Die wissenschaftlichen Grundlagen der Elektrotechnik. Die wissenschaftlichen Grundlageil der Elektrotechnik. Von Dr. Gustav Benischke. z~weite, erweiterte Auflage von "Magnetismus und Elektrizität mit Rücksicht auf die Bedürfnisse der Praxis". Mit 489 Abbildungen im Text. Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1907 ISBN 978-3-662-36001-9 ISBN 978-3-662-36831-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-36831-2 Softcoverreprint ofthe hardcover2nd edition 1907 Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Vorwort. Die vorliegende zweite Auflage erscheint unter dem Titel "Die wissenschaftlichen Grundlagen der Elektrotechnik", um noch mehr als früher zum Ausdruck zu bringen, daß dieses Buch für Elektrotechniker bestimmt ist, und weil eine so wesentliche Er weiterung des Inhaltes stattgefunden hat, daß eigentlich ein neues Buch vorliegt. Diese Ausgabe hat wegen anderweitiger starker Beanspruchung meiner Zeit, sowie infolge meines Bestrebens nach möglichst kurzer Fassung bei gleichzeitiger Wahrung einer streng systematischen Entwickelung mehr als zwei Jahre auf sich warten lassen. Daß trotz des Strebens nach möglichster Kürze der Umfang auf mehr als das Doppelte angewachsen ist, erklärt sich aus der beispiellosen Entwickelung der Elektrotechnik .in den letzten zehn Jahren, die sich hauptsächlich auf die Anwendung immer höherer Spannungen und auf Ausnutzung von Erscheinungen, die früher nur als physikalische Versuche bekannt waren, erstreckt. Durch diese beiden Umstände wurde ein tieferes Eingehen in allen Kapiteln, sowie zwei neue Kapitel über die nichtstationären Stromzustände und über den Durchgang der Elektrizität durch die sogenannten Nichtleiter erforderlich. Im ersteren sind das Schließen und Öffnen der Ströme und die elektrischen Schwingungen behandelt, im letz teren die elektrischen Entladungen und Lichtbögen. Schon die letzten Aufgaben der Elektrotechnik und noch mehr ihre zukünftigen drehen sich darum, wie weit man in der Isolierung des elektrischen Stromes gelangt, und wie weit das elektrische Licht dem Gaslicht Boden abgewinnen kann. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer physikalischen Vertiefung für alle jene, welche sich nicht auf den laufenden Dienst in einem Konstruktions- oder Berechnungs oder Installationsbureau beschränken wollen. Für einen Teil der hier einschlägigen Fragen bildet die Elek tronentheorie den Schlüssel zu einem übersichtlichen Verständnis. Aus diesem Grunde, aber auch nur so weit, als es dazu erforderlich ist. wurde die Elektronentheorie behandelt. VI Vorwort. Das elektrotechnische Kauderwelsch (Resistanz, Konduk tanz, Reaktanz, Induktanz, Impedanz, Admittanz, Suszep tanz, Reluktanz), das aus Amerika eingedrungen ist, findet sich auch in dieser Auflage an keiner Stelle, weil keinerlei Notwendig keit dazu vorliegt. Es sind zwar noch einige so schöne Wort bildungen wie Kapazitätsreaktanz, Kondensanz, Restrik tanz, Koaktanz, Retardanz hinzugekommen, aber es mehren sich doch diejenigen, welche sich daran erinnern, daß in erster Linie der akademisch Gebildete die Verpflichtung hat, richtige Sprachformen anzuwenden. Neue Fachausdrücke werden in der Technik von Zeit zu Zeit nötig und können unter Umständen auch einer anderen Sprache entnommen werden, aber doch nur in einer solchen Form, welche dem deutschen Sprachgebrauch entspricht. Um dem Leser auch einen Begriff von den Zahlenwerten zu