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Файл:Deutsch für Elektriker. Учебное пособие
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H.R. Hertz bestätigte und erweiterte durch seine Untersuchungen über schnelle elektrische Schwingungen und die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen die elektromagnetische Theorie des Lichtes, die bereits durch den britischen Physiker James Clerk
Maxwell im Jahre 1884 ausgearbeitet worden war. Seine Ergebnisse lieferten die Grundlage für die Entwicklung der drahtlosen Telegraphen und des Radios. Von Hertz stammt die
exakte Definition der Härte. In der letzten großen Arbeit von Hertz „Prinzipien der Mechanik“ sind Gedanken, Ideen und Zusammenhänge enthalten, wie man sie später bei Einstein wieder finden kann.
Im Jahre 1894 starb Heinrich Rudolf Hertz an den Folgen der Blutvergiftung. In seinem letzten Brief an die Eltern schrieb er: „Wenn mir wirklich etwas geschieht, so sollt Ihr
nicht trauern, sondern sollt ein wenig stolz sein und denken, dass ich dann zu den besonders Auserwählten gehöre, die nur kurz leben und doch genug leben“.
Georg Simon Ohm. Leben und Werk
Georg Simon Ohm wurde am 16.Mätz 1787 in Erlangen als Sohn eines Schlossermeisters geboren. Seine Mutter starb früh. Der Vater studierte trotz ständiger Beschäftigung in der Werkstatt selbst Mathematik und Physik nach Büchern, und als der Sohn ins
Gymnasium eintrat, weckte der Vater in ihm das Interesse an diesen Wissenschaften und
vermittelte ihm die ersten Kenntnisse.
Als Sechzehnjähriger nahm Ohm ein Studium der Mathematik, Physik und Philosophie an der Universität in Erlangen auf, das er in Ermangelung finanzieller Mittel nach einem Jahr bereits unterbrechen musste. Er suchte sich eine Anstellung und wurde Mathematiklehrer im schweizerischen Nidau und dann in Neuchatel, bis er später wieder ins
heimatliche Erlangen zurückkehrte.
Hier beendete er sein Studium und promovierte 1811. Einige Zeit blieb er noch als
Privatdozent an der Universität. Wegen der bescheidenen materiellen Verhältnisse war er
jedoch gezwungen, Erlangen erneut zu verlassen und eine Stelle als Professor für Physik
und Mathematik am Realgymnasium in Bamberg anzunehmen. Von dort ging er im Jahre
1817 an das Gymnasium nach Köln am Rhein, wo er seine wichtigsten Entdeckungen
machte.
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Im Physikkabinett führte er mit bescheidenen und unvollkommenen Geräten Versuche durch, wobei er alles, was bisher über die Wirkung des elektrischen Stromes bekannt
war, überprüfte. Die Versuche komplizierten sich, weil ein gewöhnliches Voltasches Element keine konstante Spannung lieferte und einen hohen Innenwiderstand hatte. Daher
verwendete er für die Poggendorffsche Reihe ein thermoelektrisches Element aus Wismut– und Kupferdraht. Diese elektrische Stromquelle hatte eine konstante elektrische
Spannung. Damit konnte Ohm den Einfluss des Widerstandes unterschiedlicher Leiter auf
die Stromstärke genau studieren.
Die Ergebnisse der Untersuchungen veröffentlichte er vorerst nur in kurzen Mitteilungen. Seine wichtigste Entdeckung, nach der die elektrische Stromstärke der elektrischen Spannung der Stromquelle proportional und einer Größe, die von den Abmessungen
und dem Material des Leiters abhängt, umgekehrt proportional ist, wurde später als Ohmsches Gesetz bekannt. Diese Entdeckung veröffentlichte er erstmals im Jahre 1826 in der
Arbeit „Bestimmung des Gesetzes, nach welchem die Metalle die Kontaktelektrizität leiten“. Ein Jahr später begründete sein Gesetz in der umfangreicheren Monographie „Die
galvanische Kette, mathematisch behandelt“ theoretisch
Dem Ohmschen Gesetz begegnete man mit Misstrauen und scharfer Kritik. Mehrere
Physiker verstanden es lange Zeit nicht, diese Entdeckung richtig zu bewerten. Ignorieren
der Ergebnisse seiner Arbeit und seine schlechten materiellen Verhältnisse verbitterten
Ohm. Er sehnte sich wieder danach, an die Universität zu kommen. Es gelang ihm jedoch
nur, eine Stelle als Professor für Physik an der Polytechnischen Schule in Nürnberg zu erhalten, wo er ab 1833 sechzehn Jahre tätig war.
