Z e i t s c h r i f t
fü r den
Physikalischen und Chemischen Unterricht.
X X L J a h rg a n g .
S ech stes H e f t .
N o v e m b e r 1908.Ein Earbengalvanoskop1).
Von
H. liid tk e in Altona (Elbe).
111. Folge.
A. Leitfähigkeit der Flüssigkeiten.
1. Z u n a h m e d e r L e i t f ä h i g k e i t m it d e r T e m p e r a t u r . A und B in F ig . 1 sind P orzellanw annen, w ie sie in der Photographie V erw e nd un g fin de n; ich benutze solche fü r die Plattengröße 9 x 1 2 cm. In jeden B ehälter werden etwa 300 ccm N atronlauge g le iche r K o nze n tra tio n gegossen; die Lauge in B is t aber zu vo r in einem Becherglase hin re iche nd e rw ä rm t w orden. Z u r S tro m zu fü hrun g dienen die N ic k e l
ble che lektro de n E. In jed en Z w eig der in F ig . 1 skizzierten S trom verzw eigung sind fe rn e r die beiden gleichen Stanniolgalvanoskope Tj
und F a geschaltet, d. h. Streifen aus dünnem Stanniol a u f Pappestücken m it d arüb er gespannten Rebenstorff- schen F a rb b lä tte rn , v g l. ds. Zeitschr. I X 1896, 237 und X V 1902, 145. In diese S ta n n io lb lä tte r w ird der Strom d urch K u p fe rb le ch streifen m it angelöteten D rähten u n te r B enutzung von K la m m e rn geleitet. W ird nun der Strom des e lektrischen Anschlusses u n te r B enutzung eines ge
eigneten V orschaltw iderstandes d urch die K o m b in a tio n g esch ickt, so zeigt F a R ot
fä rb u n g des gelben Rebenstorffschen T herm oskoppapieres, l ' \ n ich t. Die w ärm ere F lü s s ig k e it le ite t also, u m g e k e h rt wie bei den M etallen, besser als die kältere.
B enutzt m an n u r eine W anne, so kann m an zunächst bei V e rw e nd un g e rw ä rm te r F lü s s ig k e it zeigen, daß beim S trom durchgang das Farbengalvanoskop F von passender B re ite sofort bis z u r R otfärbu n g e rw ä rm t w ird . Ersetzt man die erw ärm te F lü s s ig k e it d urch gleich v ie l k a lte , so t r it t die E rw ä rm u n g a u f 45° n ic h t ein. Man ka nn auch die E rw ä rm u n g d u rc h den Strom selbst benutzen, um die W iderstandsänderung zu zeigen. N u r anfangs, solange die F lü s s ig k e it noch k a lt ist, ze ig t F keine R otfärbung und also g eringen S trom durchgang an. Man tauche ein Reagenzglas, welches ein F a rb b la tt im In n e rn enthält, in die F lü s s ig k e it u n d ka nn dann d urch passende W ahl des Vorschaltw iderstandes und der B re ite des Stanniols in F es erreichen, daß durch die Strom w ärm e etw a g le ic h z e itig in der W anne A und dem Stanniolgalvanoskop R otfärbu n g des G elbpapiers e in tritt.
A n de re F lü s s ig k e it und andere E le k tro d e n sind auch ve rw en d ba r. B enutzt man n ic h t W echselstrom , der fü r d erartige Versuche am ric h tig s te n w äre, sondern gew öhnlichen G leichstrom , so ist der E in w a n d m ö g lic h , daß n ic h t die E rw ä rm u n g d urch den Strom , sondern die chemische U m setzung die W iderstandsänderung v e r
ursacht hat. Dem ka n n man d urch V erw e nd un g von Z in k e le k iro d e n und Z in k v itrio llö s u n g abhelfen. B enutzt man die im ersten Versuch beschriebene P a ra lle l-
J) Vgl. ds. Zeitschr. 20 (1907), S. 345 und 21 (1908), S. 10.
ü. X X). 45
354 H . Lü d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p Z e its c h r ift f ü r d e n p h y s ik a lis c h e n E in u n d z w a n z ig s te r J a h rg a n g .
Schaltung, so ko m m t der E in w a n d ka um in B etracht. Eine in diesem F a lle m ögliche A n o rd n u n g wäre auch die, daß über F l gelbes F a rb p a p ie r, n ic h t aber rotes, über J '\
jedes Farbenänderungen erleidet.
B enutzt m an n ic h t den Strom einer S tarkstrom anlage, so ist die T ie fe der F lü s s ig k e it größer u n d der A bstand der E le k tro d e n k le in e r zu w ählen.
