Elektromagnetische Induktion

Elektrizitätslehre

Elektromagnetische Induktion

  • Wie funktioniert ein Elektromotor?
  • Wie erzeugt ein Dynamo elektrischen Strom?
  • Was bewirkt eine Spule?

Michael FARADAY (1791 - 1867)

Michael FARADAY (1791 - 1867); von Thomas Phillips (Thomas Phillips, 1842) [Public domain], via Wikimedia Commons

Michael FARADAY wurde am 22.September 1791 in Newington Butts geboren und starb am 25.August 1867 in London.

Dem Autodidakten erfüllte sich nach dem Besuch der Abendvorlesungen von Humphry DAVY in der Royal Institution der Wunsch als Wissenschaftler zu arbeiten: Im Februar 1813 wurde FARADAY ebendort Laborgehilfe. Bald rückte er in eine bessere Position auf. DAVY war häufig abwesend, und so kümmerte sich FARADAY um die Vorträge der Gastdozenten und bereitete die Demonstrationsversuche vor. 1816 publizierte er seine erste wissenschaftliche Arbeit über die chemische Analyse eines Ätzkalks. 1823 stellte er Chlor in flüssiger Form dar; 1824 fand er bei der Destillation fetter Öle das Benzol und das Butylen. Zu den chemischen Arbeiten kamen technisch-physikalische: 1820 bis 1822 beschäftigte er sich mit der Herstellung rostfreier Stahlsorten, von 1825 bis 1829 mit der von Gläsern mit bestimmten optischen Eigenschaften.

Nach der Entdeckung des Elektromagnetismus durch Hans Christian OERSTEDT wiederholten DAVY und FARADAY die Versuche, wobei sie zunächst noch der irrigen Auffassung waren, es handle sich bei der Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und Magnetnadel um die konventionell, in der Physik bekannten Kräfte, die in Richtung der Verbindungsgeraden liegen. Im August 1821 korrigierte sich FARADAY und konstruierte am 4. September eine Vorrichtung, aus der ganz klar hervorging, dass die Kräfte senkrecht auf der Verbindungslinie stehen. Ein elektrischer Leiter rotiert dabei um einen festgehaltenen Magneten; ebenso rotiert auch umgekehrt ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter. Damit hatte er zum ersten Mal einen Elektromotor konstruiert, wenn auch nur in allereinfachster Form. FARADAY strebte nun danach, auch den gewissermaßen umgekehrten Effekt aufzufinden: eine elektrische Wirkung des Magneten. In seinem Notizbuch findet sich schon 1822 die bemerkenswerte Eintragung:

"Convert magnetism into electricity"

In den folgenden Jahren war es für FARADAY ein wichtiges Ziel, diese 'Verwandlung' wirklich zu erreichen. Prinzipiell geeignete Versuchsanordnungen hatte er, wie das Labortagebuch zeigt, bereits 1825 und 1828 aufgebaut, aber die Messempfindlichkeit war zu gering. Endlich entdeckte er am 29. August 1831 mit einer Anordnung, die wir heute einfach als Transformator bezeichnen, den langgesuchten Effekt der elektromagnetischen Induktion. In den folgenden Monaten wurde der Effekt nach allen Richtungen erforscht.

Da FARADAY keinerlei mathematische Kenntnisse besaß, zog er als anschauliches Hilfsmittel zur Beschreibung der Versuchsergebnisse die magnetischen Kraftlinien heran. Die Richtung des Induktionsstromes wird dann nach FARADAY dadurch bestimmt, in welcher Weise die vom Nordpol zum Südpol verlaufenden Kraftlinien durch den Draht 'geschnitten' werden. Obwohl sie zunächst nur eine Veranschaulichung waren, um Versuchsergebnisse bequem ausdrücken zu können, wurde FARADAY doch überzeugt, dass die den Raum durchziehenden Kraftlinien doch physikalische Realität besitzen. So prägte er - langsam tastend, aber doch konsequent Schritt für Schritt - gegen den Widerstand der meisten Fachkollegen den Begriff des magnetischen und elektrischen Kraftfeldes.

Mit den wissenschaftlichen Erfolgen änderte sich auch die äußere Stellung. FARADAY wurde 1824 Mitglied der Royal Society, 1825 Direktor der Royal Institution und nach und nach Ehrenmitglied von insgesamt 92 wissenschaftlichen Gesellschaften und Akademien.