In seinen Arbeiten wies Ohm unter anderem nach, dass der elektrische Widerstand
der Länge des Leiters proportional und seinem Querschnitt und der spezifischen Leitfähigkeit umgekehrt proportional ist. Weiter wies er nach, dass bei einem konstanten Strom
die Ladung sich durch den gesamten Querschnitt und nicht nur an der Oberfläche bewegt.
Später beabsichtigte Ohm, akustische und optische Effekte zu untersuchen. Zu dieser Zeit war die große Bedeutung des Ohmschen Gesetzes für die Elektrizität bei den Physikern allgemein anerkannt. Ohms Arbeiten wurden zum Ausgangspunkt für die weiteren
Forschungen in der Elektrodynamik.
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Im Jahre 1841 zeichnete die Royal Society Ohm mit der Copley- Medaille aus. 1849
erfüllte sich endlich sein langgehegter Wunsch, als man ihm zum Physikprofessor an die
Universität nach München berief. Ohm wirkte aber nur relativ kurz an dieser Universität,
kaum fünf Jahre. Er verstarb am 7.Juli 1854 nach kurzer Krankheit.
Das Grundgesetz des elektrischen Stromes wird gefunden
Der Lehrer Georg Simon Ohm (1787 – 1854) fand das nach ihm benannte Gesetz,
das die Beziehungen zwischen Spannung, Stromstärke und Leitungswiderstand bei gleich
bleibender Temperatur im geschlossenen Stromkreis zeigt. Es lau-tet für Gleichstrom R =
U/I. Der Widerstand R ist nur von Länge, Querschnitt und Material (den Eigenschaften)
und von der Temperatur des Leiters anhängig, jedoch unabhängig von der Stromstärke und
von der Spannung zwischen den Leiterenden.
Schon Ritter hatte beobachtet, dass die verschiedenen Metalle den Strom verschieden
gut leiten; da er noch kein geeignetes Messgerät hatte, konnte er die Leitfähigkeit nicht
messen. Davy meinte mit Recht, ein Leiter erwärme sich umso schneller, je schlechter er
den Strom leite, und maß die Geschwindigkeit der Er-wärmung. Dabei kam er auf folgende Reihe der größten bis zur kleinsten Leitfähigkeit: Silber, Kupfer, Blei, Gold, Zink,
Zinn, Platin, Eisen.
Ohm benutzte zum Messen der Spannung ein Elektroskop mit Kondensator und zur
Messung der Stromstärke ein Torsions-Galvanometer in der Form einer 16cm hohen und
11cm weiten Drehwage. Dabei setzte er voraus, dass die etwa 5cm lange Magnetnadel
verhältnisgleich zur Stromstärke ausschlug. Er hat nicht einfach den Nadel gemessen, sondern die an einem bandartigen Goldblattstreifen hängende Nadel durch Drehen des Knopfes, an dem der Streifen hing, bei jeder Messung auf die Nullstellung zurückgebracht.
Das beobachtete er auch mit einer Lupe. Gemessen hat er dann Verdrehungswinkel
(Torsionswinkel) am Drehknopf, der jeweils beim Rückstellen auf Null auftrat. Ein
scheinbar unstandliches Verfahren – aber es war genauer als das unmittelbare ablesen der
Nadelausschläge.
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Bei seinen Messungen erhielt Ohm folgende Reihe von Metallen mit abnehmender Leitfähigkeit: Kupfer leitete 10,5mal so gut wie Blei. Ohm bestätigte das schon von Davy gefundene Gesetz, dass die Leitfähigkeit der Metalle bei steigender Temperatur abnimmt.