2. W id e r s t a n d s v e r g le ic h e . Is t in A u nd B die gleiche F lü ssig ke it, von d e r
selben T em p eratu r, aber in B doppelt so v ie l w ie in A, so geht durch B m ehr Strom ; ebenso w enn sonst alles gleich, aber in B die E le k tro d e n näher als in A. Desgleichen w enn in B die E le k tro d e n so gestellt w erden, daß die E le k triz itä t von einer B re it
seite der W anne zu r anderen fließ t, in A n ic h t, aber die E le k tro d e n a u f gleichen A bstand w ie in B genähert; die größere B re ite der F lü s s ig k e it b e w irk t die bessere L e itfä h ig k e it. Also ist der W iderstand p ro p o rtio n a l Länge : Q uerschnitt.
3. A b h ä n g i g k e i t d es W id e r s ta n d e s v o n d e r N a t u r d e r F l ü s s i g k e i t . In A (F ig . 1) befin de t sich K u p fe rv itrio llö s u n g , 15 g in 300 ccm Wasser gelöst, zwischen K u p fe re le k tro d e n , und in B ebensoviel F lü s s ig k e it, aber 15 g Kochsalz gelöst ent
haltend, am besten zwischen K o hle ele ktro d en oder B le ie lektro de n. S ch ic k t m an einen passend gew ählten Strom d urch die V erzw eigung, so ze ig t F 2 die größere E rw ä rm u n g an. Das Kochsalz le ite t e rh eb lich besser als K u p fe r v itrio l; die Schüler verm uten ge
w ö h n lic h das Gegenteil. Andere F lüssigke ite n lassen sich ä h n lic h vergleichen.
4. L e it u n g s o p t im u m u n d K o n z e n t r a t io n . Manche E le k tro ly te haben bei e in er bestim m ten K o n ze n tra tio n ein M a xim u m an L e itfä h ig k e it, so le ite t z. B. Schw efel
säure bei einer K o n ze n tra tio n vo n 30% am besten. Dies habe ich zuw eilen so de
m on strie rt. In der photographischen W anne A (Größe 9 x 1 2 ) befindet sich L e itu n g s wasser, in B 5 % ig e Schwefelsäure, in C 30% ige und in D ko n ze n trie rte Schwefelsäure zwischen B le ie lektro de n. Die v ie r F arbengalvanoskope F sind genau gle ich und m it je einem gelben u n d roten F a rb - b la tts tre ife n ü be rd eckt. S ch ickt m an einen Strom von etwa 10 bis 12 Am pere Strom stärke d u rc h die K o m b in a tio n , so fließ t d urch A u nd D so w enig, daß F l und F i keine Farben-
Fig. 2.
n ic h t ganz zw eckm äßig
die benutzte Säure n u r fü r diesen Versuch
änderung zeigen; in F 2 beobachtet man eine schwache F arb en än de ru n g des gelben Streifens, in F s aber eine V e r
änderung beide r S treifen also über 70° E rw ä rm u n g des Stanniols. N a tü rlic h hätte man zwischen C und D noch eine fü n fte W a n ne m it 8 0 % ig e r Säure einschalten können, welche sich ä hn lich w ie B v e rh alte n hätte. Die B le ie le ktro d e n sind da die Säure d u rc h B le is u lfa t v e ru n re in ig t w ird . Man muß aufbew ahren. P la tin e le k tro d e n w ürden aber zu teuer sein. Bei einem d e ra rtig e n Versuch verd ie n en die F arbengalvanoskope den V orzug v o r andern, da w o h l ka um eine Schule v ie r oder fü n f gleiche A m p ere m e te r besitzt.
5. D if f u s io n . F lüssigke ite n verschiedener K o nze n tra tio n k a n n man auch über- einanderschichten. D ie Lan gsa m ke it der D iffu s io n is t ja b ei K u p fe r v itrio l (unten) und Wasser (oben) le ic h t wahrzunehm en, bei n ic h t gefärbten F lü s s ig k e ite n w ie v e r
d ü n n te r Schwefelsäure und Wasser is t sie aber n ic h t m it bloßem Auge zu erkennen. Man ka nn sie e le k tris c h durch V e rg le ic h des W iderstandes der einzelnen Schichten untersuchen. E le k tro d e E 1 tauche bis an den B oden, E 2 bis in die M itte, wo die Grenze beider Flüssigkeiten sich befindet, E3 ist oben; es ist also E l E2 = E 2E3.
Z um V e rgleich d er W iderstände w ird einfach E 2 m it dem positiven P ol des elektrischen Anschlusses u n te r Benutzung eines V orschaltw iderstandes verbunden, .Ej und E 3 m it dem negativen Pol u n te r E in scha ltun g der Farbengalvanoskope F 1 und F 2- selbst nach längerem Stehen der F lüssigke ite n w ird m an zeigen können, daß zunächst n u r bei F t R ötun g e in tritt, n ic h t auch bei F „.
u n d c h e m is c h e n U n te r r ic h t .
