen kommen. Die Enden der Drahtspirale des Elektromagneten schleifen als Federn über den von einander isolirten Hälften einer Messingscheibe, zu welchen die Poldrähte der galvanischen Batterie führen. Im Augenblick der Schließung der Kette wird der Elektromagnet magnetisirt u. er dreht sich soweit, bis seine Pole über die entgegengesetzten des Stahlmagneten zu stehen kommen. In diesem Moment aber gelangt jede der beiden schleifenden Federn auf die entgegengesetzte Halbscheibe, der Elektromagnet wird im entgegengesetzten Sinne magnetisirt, er bewegt sich wieder um einen halben Kreis u. s. s. Jacobi brachte es durch Anverwendung von 4 Stahlmagneten u. 4 Elektromagneten 1839 zu einer Elektromagnetischen Maschine von ³/₄ bis 1 Pferdekraft, welche ein Boot auf der Newa trieb, u. Stöhrers Apparat lieferte noch günstigere Resultate, als alle früheren; allein bisher hat sich diese Triebkraft immer noch viel zu kostspielig herausgestellt, um eine technische Anwendung von ihr möglich zu machen. Zur Erklärung des seinen Thatsachen nach sicher stehenden C. hat man verschiedene Wege eingeschlagen. Biot u. Pouillet faßten denselben nur als Thatsache auf u. beschränkten sich darauf, aus den Erscheinungen die Größe u. Richtung der elementaren, zwischen den magnetischen u. elektrischen Fluidis wirkenden Kräfte zu erschließen, um daraus wieder zusammengesetztere Erscheinungen abzuleiten. Andere versuchten einen reellen Zusammenhang zwischen Magnetismus u. Elektricität in der Theorie zu begründen. Arsted nimmt an, daß der elektrische Strom in einer spindelförmigen Bewegung der magnetischen Fluida im Schließungsdrahte bestehe; Ampère dagegen, daß der Magnetismus auf dem Vorhandensein elektrischer Ströme im Innern der Körper beruhe. Die Ampèrsche Hypothese hat den meisten Beifall gefunden; sie besteht davon, daß die Molecule des Stahls od. Eisens von elektrischen Strömen umkreist werden, welche im gewöhnlichen Zustande desselben alle möglichen Richtungen haben, so daß sich die Wirkungen der einzelnen unter einander aufheben. Die Wirkung der im Eisen od. Stahl Magnetismus erzeugenden Kraft beruht nun blos darin, daß durch sie jene Molecularströme nach dem für gewöhnliche, durch Metalldrähte geleitete, galvanische Ströme erwiesenen elektrodynamischen Grundgesetze gerichtet werden. Im Eisen nehmen die Ströme nach Verschwinden der richtenden Kraft wieder die mannigfaltigsten Richtungen an, u. es verschwindet somit der Magnetismus. Die Coërcitivkraft des Stahls aber besteht darin, daß die Ströme erstlich der richtenden Kraft schwerer folgen, dann aber auch ihre Richtung nicht wieder verlieren, bevor nicht eine ähnliche, aber entgegengesetzte Kraft auf sie wirkt, als die erste. Außerdem, daß durch die Ampèresche Hypothese die Annahme besonderer magnetischer Fluida überflüssig wird, führt sie noch zu dem wichtigen Resultate, daß durch sie die sonst nirgends in der Natur vorkommenden Transversalkräfte, welche die Biotsche Theorie zu Grunde legt, umgangen werden, indem das Gesetz der Elektrodynamik bloße Anziehungs- u. Abstoßungskräfte kennt. Vgl. Ampère, Théorie des phénomènes électro-dynamiques déduite de l'expérience, Par. 1826; Recueil d'observations électrodyn. etc., 1822; Nobili, Questioni sul magnetismo, Modena 1838; Demondferrant, Manuel d'électricité dyn., Par. 1823 (deutsch von Fechner 1824); Jacobi, Mémoire sur l'application de l'électromagnétisme au mouvement des machines, Potsd. 1835; Gerke, Der E. als Maschinentriebkraft, Hamb. 1857.