Er hat Untersuchungen 1827 in seinem Werk „Die galvanische Kette“ veröffentlicht
und auch schon den Begriff „Gefälle“ benutzt als die Spannungsdifferenz an zwei um eine
Längeeinheit voneinander entfernten Punkten. Bei demselben Leiter sei das Gefälle überall gleich, bei verschiedenen sei es den Widerständen verhältnisgleich. Er nannte auch „reduzierte“ Längen; das sind auf den Querschnitt umgerechnete Drahtlängen für Widerstände. Damit hat er die Arbeiten von Wheatstone und anderen vorbereitet.
Andre Marie Ampere
Ampere (A) ist die Basiseinheit der elektrischen Stromstärke. Sie wurde zu Ehren
des französischen Mathematikers und Physikers Andre Marie Ampere benannt.
Andre Marie Ampere wurde am 22,Januar 1775 in Polemieux bei Lyon geboren.
Schon als Vierzehnjähriger las er mit Begeisterung alle zwanzig Bände der französischen
Enzyklopädie von Diderot und d, Alembert, die in ihm das Interesse für Naturwissenschaften, Mathematik und Philosophie wachriefen. Er widmete sich besonders dem Studium der
Botanik, Chemie, Physik und Mathematik. Als Achtzehnjähriger beherrschte er außer Latein auch Italienisch und Griechisch.
Im Jahre 1801 wurde Ampere Physikprofessor an der Zentralschule in BourgenBresse und wirkte bereits seit 1805 an dem bekannten Polytechnikum in Paris. Während
dieser Zeit arbeitete er überwiegend auf dem Gebiet der Mathematik. Er veröffentlichte
eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten über die Wahrscheinlichkeitstheorie, über die
Anwendung der höheren Mathematik auf Probleme der Mechanik und über verschiedene
Probleme der mathematischen Analysis.
Für seine wissenschaftlichen Arbeiten zur Theorie der Differentialgleichungen ernannte man ihn im Jahre 1814 zum Mitglied des „Instituts“ (wissenschaftliche Institution,
aus der später die Französische Akademie der Wissenschaften hervorging) und im Jahre
1824 zum Professor für experimentelle Physik am College de France.
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Die bedeutendsten Leistungen vollbrachte Ampere jedoch auf dem Gebiet der Physik.
Im Jahre 1820 wurde die Aufmerksamkeit der Physiker durch das von Oersted entdeckte
Phänomen der Wirkung des elektrischen Stromes auf die Magnetfeld gefesselt. Noch im
gleichen Jahr teilte Ampere während einer Sitzung der Akademie seine neuen Entdeckungen auf diesem Gebiet mit.
Zur Bestimmung der Abweichung des Nordpols einer Magnetnadel, die sich unter
einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter befindet, stellte er die sog. Daumenregel
auf, die im Prinzip heute noch als „Rechtehand-Regel“ angewendet wird.
Die sorgfältigen experimentellen und theoretischen Untersuchungen der wechselseitigen Wirkung zwischen elektrischem Strom und Magneten führten Ampere zur Entdeckung der Wechselwirkung elektrischer Ströme untereinander und zur Aufstellung einer
ersten Theorie des Magnetismus. Mit dieser Theorie bewies Ampere den Zusammenhang
zwischen Magnetismus und elektrischem Strom, d.h. zwischen zwei Gruppen von Erscheinungen, die man zuvor für völlig unabhängig voneinander gehalten hatte.
Im Jahre 1826 gelang es ihm, das quantitative Gesetz der Wechselwirkung elektrischer Ströme abzuleiten: „Die Kraft, mit der zwei Stromelemente aufeinander einwirken,
ist dem Produkt der Stromstärken direkt proportional und dem Quadrat ihrer Entfernung
umgekehrt proportional“.
Nach 1828 wandte sich Ampere erneut dem Gebiet der Mathematik zu und veröffentlichte noch einige Arbeiten zur höheren Mathematik. Er versuchte später auch, die Wissenschaften auf der Grundlage philosophischer und mathematischer Überlegungen zu
klassifizieren.
Obwohl man seine genialen wissenschaftlichen Arbeiten, die für Physik von grundlegender Bedeutung sind, schon zu seinen Lebzeiten anerkannte, besaß er niemals ausreichende
finanzielle Mittel für seine Versuche.