H e ft V i . N o v e m b e r 1908. H . Lü d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p 355
6. K o n z e n t r a t io n s ä n d e r u n g e n b e i d e r E l e k t r o l y s e . B ei lan gandauernder E le k tro ly s e m acht sich b e k a n n tlic h die Ä n d e ru n g der K o nze n tra tio n ö fte r unangenehm bem erkbar, die L e itfä h ig k e it ka n n dadurch b e e in trä c h tig t w erden; N o tw e n d ig k e it der R ü tte lw e rk e bei m anchen e le k tro ly tis c h e n Prozessen, um die K o nze n tra tio n g le ic h mäßig zu erhalten. W ird K u p fe rv itrio llö s u n g zwischen K u p fe re le k tro d e n so ele ktro- ly s ie rt, daß die Kathode oben und die Anode am Boden sich befindet, so w ird nach län g e re r E le k tro ly s e die F lü s s ig k e it oben k la r, w ährend sich unten eine gesättigte Lösung b ild e t. Die Verschiedenheit in der K o nze n tra tio n d er einzelnen Schichten ließe sich auch e le ktrisch , .wie u n te r 5 angegeben, nachweisen.
W ird 30°/0ige Schwefelsäure zwischen P la tin e le k tro d e n in einer U-Röhre elek- tro ly s ie rt, so w ird nach einigen Stunden die V erschiedenheit der K o nze n tra tio n an d e r K athode u n d Anode in fo lg e der ungleichen W a n derungsgeschw indigkeit der Ionen schon an der Verschiedenheit des N iveaus e rk e n n b a r sein. Man ka nn auch zeigen, daß je tz t die L e itfä h ig k e it g erin g e r ist als die eines ähnlichen A pparates m it g le ic h m äßig 3 0 % ig er Säure derselben T em peratur.
Die K onzentrationsänderung habe ich einm al so dem onstriert. In ein großes Elem entenglas habe ich zw ei gleiche L a m p e n z y lin d e r gleich tie f eingetaucht, das Gefäß e n th ie lt ziem lich verdünnte Schwefelsäure (5 % ige). In die Z y lin d e r tauchten die E le k tro d e n E l aus P la tin (Anode) und E s aus B le i (Kathode) gle ich tie f ein. Nach
beiden Z y lin d e rn 'r id :
m.
F l g . 3.
lö s tü n d ig e r E le k tro ly s e w urde die verschiedene K o n ze n tra tio n in so gezeigt, daß ich auch E l d u rc h eine B le ie le ktro d e ersetzte u n d übe r den Rand des Bechers in der M itte zwischen den G la s z y lin d e rn noch eine d ritte B le ie le ktro d e E 2 anbrachte.
N un w urde E 2 m it dem + -Pol, E l u nd E , u nte r E in scha l
tu n g d er Farbengalvanoskope F t u nd F 2 m it dem — Pol des Anschlusses verbunden. E in Strom von 5 bis 6 Am pere b e w irk te n u r bei F i R otfärbung. Nach zw ei Tagen w urde d e r letzte T e il des Versuches w iederholt. — Die L am pe n z y lin d e r können an den E inschnürstellen durch D ra h t
schlingen an der G laswand aufgehängt werden. Zu emp
fehlen sind auch die von Grim sehl1) angegebenen G laszylinder, welche unten schief abgeschnitten sind.
7. E i n f l u ß d e r E l e k t r o d e n a u f d e n W id e r s t a n d . D er W id ersta nd hängt teilw eise von der E lektrodengröß e ab. Die W annen A u n d B in der Strom verzw eigung d e r F ig . 1 enthalten g le ich v ie l ve rd ü n n te Schwefelsäure zwischen B le ie lektro de n.
In beiden Zweigen ist alles gleich, n u r is t oder E 2 ein n ic h t sehr tie f eintauchender B le id ra h t oder ein B le ib le c h , welches bloß ein w enig an einer E cke eingetaucht ist.
S ch ic k t m an etw a 5 bis 10 Am pere Strom d urch die A n ord nu ng , so geht dieser h aupt
sächlich d urch B u nd b e w irk t d o rt R o tfä rb u n g in F a. Statt der Farbengalvanoskope eignet sich fü r diesen Versuch auch sehr g u t ein G lühlam penw iderstand an Stelle vo n F {\ der Z w eig B F 2 is t u n n ö tig ; w ird E 2 m ehr oder w en ig e r tie f eingetaucht, so zeigen sich H elligke itsschw a nku ng en , besonders auch, w enn die stabförmi'ge E le ktrod e m it einem G la szylin d e r um geben is t und dieser m ehr oder w en ige r tie f eingetaucht w ird . Als F lü s s ig k e it fü r den letzten Versuch benutze ich Z in k v itrio llö s u n g zwischen Z in k e le k tro d e n .