bieten, wurden wie in der ersten Auflage an jenen Stellen, wo die wichtigsten Größen zum ersten lVIale auftreten, Zahlenbeispiele ein gefügt. Da dieses Buch nicht nur ein Lehrbuch, sondern auch ein Nachschlagebuch für diejenigen sein soll, welche sich über eine in der Praxis auftauchende theoretische Frage Aufklärung holen wollen, wurden viele Schaulinien und Zahlentafeln aufgenommen, und zwar dem systematischen Aufbau entsprechend an jenen Stellen, wo sie inhaltlich hingehören. Um aber ihre Aufsuchung zu erleichtern, wurde ein Verzeichnis derselben dem Inhaltsverzeichnis angefügt. Eine Zusammenstellung der Buchstabenbezeichnung der wichtigsten Größen findet sich am Schluß des Buches. Herrn Ingenieur Karl Wernicke danke ich auch an dieser Stelle für die Unterstützung bei der Korrektur. Pankow bei Berlin, im Februar 1907. Dr. G. Benischke. Inhaltsverzeichnis. Erstes Kapitel. Allgemeine Grundgesetze über Magnetismus und Elektrizität. Seite 1. Anschauungen über das \Vesen des Magnetismus und der Elektrizität 1 2. Das Coulombsehe Gesetz ................ . 2 3. Kraftfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4. Stärke, Richtung und Gestalt eines Kraftfeldes. Kxaftlinien . . 4 5. Bildliehe Darstellung magnetischer und elektrischer Kraftfelder 5 6. Zu- nnd Abnahme der Kraft. Homogene Felder 8 7. Anzahl der Kraftlinien 10 8. Zusammensetzung von Kraftfeldern . 13 9. Magnetisches Moment . . . . . . . 13 10. Das magnetische Fel<l der Erde 14 11. Feldstärke neben und zwischen Flächen, die gleiehmäßig mit magne- tischer oder elektrischer Masse bedeekt sind . . . . . . . . 16 12. Das Potential; seine mathematisehe und physikalische Bedeutung 17 13. Potential mehrerer Massen . . . . . . . . . . . . 20 14. Bewegungsriehtung und Potential . . . . . . . . . 20 15. Die Niveaufläehen und ihre Beziehung zu den Kraftlinien 21 Zweites Kapitel. Grundgesetze der Elektrostatik. 16. Potential auf sieh selbst . . . . . . . . . . . . . . 25 17. Elektrizitätserzeugung. Hypothesen der Elektrizität . 25 18. Verteilung der Elektrizität auf Leitern und Isolatoren 28 19. Elektrostatisehe Sehirmwirkung . . . . . . . . . . 30 20. Potential einer geladenen Kugel auf sich selbst und auf einen äußeren Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 21. Abhängigkeit der elektriseheu Diehte vom Krümmungsradius. Spitzen- wirkung 32 22. Kapazität . . . . . . . . . 33 23. Potential und Kapazität der Erde 34 24. Elektroskop, Elektrometer . 35 25. Oberflächenspannung einer elektrischen Ladung 36 26. Einfluß eines benachbarten mit der Erde verbundenen Leiters. Konden- sator . . . . 37 27. Plattenkondensator 39 28. Das Dielektrikum . 41 29. Die Dielektrizitätskonstanten der wichtigsten Stoffe 44 VIII Inhaltsverzeichnis. Seite 30. Formeln für verschiedene Kondensatoren . . 44 31. Kondensatoren in Neben- und Hintereinanderschaltung 47 32. Ladungsenergie .................. . 48 33. Die Faradaysche Vorstellung über die Beschaffenheit des Dielektrikums 50 34. Elektrisierungszahl und Dielektrizitätskonstante . . . . . . . . . . 52 35. Innere Energie eines polarisierten Dielektrikums . . . . . . . . . 52 36. Anziehung und Abstoßung eines Nichtleiters in einem elektrischen Felde 53 37. Brechung der Kraftlinien an der Grenzfläche zweier Nichtleiter 55 38. Rückstandsbildung im Dielektrikum . . . . . . . 58 Drittes Kapitel. Grundgesetze der strömenden Elektrizität. 39. Das Zustandekommen eines elektrischen Stromes 60 40. Stromquellen . . . . . 