Schon seit 1820 hatten erste Anzeichen einer Kehlkopfkrankheit sein rastloses Schaffen
behindert, ohne dass seine geistigen Kräfte abnahmen. Ohne Schonung seiner Gesundheit
hatte er mit seinem scharfen Verstand weit auseinander liegende Forschungsgegenstände
bearbeitet und dabei, wie sein Freund Arago sagte, Tag und Nacht gelebt. Schon sehr
krank, begab er sich im Mai 1836 auf eine Inspektionsreise. Als aus Marseille die Nach-
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richt von seinem Ableben eintraf, schrieb Arago in seinem Nekrolog: „Der Tod Amperes
war ein öffentliches Unglück“. Er starb am 10.Juni 1836.
James Joule (1818-1889)
James Joule ist englischer Physiker, der anfangs vor allem den Wirkungsgrad von
Elektromotoren untersuchte.
Aufbauend auf einen tiefen religiösen Glauben, versuchte Joule die Einheitlichkeit
aller Kräfte in der Natur zu zeigen. Er führte 1840 das mechanische Äquivalent der Wärme ein, indem er die Temperaturzunahme bestimmte, die ein herunterfallendes Gewicht
erzeugte, das durch eine Paddelanordnung eine Flüssigkeit umrührte. Er führte viele Versuche durch und fand heraus, dass im Durchschnitt ein Gewicht von 772 Pfund = 0,5kg,
das eine Höhe von einem Fuß = 30,48cm fällt, die Temperatur von einem Pfund Wasser
um 1° F = 0,56°C erhöht. Dies war mit 4,15 Joule pro Kalorie in guter Übereinstimmung mit dem heutigen Wert: 1 cal = 4,184 J. Joule war nicht der erste, der die Äquivalenz von Wärme und mechanischer Energie forderte, aber es waren seine Versuche, die die
Wissenschaftler von deren Bedeutung überzeugte. Er forderte nicht für sich, das Allgemeine Gesetz der Energieerhaltung gefunden zu haben. Seine Experimente waren aber
sehr entscheidend dafür, dieses Gesetz so wie heute gängig zu formulieren. Zusätzlich
zeigten die Joule´schen Versuche, dass Wärme durch Bewegung erzeugt wird, ein Grundstein für die kinetische Deutung der Temperatur.
Nikola Tesla - Erfinder mit dem Blick in die Zukunft (1856 – 1943)
Der Physiker Nikola Tesla machte bereits in frühem Kindesalter außergewöhnliche
Erfindungen. Als junger Mann begann er mit der Entwicklung des heute gebräuchlichen
Wechselstromsystems, das 1893 erstmals in großem Stil zur Beleuchtung und Stromerzeugung auf der Weltausstellung in Chicago eingesetzt wurde. Um die Jahrhundertwende
wurde Nikola Tesla von den Zeitungen sämtlicher Nationen als der "größte Erfinder aller
Zeiten" gefeiert.
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Nikola Tesla wurde am 10. Juli 1856 in einem kleinen Dorf namens Smiljan (heutiges Kroatien) als Sohn eines orthodoxen Priesters geboren. Nach dem Besuch von Hochschulen in Graz und Wien schloss er seine Ausbildung in Paris ab. Der serbisch amerikanische Physiker war ab dem Jahre 1884 als Mitarbeiter bei Thomas Edison beschäftigt. Später arbeitete Nikola Tesla im eigenen Labor in New York, wo er am 7. Januar
1943 starb.
Neben vielen Dokumenten, die über sein Wirken Auskunft geben, wird seine Asche
im Tesla Museum in Belgrad aufbewahrt. Berühmt wurde Nikola Tesla durch die Erfindung des Wechselstroms (damals eine industrielle Revolution) und durch die Konstruktion
eines speziellen Transformators. Dieser erzeugt in seiner üblichen Form hochfrequente
Wechselströme mit sehr hoher Spannung; die Stromstärke ist jedoch sehr gering. Die
Ströme(Tesla-Ströme) sind wegen ihrer hohen Frequenz -bis zu mehreren Ampere Stromstärke für den menschlichen Körper unschädlich und finden aufgrund ihrer Tiefenwirkung,
im Körperinnern auch Anwendung in der Medizin (Diathermieströme).