8. V e r ä n d e r u n g d e r E le k t r o d e n . A uch u np olarisierba re E le k tro d e n wie Z in k in Z inksu lfatlö sun ge n erleiden d urch G leichstrom V e ränderungen: die Kathode w ird schwerer, die Anode w ird leichter. N achweis d urch W ägungen oder auch wie fo lg t. E t is t ein Z in k b le c h , E 2 ein 2 cm langer, n u r 1 m m b re ite r Blechstreifen, C0 ein Strom w ender, der S tarkstrom v e rträ g t. Is t E 2 Anode, so w ird das M etall angefressen,
<) Vgl. ds. Zeitschr. Iß (1903), S. 162.
45*
356 H . Lü d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p Z e its c h r ift f ü r d e n p h y s ik a lis c h e n - E in u n d z w a n z ig s te r J a h rg a n g .
die a nfängliche R ötung oder Schw ärzung des F arb blattes F h ö rt auf, der Z in kstre ife n w ird ganz glü he nd und k le in e r. L e g t man den Strom w ender je tz t u m , so w ird E? n e g a tive r Pol, es b ild e t sich ein B a rt von langen Z inkfä de n , die R ötung t r i t t w ie d e r ein. W ird die U m schaltung zu spät vorgenom m en, so w ird die E le k tro d e schließlich n ic h t m ehr eintauchen, der Strom h ö rt übe rh au pt auf. Ersetzt m an F d urch einen G lühlam pensatz, so beobachtet m an H e llig keitsänderungen beim K o m m u tie re n , was w o h l noch anschau
lic h e r ist.
9. P o la r is a t io n . D ie P olarisation w ir k t bei Benutzung des Gleichstrom es w ie ein scheinbarer W iderstand. B ei einigen d e r
oberen Versuche ist daher e ig en tlich die V e rw e nd un g des Stromes einer W echselstrom maschine am Platze. Da aber bei der m eist gew ählten F o rm der S trom verzw eigung die P o larisatio n in beiden Zw eigen a u ftritt, w ir k t sie m eist n ic h t störend.
W ird W in F ig . 4 ersetzt d urch 10 in Serie geschaltete A k k u m u la to re n , w ährend vo m Anschluß ein Strom von etwa 30 — 40 V o lt K lem m spannung abgeschaltet w ird , so w ird bei H inte re ina nd e rsch altu ng der B a tte rie und des Anschlußstrom es in dem Farbengalvanoskop F k rä ftig e R ötung e rfolgen, n ic h t aber nach Um schalten des Anschlußstromes m it dem Strom w ender Ca, da je tz t B atte rie und Anschlußstrom sich schwächen.
Ersetzt m an die B a tte rie W d u rc h 10 hintereinandergeschaltete k le in e Gefäße m it v e rd ü n n te r Schwefelsäure und B le ie le k tro d e n , so zeigt F nach längerem S trom durchgang auch Änderungen beim K o m m u tieren , die b a ld verschw inden. W ird C^.
um gelegt, so t r it t ein stä rke rer Strom auf, da je tz t einige Z e itla n g der p rim ä re Strom und die d urch P olarisation e rfo lgte L a d u n g der p rim itiv e n A k k u m u la to re n sich n ic h t schwächen. H ie rb e i is t auch w ieder sta tt F ein G lü hlam penw iderstand re c h t bra uch bar, da dieser schnell a u f Ä n de run ge n rea gie rt.
10. S p a n n u n g s a b f a ll in e in e r F l ü s s i g k e i t . In einer großen W anne aus Glas oder P orzellan b efindet sich F lüssigke it, in die d urch genügend breite E le k tro d e n E t und E 3 (F ig . 5) Strom des Anschlusses geschickt w ird . Außerdem tauchen noch die H ilfs e le k tro d e n E 3 und E i ein, die durch den D ra h t D ve rb un de n sind. Ic h habe
h ie rb e i ve rd ün nte Schwefelsäure und B le ie le ktro d e n oder Z in k v itrio llö s u n g und Z inkb le ch e benutzt. D ist 0,2 mm d ic k e r N ic k e lin d ra h t oder ganz dünner * 11 E isendraht; daran sind Stückchen aus gelben und roten F a rb b lä tte rn geklebt.
Befindet sich E i d ic h t an E3, so ist
nichts zu beobachten; e n tfe rn t man aber E i von E3 nach E 3 zu, so t r it t zuerst F ä rb u n g des gelben Blättchens und dann des roten e in ; d er D ra h t k a n n schließlich auch glü he nd werden. D re h t m an E 3 Et um 90°, so w ird D n ic h t von Strom durchflossen, da dann P u n kte gleichen Potentials verbunden werden.