61 41. Begriff der Stromstärke . . . . . . . . . 62 42. Das Ohmsehe Gesetz . . . . . . . . . . 62 43. Leitungswiderstand und Leitungsvermögen 63 44. Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur . 65 45. Widerstand von Kohle und Selen 67 46. Weitere Bemerkungen zu dem Ohmsehen Gesetze .. 67 47. Klemmenspannung . . . . . . . . . . . . . 68 48. Mehrere elektromotorische Kräfte in einem Stromkreise 69 49. Ableitung zur Erde . . . . . . . . . . . . . . 70 50. Die Kirchhofsehen Sätze über Stromverzweigung 70 51. Hintereinander- und Nebeneinanderschaltung 72 52. Arbeit und Leistung eines Stromes . . 73 53. Stromwärme. Joulesches Gesetz ..... . 74 54. Das Gesetz der kleinsten Stromwärme 74 Viertes Kapitel. Die elektrolytischen Vorgänge. 55. Einteilung der Stoffe in Bezug auf die Leitung der Elektrizität 76 56. Die Elektrolyse und ihre Benennungen 77 57. Sekundäre Prozesse . . . . . . . 77 58. Wasserzersetzung . . . . . . . . . 79 59. Faradays Gesetze der Elektrolyse 80 60. Theorie der elektrolytischen Leitung 81 61. Dissoziierte Stoffe und Ionisatoren . 84 62. Spezifischer Widerstand der Elektrolyte 85 63. Konzentrationsänderung durch elektrolytische Leitung. Beweglich keit der Ionen . . . . . . . . . 87 64. Elektrolyse geschmolzener Salze . . . . 89 65. Elektrolytische Leitung in festen Stoffen 90 66. Polarisation . . . . . . . . . . . . . 92 67. Stromerzeugung durch chemische Vorgänge 95 68. Die wichtigsten konstanten Zellen 96 69. Lokalströme 97 70. Konzentrationsketten 97 71. Normalelemente ... 98 72. Trockenelemente 99 73. Berechnung der elektromotorischen Kraft aus der Verbindungswärme 100 74. Akkumulatoren . . . . . . . . . . . 102 75. Elektrische Kataphorese (Mitführung) . . 106 Inhaltsverzeichnis. IX Fünftes Kapitel. Magnetische Wirkungen des Stromes. Seite 76. Amperesehe Regel. Das magnetische Feld des Stromes . 108 77. Bewegungsvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . 110 78. Die Kraft zwischen einem Stromelement und einem Magnetpol 111 79. Die Kraft zwischen einem unendlich langen Strom und einem Magnetpol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 80. Magnetische Feldstärke eines Stromes in seiner nächsten Umgebung 113 81. Magnetische Feldstärke einer geschlossenen Stromfigur . . . . . 114 82. Die elektromagnetische Eigenwirkung eines Stromes . . . . . . . 116 83. Ein geradliniger Strom in einem homogenen magnetischen Felde 118 84. Eine geschlossene Stromfigur in einem homogenen magnetischen Felde 119 85. Das magnetische Gebläse . . . . . . . . 121 86. Magnetische Platte . . . . . . . . . . . 122 87. Potential einer geschlossenen Stromfigur . 123 88. Magnetisches Feld eines Solenoides . . . 125 Sechstes Kapitel. Magnetische Induktion. 89. Magnetisierungsstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 90. Magnetisierung durch Verteilung oder Induktion . . . . . . . . 130 91. Beziehung zwischen magnetisierender Kraft und Kraftliniendichte. Magnetisierungszahl und magnetische Durchlässigkeit 133 92. Paramagnetische und diamagnetische Stoffe 135 93. Magnetische Sättigung . . . . . . . 136 94. Magnetische Hysterese . . . . . . . 138 95. Dauermagnetismus und Koerzitivkraft 140 96. Magnetische Verzögerung . . . . . . 141 97. Magnetische Arbeit . . . . . . . . 142 98. Arbeitsverlust bei einem magnetischen Kreisprozeß 143 99. Anziehung und Abstoßung in einem magnetischen Felde 145 100. Brechung der Kraftlinien an der Grenzfläche magnetischer Stoffe 147 101. Magnetische Schirmwirkung . . . . . . . . . . . . 