Außerdem hat Tesla hunderte von Erfindungen im Bereich von Energie und Magnetismus gemacht, die auch größten teils patentiert wurden. Deshalb wird Nikola Tesla vielfach auch als großes Genie bezeichnet. Seine umfangreichsten Arbeiten, die leider bis heute keinen praktischen Nutzen fanden, leistete er im Bereich der Energiegewinnung und deren kabellosen Übertragung.
Bekanntlicherweise hat Nikola Tesla nicht nur mit elektrischen Strömen gearbeitet,
sondern auch mit verschiedenen Energien, die für uns heute noch zu abstrakt sind. Sein
Blick in die Zukunft war mindestens 1000 Jahre seiner Zeit voraus. Die Medizin wird im
nächsten Jahrhundert ein anderes Gesicht bekommen. Der Fortschritt ist nicht nur in der
Atomphysik anhand neuer Atombomben erkennbar, sondern auch durch neue Ansichten
über den Kosmos. Allmählich begreift die Atomphysik, dass alles Existierende eine Einheit bildet und dass alle diese Elemente miteinander verwoben sind.
Nikola Tesla – Erfinder des Wechselstroms
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Vor 153 Jahren, am 10. Juli 1856, wurde der Physiker Nikola Tesla geboren, in einem kleinen Ort, der heute zu Kroatien gehört. Die meiste Zeit seines Lebens verbrachte
der begnadete Erfinder jedoch in New York und wurde dort zum Konkurrenten von Edison, dessen Name bis heute sehr viel klangvoller geblieben ist als jener von Tesla.
Dabei war Tesla, der insgesamt 117 Patente anmeldete, in mancher Hinsicht sogar
fortschrittlicher als Edison. Während dieser bei der Elektrifizierung auf die Nutzung von
Gleichstrom setzte, darf man Tesla als den Erfinder des Wechselstroms ansehen. Heute
wird elektrische Energie wie selbstverständlich von den Kraftwerken als Wechselstrom erzeugt, als Wechselstrom übertragen und als Wechselstrom an den Steckdosen zur Verfügung gestellt. Glühbirnen, Staubsauger oder Kühlschränke lassen sich damit direkt betreiben. Geräte, die zum Betrieb unbedingt Gleichstrom benötigen, wie etwa Computer oder
Hifi-Anlagen, wandeln intern Wechselstrom in Gleichstrom um.
Wechselströme und -spannungen haben den entscheidenden Vorteil, dass sie sich
einfach auf unterschiedliche Spannungsniveaus umwandeln lassen - von sogenannten
Transformatoren. Ein spezieller Transformatortyp ist bis heute nach Nikola Tesla benannt.
Der Tesla-Transformator eignet sich zum Erzeugen sehr hoher Spannungen mit sehr hoher
Frequenz. Mit ihnen lässt sich elektrische Energie sogar kabellos übertragen. In einem
Raum, in dem ein Tesla-Transformator betrieben wird, leuchten Leuchtstofflampen auf,
ohne dass sie mit einem Stromkreis verbunden sind. Dies ist eher ein Gag und hat keine
praktische Bedeutung, doch bei einigen medizinischen Systemen kommen TeslaTransformatoren zum Einsatz.
Tesla legte die technische Grundlage vom Sendemast bis hin zum Radar. Trotz seines produktiven Lebens starb Tesla verarmt und hochverschuldet im Januar 1943. An ihn
erinnert heute jene physikalische Einheit, in der seit 1960 die Stärke von Magnetfeldern
gemessen wird. Das Magnetfeld der Erde ist zirka zwei hunderttausendstel Tesla stark. Im
leistungsstärksten Kernspintomographen herrscht eine magnetische Flussdichte von mehr
als neun Tesla. Doch die richtig großen Tesla-Werte, die haben Astronomen im Weltall
nachgewiesen. In sogenannten Neutronensternen existieren Felder von bis zu 100 Millionen Tesla.