Diese D em onstration des Spannungsabfalls ist auch anw endbar, w enn E3 (F ig . 6) in eine von zw ei p a rallele n W annen, Ei in die andere eingetaucht w ird . F ist dann am besten ein K u p fe rd ra h t, der n u r in der M itte ein angelötetes S tück dünnen W id e r
standsdrahtes m it T herm oskoppapier e n th ä lt zum Nachweis eines etwa vorhandenen Stromes; einfaches M odell einer Wheatstoneschen B rücke.
11. S t r o m l i n i e n v e r l a u f in F lü s s ig k e it e n . M it ä h n lic h e r A n o rd n u n g w ie in 10, wobei auch der Ersatz des D rahtes m it dem Farbentherm oskop F d urch eine k le in e G lühlam pe n iederer Spannung zu em pfehlen is t, ka nn man den V e rla u f von S tro m linie n nachweisen. In der m öglichst großen W anne (F ig . 7) sind die E le ktro d e n E 1 u n d E 3 fü r den H auptstrom n ic h t a llz u groß, dazwischen w ird durch die P ro be -
Fig. 5. Fig. 6.
undt ch e m is c h e n U n te r r ic h t .
H e ft V I . N o v e m b e r 1908. H. Lu d t k b, Fa r b b n g a l v a n o s k o p 357
■elektroden E s und E i Strom in den G alvanoskopdraht F g e le ite t, an dem ein Stück rotes F a rb b la tt geschwärzt w ird . Bew egt man E ZF E i senkrecht zu r V erbindungs- Strecke E XE2, so w ird n u r noch gelbes P apier gerötet und schließlich auch das n ic h t m ehr. Ä h n lic h e U ntersuch un g der F lü s s ig k e it, w enn sich v ie r H auptelektro de n in den E cken des Gefäßes befinden, die verschieden m it den Polen
des Anschlusses verbunden w erden können.
W erden zw ei gleiche W annen (F ig . 1) m it gleichen E le ktrod en u n d g le ich v ie l F lü s s ig k e it p a ra lle l geschaltet, so zeigen die gleichen Farbengalvanoskope F x und F a ungefähr gleich v ie l Strom an. L e g t m an nun in die eine W anne, etwa A, ein Stück Blech, so hat dieser Z w eig die größere Strom stärke, F a zeigt keine R ötung; u m gekehrt
hat der N ebenzw eig die größere S trom stärke, und F x w ird n ic h t Fig.7. gerötet, w enn in A ein dickes Stück Glas oder ein H o lz k lo tz in die
F lü s s ig k e it getaucht w ird . Ic h benutze ve rd ü n n te Schwefelsäure, B le ie le ktro d e n und B le ib lech zu diesem Versuche. D er schlechte L e ite r d rä n g t die S tro m linie n aus sich heraus, der gute zieht sie in sich hinein.
Fig- 8.
I’>. Versuche m it Glühlampen und Geißlerschen Röhren.
1. S t r o m v e r b r a u c h d e r G lü h la m p e n . A B , und AB.2 sind g le ich lange N ic k e lin d rä h te von 0,2 m m Durchmesser, Gx und G2 verschiedene G lühlam pen. Is t
<7, eine 32kerzige u nd G2 eine lß k e rz ig e 110 V o lt-K o h le n fa d e n g lü h la m p e , so werden
•die W iderstandsdrähte so erw ärm t, daß A B 2 gelbes F a rb p a p ie r gerade noch schwach rötet, A Bx aber auch rotes P apier k rä ftig schw arzbraun fä rb t. W ird G2 d urch eine lO k e rz ig e Lam pe
•ersetzt, so verm ag A B 2 gelbes P apier n ic h t m eh r zu röten.
E ine 25kerzige T an ta lla m p e v e rh ä lt sich w ie eine lO ke rzige K ohlenfadenlam pe; dies zeigt den geringen S trom verbrauch d e r neueren M etallfadenlam pen.
F ü r manche Beobachtungen ist die E rw ä rm u n g von D rähten statt der S tanniol
streife n vorzuziehen; die E rw ä rm u n g der S treifen is t aber w e ite r sichtbar. U m die S trom stärke ungefähr abzuschätzen, ka n n m an sich eine kle in e Sam m lung geeigneter D rähte anlegen. 0,2 m m d ic k e r N ic k e lin d ra h t röte t bei 0,5 Am pere gelbes P a pier und b rä u n t bei 0,75 Am pere rotes, 0,3 m m d ic k e r D ra h t bei 0,7 und 1 Am pere, 0,5 m m d ic k e r bei 1,2 und 1,75 Am pere. Aus dünnen Eisen- oder P la tin d rä h te n ka nn man ebenfalls eine Skala a nfertigen. F ü r große Strom stärken ka n n m an m ehrere 0,5 m m d ic k e W iderstandsdrähte p a ra lle l schalten.