149 102. Entmagnetisierende Kraft. Dauermagnete . . . . . . 150 103. Die Abhängigkeit der Magnetisierung vou der Temperatur 153 104. Das magnetische Altern des Eisens . . . 154 105. Der magnetische Kreis . . . . . . . . . 155 106. Magnetische Widerstände in Hintereinanderschaltung 157 107. Der magnetische \Viderstand längerer Luftstrecken . 160 108. Verzweigung eines Kraftlinienbündels. Magnetische Widerstände in :Nebeneinanderschaltung • . . . . . . . . . . . . . 162 109. Mag-netornotorische Kräfte von entgegengesetzter Richtung. Magne· tische Stauung 164 110. Magnetische Streuung 166 111. Magnetische Charakteristik 170 112. Praktische Anwendungen . 173 113. Der magnetische Kreis bei Dauermagneten . 175 114. Anziehung zweier paralleler Flächen. Tragkraft eines Magnetes . 177 115. Die Arbeit bei magnetischer Anziehung . . . . . . . . . . . . 178 X Inhaltsverzeichnis. Siebentes Kapitel. Elektrodynamik. Seite 116. Die Kraftwirkung zweier Ströme 180 117. Arbeitswert zweier Ströme . . . . . . 182 118. Formeln für die gegenseitige Induktion 184 119. Arbeitswert eines Stromes in bezug auf sich selbst; Koeffizient der Selbstinduktion . . . . . . . . . 185 120. Spezielle Fälle . . . . . . . . . . . . 187 121. Verhältnis zwischen den Koeffizienten der gegenseitigen und der Selbstinduktion 188 122. Die gesamte magnetische Arbeit 189 Achtes Kapitel. Elektrische Induktion. 123. Das Wesen der elektrischen Induktion ..... 190 124. Größe der induzierten elektromotorischen Kraft 191 125. Die Richtung der induzierten EMK. Die Gesetze von Lenz und Fleming 193 126. Die Spannungsgleichung ........ . 195 127. Richtungswechsel der induzierten EMK ............ . 195 Neuntes Kapitel. Der einfache Wechselstrom. 128. Die induzierte EMK als einfache periodische Funktion 197 129. Die Elektrizitätsmenge eines veränderlichen Stromes 201 130. Der arithmetische Mittelwert . . . . . . . 202 131. Der quadratische Mittelwert . . . . . . . 203 132. Elektromotorische Kraft der Selbstinduktion 205 133. Das Ohmsehe Gesetz für Wechselstrom 209 134. Arbeit und Leistung eines Wechselstromes . 212 135. Das Spannungsdiagramm . . . . . . 215 136. Das Stromdiagramm. Wattstrom und wattloser Strom 216 137. Zusammenfassung der Ergebnisse . . . . . . . . . . 217 138. Drosselspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 139. Graphische Darstellung der Wechselstromgrößen durch Vektoren 220 140. Scheinbarer Widerstand bei Hintereinanderschaltung 221 141. Die Verzweigung eines veränderlichen Stromes . . . . . . . . . 223 142. Der scheinbare Widerstand einer Stromverzweigung . . . . . 225 143. Stromverzweigung in Hintereinanderschaltung mit Widerstand und Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Zehntes Kapitel. Gegenseitige Induktion zweier Stromkreise. 144. Das Verhältnis der elektromotorischen Kräfte 229 145. Die primäre und sekundäre Spannungsgleichung . . . 231 146. Der primäre Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 147. Strom und Klemmenspannung des sekundären Kreises 239 148. Das Verhältnis zwischen primärem und sekundärem Strom 241 149. Der Spannungsabfall in der primären und sekundären Wickelung 243 150. Das magnetische Feld zweier Stromkreise mit gegenseitiger Induktion 244 151. Der Magnetisierungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247