FARADAY stand, im Gegensatz zur überwiegenden Mehrheit seiner Kollegen, auf dem Boden des Dynamismus. Er betrachtete also als primäre Gegebenheiten in der Natur die 'Kräfte' (gemeint sind 'Energien') und glaubte sicher an die gegenseitige Umwandelbarkeit von Magnetismus, Elektrizität, Licht, Wärme, Galvanismus usw.. Diese Auffassung hatte ihn schon folgerichtig zur Entdeckung der elektromagnetischen Induktion geführt; sie prägte auch seine Gedanken bei der Interpretation der elektrolytischen Versuche, die schließlich in den FARADAY'schen Gesetzen mündete, leitete ihn aber schließlich ebenso 1845 zur Auffindung des FARADAY-Effektes und bei der Erforschung des Magnetismus.

FARADAY sprach deutlich von den verschiedenen Erscheinungsformen oder Ausprägungen der Naturkräfte ("conditions of force") und der Umwandlung von einer Naturkraft in die andere. Diese Überzeugung durchzieht sein ganzes Lebenswerk. So formulierte er schon 1839 - Jahre vor der Aufstellung des Energieprinzips von Julius Robert MAYER u.a. - ein 'energetisches' Argument gegen einen von VOLTA ersonnenen Mechanismus, der das Zustandekommen der elektrolytischen Spannung durch den bloßen Kontakt von Metallen ohne chemische Veränderung erklären sollte.

"Das würde in der Tat eine Schöpfung von Kraft sein...Allein niemals...findet eine Schöpfung von Kraft statt, eine Erzeugung von Kraft, ohne eine entsprechende Erschöpfung von etwas, ihr Nahrung gebendes."

Nach der Entdeckung der Spektralanalyse durch KIRCHHOFF und BUNSEN suchte FARADAY Anfang 1862, seiner Grundüberzeugung vom inneren Zusammenhang aller Naturkräfte getreu, eine Beeinflussung der Spektrallinien durch das magnetische Feld aufzufinden. Ein Erfolg blieb ihm versagt. Wir wissen heute, dass lediglich das Auflösungsvermögen des von FARADAY benutzten 'Steinheilschen Spektrometers' ungenügend gewesen war. Seit etwa 1849 versuchte FARADAY ebenso eine Umwandlung der Gravitation in andere Kräfte hervorzubringen, aber diese Bemühungen waren ebenso erfolglos wie fast 100 Jahre später die theoretischen Ansätze EINSTEINs, Gravitation und Elektrodynamik in einer Theorie zusammenzufassen. Resignierend schrieb FARADAY:

"Hier enden für jetzt meine Versuche, ihre Resultate sind negativ. Sie erschüttern aber das starke Gefühl in mir nicht, dass eine Beziehung zwischen Schwerkraft und Elektrizität vorhanden ist, obgleich die Experimente bis jetzt nicht bewiesen haben, dass es so ist."

Werner von SIEMENS (1816 - 1892)

Werner von SIEMENS
(1816 - 1892)
von Giacomo Brogi [Public domain], via Wikimedia Commons

Werner von SIEMENS wurde 1816 in der Nähe von Hannover geboren. Er besuchte in Lübeck das Gymnasium, brach den Schulbesuch aber vorzeitig ab.
Im Jahr 1834 zog er nach Berlin um Offiziersanwärter in der Artillerie der preuβischen Armee zu werden. Siemens erhielt die Möglichkeit, drei Jahre an der Berliner Ingenieur- und Artillerieschule Mathematik, Chemie, Physik und Ballistik zu studieren.

1846 erfand er den Zeigertelegraphen. Mit ihm konnte eine Nachricht Buchstabe für Buchstabe über große Entfernungen übermittelt werden.

1847 gründete Werner von Siemens mit dem Universitätsmechaniker J.G. Halske das Unternehmen "Telegraphen-Bauanstalt Siemens & Halske". Es war der Grundstein zu dem späteren Weltkonzern Siemens. Es setzte nun eine rasante Aufwärtsentwicklung ein, die nicht nur durch den genialen Erfinder, sondern auch durch den weitsichtigen Geschäftsmann Werner von Siemens geprägt war.

  • Im Jahre 1848 bekommt die junge Firma den Auftrag eine 500km lange Telegrafenleitung zwischen Frankfurt und Berlin zu bauen.
  • Es folgen weitere Großaufträge für das russische Ferntelegrafennetz (1855) und für die indo-europäische Telegrafenlinie von London nach Kalkutta (1870).
  • Für die Überbrückung von Meeresstrecken entwickelt Siemens Tiefseekabel und lässt diese mit einem eigens dafür gebauten Schiff verlegen.