2. V e r s u c h e m it G e iß le r s c h e n R ö h re n . Die gew öhnlichen Geißlerröhren, w elche in den bekannten E xp erim e n tierkäste n m eist zu finden sind , können zu fo lge nd en Versuchen dienen. D u rc h einen R h u m k o rff w erden sie an der K athoden
seite s tä rke r e rw ä rm t als an d er Anodenseite, da das P o te n tia lg e fä lle u n m itte lb a r an d e r Kathode am größten ist. Nachweis der E rw ä rm u n g durch
A n legen von Therm oskoppapier.
Schaltet man die Röhre G in den S chw ingungskreis von L eide ne r Flaschen L (F ig . 9) — R is t das In d u k to riu m — so k a n n m an es d urch R eg ulieru ng der F un ken strecke F erzielen, daß elektrische Schw ingungen die Röhre durchfließen; die E r w eiterungen an beiden Seiten der Röhre w erden dann g le ic h
m äßig e rw ä rm t, und zw ar erheblich g e rin g e r als die m eist gewundene enge Glas
röhre, welche beide K u g e ln ve rb in d e t. Etwas S e lbstin du ktion im Schw ingungskreise is t h ie rb e i erw ünscht. — Schaltet man v o r und h in te r d er Röhre noch k le in e F a rb e n galvanoskope ein, A B und CD, dünne D rähte, an die gelbe T herm oskopblättchen ge-
R
Fig. 9.
358 H. Ld d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p Z e its c h r ift f ü r d e n p h y s ik a lis c h e n E in u n d z w a n z ig s te r J a h rg a n g .
k le b t sind, so zeigt sich, w enn bei F k rä ftig e F u n k e n in schneller Folge überspringen, daß auch diese D rähte w arm werden, w o h l ein Zeichen dafür, daß auch den die R öhre durchfließenden Schw ingungen eine gewisse e ffe ktive S trom stärke zukom m t, w enn auch n ic h t bewiesen ist, daß die Strom stärke in diesen D rähten der in der Röhre g le ich ist.
M it den Strömen der Sekundärspule eines T eslatransform ators is t es schw erer w ie bei den letzten Versuchen, eine so starke E rw ä rm u n g der Glaswände der Geiß- lerschen R öhren zu erzielen, daß gelbe F a rb b lä tte r gerötet w erden, obw ohl die Röhren h e ll leuchten. Es h a n de lt sich also um verhältnism äß ig ka ltes L ic h t.
H inw eis a u f die Ökonomie in der Lichtausbeute. B e nu tzt man ein n ic h t zu kleines In s tru m e n ta riu m , so ka nn d urch k rä ftig e Teslaström e bei län ge rer Versuchs
dauer und passend gew ählten R öhren auch die E rw ä rm u n g des Glases d urch A nlegen von F a rb b lä tte rn nachgewiesen w erden. A n beiden Enden t r it t K a th o d e n lic h t auf, w ährend in der M itte A n o d e n lic h t ist. Es w erden dem entsprechend auch die E le k tro d e n ku g e ln besonders erw ärm t. Es e m p fieh lt sich bei diesem letzten Versuche m anchm al, übe r der Flam m e gerötete F a rb b la tts tre ife n an die G laswand zu legen u n d zu zeigen, daß die R ötun g, die b e k a n n tlic h erst bei 25° w ie d e r ve rsch w in de t, bestehen b le ib t.
('. Versuche mit Kondensatoren.
1. D ie S t r o m s t ä r k e im S c h w in g u n g s k r e is v o n L e id e n e r F la s c h e n . Z u r D em onstration der Strom stärke in dem S chw ingungskreise von L eide ne r Flaschen, der schon b ei den Versuchen m it Geißlerschen Röhren V erw e nd un g fand, sind F a rb e n galvanoskope (S tanniolstreifen oder kurze, dünne D rähte m it F a rb b lä tte rn ) o ft re ch t geeignet ihres geringen W iderstandes wegen. Stanniol hat auch w ohl ke in e a llz u große S e lb s tin d u k tio n ; aber m an d a rf sie n ic h t ohne weiteres gleich n u ll annehm en, sonst kö nn te m an prüfen, bei w elch er G leichstrom stärke ein gewisser S tan nio lstre ifen , d er in diesem S chw ingungskreise gerade G elbpapier rö te t, dasselbe tu t, und hätte d ie e ffe ktive Strom stärke. D er W id e rs ta n d ist v ie lle ic h t in beiden F ä lle n verschieden u n d die E rw ä rm u n g im S chw ingungskreise zum T e il a u f höhere Spannungsdifferenz an den Enden des Stanniolstreifens zu setzen. Im m e rh in läß t die E rw ä rm u n g eines Stanniolstreifens den Schluß a u f eine um so größere S trom stärke zu, je b re ite r d e r e rw ärm te S treifen ist.