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Teslas Erfindungen
Bogenlampe
Werden zwei Kohlstäbe an eine elektrische Spannung gelegt und nahe aneinander
gebracht, entsteht eine Funkenstrecke und das typische blaue Licht, wie wir es auch vom
Schweißen her kennen. Das Licht entsteht sowohl im Lichtbogen (Gasentladung), als auch
an den glühenden Kohlestiften (Temperaturstrahlung), die schnell abbrennen und ersetzt
werden müssen. Die Strombegrenzung dieses elektrischen Quasikurzschlusses erfolgt mit
Draht-Widerständen.
Die Helligkeit der Bogenlampen übertraf alles bisher da gewesene. Zum ersten Mal
in der Geschichte der Menschheit bot eine künstliche Lichtquelle für manche Anwendungszwecke zu viel Licht.
"Carbon-button lamp"
Diese Lampe konnte extrem hohe Temperaturen erzeugen, welche viele Substanzen
auf der Stelle verdampfen oder schmelzen ließen. Von der Helligkeit her erreichte diese
das Dreifache einer normalen Lampe. Tesla verglich diese seine Lampe mit einer Sonne,
die welche Erde oder andere Materie unablässig mit Partikeln bombardiert. Tesla behauptete damals diese kosmischen Strahlen entdeckt und ihre Energie gemessen und festgestellt
zu haben.
Die zeitgenössische Wissenschaft verwarf Teslas Theorie der kosmischen Strahlen
und erst 30 Jahre später wurden sie von Millikan wiederentdeckt.
Konzept des Punkt-Elektronenmikroskops
Auch enthielt diese Lampe ein Konzept des Punkt-Elektronenmikroskops. Sie erzeugt elektrifizierte Partikel, die in einer geraden Linie hinausgeschossen wurden. Auf der
Oberfläche unserer Erde reproduzierten diese Partikel phosphoreszierende Bilder, die ein
Muster des mikroskopisch kleinen Bereichs zeigten, von dem sie ausgesendet wurden.
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Auch kann diese Lampe als Vorgänger der Atomzertrümmerung gelten, so wie Tesla sie
damals erläuterte.
Tesla Transformator
Mit diesem Transformator konnte Hochstrom von relativ geringer Voltzahl in einen
Niedrigstrom von hoher Voltzahl bei hohen Frequenzen umgewandelt werden.
Spezieller Transformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme von sehr
hoher Spannung. Durch einen Schwingkreis, bestehend aus einer Funkenstrecke, einem
Kondensator und einer Spule mit wenigen Windungen (Primärspule) werden gedämmte
hochfrequente elektrische Schwingungen erzeugt. Bringt man in die Primärspiele eine
Spule mit vielen Windungen (Sekundärspule) ein, so wird in dieser aufgrund der hohen
Schwingungsfrequenz und der dadurch bedingten schnellen Änderung des Induktionsflusses eine sehr hohe Spannung induziert.
Befinden sich Primär- und Sekundärkreis in Resonanz, so lassen sich zwischen den Enden
der Sekundärspule Spannungen bis zu mehreren Millionen Volt erzeugen, die meterlange
Büschelentladungen verursachen können.
Einzylindermaschine
Tesla erfand eine Einzylindermaschine ohne Ventile, die durch komprimierte Luft oder
Dampf betrieben werden konnte und die Vorstufe zur modernen Elektrouhr diente.
Therapeutischer Wert hochfrequenter Ströme - Diathermie
1890 entdeckte Tesla den therapeutischen Wert hochfrequenter Ströme für den menschlichen Körper, die Diathermie (Tiefenerwärmung des Körpers durch elektromagnetische
Schwingungen).
Die Wärmewirkung erfolgt durch Energieumsatz am Ort. Führt je nach Stärke zu einem
Verkochen oder Verdampfen der Zellflüssigkeit. Die Zellen sterben dadurch ab.
Folgen der Diathermie sind: Gefäßerweiterung, vermehrter Blutzufluss, Krampflösung,
Schmerzstillung.
Irdisches Nachtlicht
Eine seiner großartigsten Ideen war eine Art "irdisches Nachtlicht". Die Idee war,
die ganze Erde, samt Atmosphäre, durch hochfrequente Ströme, die in die obere Lufthülle
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