Neben diesen Großprojekten findet Siemens aber immer noch Zeit für die Verbesserung wichtiger Details:

  • Für einen Eisenbahntelegrafen entwickelt er 1856 den ersten Doppel-T-Anker, der zu einer wesentlichen Verbesserung der zu dieser Zeit entwickelten Generatoren und Elektromotoren führte.
  • Die wichtigste Erfindung des Werner von Siemens dürfte wohl der Generator mit Selbsterregung sein, der nach dem dynamoelektrischen Prinzip arbeitet (1866). Diese Erfindung leitete den weltweiten Siegeszug der Elektrotechnik ein.
In der nächsten Zeit folgte die Entwicklung von elektrifizierten Fortbewegungsmitteln wie die erste elektrische Eisenbahn (1879) und die erste elektrische Straßenbahn (1881)
Damit die Elektrifizierung vorangetrieben wird, lässt Siemens Kabelwerke und auch die ersten Elektrizitätswerke in Deutschland errichten. Im Jahre 1890 gibt Werner von Siemens die Firmenleitung ab.
 

Eine sehr schöne Seite über das Leben und die Leistungen von Siemens findet man auf einer Seite des Siemenshauses unter der Adresse: http://www.siemenshaus.de/werner-von-siemens/ .

Nicola TESLA (1856 - 1943)

Nicola TESLA (1856 - 1943)
von Napoleon Sarony [Public domain], via Wikimedia Commons

Nicola TESLA wurde in der Nähe von Gospic (Kroatien) von serbischstämmigen Eltern geboren. Nach dem Besuch der Gymnasien in Gospic und Karlovac studierte er in Graz, Prag und Budapest.
Er war einer der Ideengeber zur Energieübertragung durch Wechselstrom und dessen Nutzung mit geeigneten Generatoren und Elektromotoren. 1882 zog Tesla nach Paris und arbeitete dort für ein Tochterunternehmen von Thomas Edison. 1884 siedelte er nach New York City über und arbeitete dort zunächst auch für Edison.
1885 verkaufte er sämtliche Patentrechte seines Wechselstromgenerators an George Westinghouse, worauf ein erbitterter Konkurrenzkampf zwischen Edisons Gleichstromsystemen und Tesla-Westinghouses Wechselstromsystemen entstand, das letztendlich wegen der besseren Fernübertragung elektrischer Energie durch Wechselstrom zu dessen Durchsetzung führte. Der Dissens zwischen Edison und Westinghouse /Tesla wurde mit großer Härte und persönlichen Verunglimpfungen öffentlich geführt.
Später experimentierte Tesla mit verschiedenen Beleuchtungssystemen, dem Tesla-Transformator zur Erzeugung von hochfrequentem Wechselstrom, mit kabelloser Informationsübertragung, dem ersten Radiosender im Wardenclyffe Tower und der ersten Fernsteuerung der Welt. Allein in USA hatte Tesla 112 Patente bis zu seinem Tode angemeldet und gilt als einer der innovativsten aber auch oft etwas mysteriösen Erfinder seiner Zeit. Was auch heute immer wieder zu Spekulationen bis hin ins esoterische Anlaß gibt.
Er starb im Januar 1943 in New York. Seine Urne befindet sich im Nikola-Tesla-Museum in Belgrad.

Tesla, Einheit
Einheitenzeichen: T,
Einheit der magnetischen Flussdichte: 1T = 1Vs/m²

Pixii-Generator

Nachdem Faraday seine Erkenntnisse über die elektromagnetische Induktion im Jahre 1831 veröffentlicht hatte, gelang es dem jungen französischen Mechaniker Hippolyte Pixii im Jahre 1832 den ersten funktionierenden Generator zu bauen. Er stellt den Urtyp aller heutigen Generatoren dar.

Die erste Maschine, die Pixii baute bestand aus einem drehbar gelagerten Hufeisenmagneten, der über zwei Zahnräder in Rotation versetzt werden konnte. Pixii stellte immer dann, wenn der Nord- oder Südpol des Magneten an der Spule mit Eisenkern (oben) vorbeistrich, einen kurzen Stromimpuls fest. Dabei hing die Stromrichtung von der Art des vorbeistreichenden Pols ab.

Auf Vorschlag von Ampere konstruierte Pixii im gleichen Jahr noch eine Maschine, die in der Lage war einen pulsierenden Gleichstrom zu liefern. Dabei kam ein Vorläufer des Kommutators zum Einsatz.

Das nebenstehende Bild stammt vom Deutschen Museum, München, in dem auch das Original des Generators zu besichtigen ist.

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