Anfangs w un de rt m an sich, daß solche S tanniolstreifen ü berhaupt b ei dieser V ersuchsanordnung nennensw ert e rw ä rm t w erden. Es w a r m ein Bestreben, m ö g lich st b reite Streifen z u r E rw ä rm u n g zu b ring e n. B e ka n n t is t, daß G lühlam pen vo n n ic h t a llz u hoher Spannung z. B. beim Im pedanzversuch zum Leuchten g ebracht w erden, 7* bis 1 A m p. also le ic h t zu erzielen ist. Die G lühlam pen sind fü r S trom stärke
untersuchungen im Schw ingungskreise n ic h t sehr geeignet, da sie einigen W id ersta nd haben; es ist aber w esentlich, daß der W iderstand, einschließlich des von der S elbst
in d u k tio n verursachten Anteiles, m öglichst k le in ist. In dieser Zeitschr. 20, 1907, S. 357, habe ic h schon einen h ie rh e r gehörigen Versuch beschrieben, der z e ig t, daß auch bei diesen S chw ingungen die E le k triz itä t ein re c h tw in k lig e s S tanniolstück so d urchflie ß t, daß n ic h t die Spitze bevo rzu gt w ird .
2. L e id e n e r F la s c h e n w i r k e n w ie e in T r a n s f o r m a t o r . N ic h t ohne Interesse scheint m ir ein Versuch zu sein, der zeigt, daß die L eide ne r Flaschen den aus dem In d u k to riu m zugeführten Strom hoher Spannung ä h n lic h w ie ein T ra n s fo rm a to r in Schw ingungen von n iederer Spannung u n d e rh eb lich er Strom stärke um w andeln. Ohne.die B a tte rie L eide ne r Flaschen L w ürde die F un ken strecke F e rh eb lich größer sein können, die Spannung w ird also herabgesetzt. Das aus einem T -förm igen S tück Stanniol bestehende Farbengalvanoskop G (F ig . 10) ze ig t n u n an, daß d er von dem In d u k to riu m kom m ende Z w eig eine geringe Strom stärke h a t; selbst ein rech t schm aler S tanniolstreifen w ird n ic h t e rw ärm t. Aus den L e id e n e r Flaschen entstam m t eine S chw ingung v o n
u n d ch e m is c h e n U n te r r ic h t .
H e ft V I . N o v e m b e r 1908. H. Lü d t k e, Fa r b e v g a l v a n o s k o p 359
n ic h t une rh eb lich e r Strom stärke. Beim U m biegen um die Ecke in dem T -S tü ck ist d e u tlic h zu sehen, daß der Strom e rh eb lich er Stärke von den Leide ne r Flaschen nach F fü h rt, n ic h t vom In d u k to riu m . Die F un ke n stre cke F d a rf n ic h t zu k le in sein, die k rä ftig e n F u n ke n müssen andrerseits aber auch m öglichst k o n tin u ie rlic h überspringen.
Ic h benutze einen Q u e cksilb e rtu rb in e n u n te rb re ch e r der A.E.G. und einen k le in e n In d u k tio n s a p p a ra t vo n 6— 8 cm F unkenlänge. Die Flaschen w irk e n also w ie ein T ransform ator. Ic h b in der A nsicht, daß dieser Versuch fü r den U n te rric h t geeignet is t, da er einen E in b lic k in die W irkungsw eise der L eide ne r Flaschen gestattet.
Ohne K e nn tn is von d er erheblichen Strom stärke in diesem Schw ingungskreise versteht m an eine Reihe von Erscheinungen, z. B. die k rä ftig e in d u k tiv e W irk u n g , n ic h t ganz.
Statt des T -förm ig en Stanniolstückes is t auch T -fö rm ig geschalteter dünner D ra h t, an den die F a rb b lä tte r angelegt w erde n , brauchbar. A uch m it G lühlam pen, die a lle r:
dings fü r diesen Versuch n ic h t sehr geeiguet sind, läßt sich dasselbe zeigen.
3. V e r g l e i c h v o n K a p a z it ä t e n . D ie E rw ä rm u n g von S tanniolstreifen oder dünnen D rähten in unserm S chw ingungskreise ka nn zu ungefähren V ergleichungen der Kapazitäten zw eier Kondensatoren b en utzt werden. W ird außer den zu ver-
G F ----1 /sV/77>—* •---- R
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Fig. 10.
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4 y £2
gleichenden K apazitäten nichts geändert, w eder an der Länge der F un ken strecke noch an der Länge der benutzten D rähte, so ist die B re ite des Stanniolstreifens, der gerade noch in seiner ganzen B re ite gelbes F a rb p a p ie r rötet, ein ungefähres Maß fü r die K a pa zitä t. D ie A u sfü h ru n g des V e rgleich s m it einer großen Maßflasche und einer k le in e n Flasche ergab z. B. 7 und 3‘/3 m m Streifen breite des Stanniols, also ein V e r
h ältn is 2 :1 . Die F lächen v e rh ie lte n sich etwa w ie 4 : 1 , die G lasdicken w aren 4 mm und 2 m m ; die Messung stim m te also m it der Berechnung. Beim Versuche is t zuerst die größere K a p a z itä t einzuschalten, da im um gekehrten F a lle b ei E in scha ltun g der zw eiten K a p a z itä t die F u n ke n stre cke sich als zu k le in erweisen kann.
4. S c h a lt u n g v o n L e id e n e r F la s c h e n . S te llt L in dem S chw ingungskreise F ig . 9 oder 10 eine L eide ne r Flasche m ittle re r Größe v o r, so e rh ä lt m an bei einer bestim m ten F un ken län ge im Schließungsbogen die m axim ale W ärmemenge, die einen n ic h t zu b re iten S tanniolstreifen so erw ärm t, daß er G elbpapier eben rötet, n ic h t aber R otpa pier braunschw arz fä rb t.
Schaltet man die L eide ne r Flaschen L t und L 2 h in te re in a n d e r (a u f Spannung, K askadenschaltung), so ka nn m an eine u ng efä h r doppelt so lange F un ken strecke w ie bei einer Flasche erzielen; der v o rh e r benutzte S tanniolstreifen w ird n ic h t m ehr so sta rk e rw ä rm t, daß er gelbe F a rb b lä tte r röte t. Die Spannung is t also größer und die S trom stärke k le in e r geworden. Schmälere S tanniolstreifen oder besser ganz dünne W iderstandsdrähte, Su S2 und S3 in F ig . 11, zeigen aber auch in diesem F a lle E rw ä r
m ung an. Die Ström ung in S3 ist d urch In flu e n z entstanden u n d vo n g le ich e r S tärke w ie die in S1 und Ss.
Schaltet m an zw ei Flaschen, L { und Z 2 in F ig . 12, p a ra lle l (a u f Q u a n titä t), so ka nn m an beobachten, daß die Länge d er F u n k e n s tre c k e fü r E rz ie lu n g m a x im a le r W ä rm e w irk u n g im G alvanoskop je tz t etwa h a lb so groß is t w ie b ei einer F lasche;
der v o rh in benutzte S tanniolstreifen w ird so sta rk e rw ä rm t, daß er rotes Therm oskop- pap ie r d u n k e l fä rb t; ein S tanniolstreifen vo n d op pe lter B re ite ve rm ag G elbpapier zu
360 Z e its c h r ift f ü r den p h y s ik a lis c h e n E in u n d z w a n z ig s te r J a h rg a n g . H . Lu d t k k, Fa k b e n g a l v a n o s k o p
röten. B enutzt m an ein S tanniolstück von D oppel-T-Form , A B C D E in F ig . 12, so sieht man, daß die eine H ä lfte des Stromes aus der einen Flasche, die andere H älfte aus der andern Flasche kom m t. C D muß halb so b re it sein w ie B E . D er Z w eig A B k a n n e ventuell re c h t schmal geschnitten w erden. Ü ber die S ta n n io lfig u r is t wie gew öhnlich ein F a rb b la tt gespannt.
Schaltet man m öglichst vie le Flaschen p a ra lle l und sorgt d a fü r, daß w en ig W iderstand und S e lb s tin d u k tio n 1) in dem Schw ingungskreise ist, so w erden Stanuiol- streifen von m ehreren Zentim etern B reite so erw ärm t, daß sie G elbpapier r ö te n , eine E rscheinung, die zu Strom linienuntersuchungen fü r Schw ingungen hoher Frequenz ben utzt werden kann.
5. D ie K a p a z i t ä t i s t p r o p o r t io n a l K F : d. Die D em onstration der Tatsache, daß die K a p a z itä t eines Kondensators der D ie le k triz itä ts k o n s ta n te W u n d der P la tte n größe F d ire k t, dem A bstand d der P latten aber u m g eke hrt p ro p o rtio n a l ist, kann m an auch nach obiger Methode führen. Ic h benutze dazu m ehrere selbstgefertigte F ra n k lin s c h e T a fe ln , alte große photographische G lasplatten von 1,7 m m D ic k e , die teilw eise m it Stanniol b e k le b t sind , u nd eine ähnliche T a fe l dop pe lter D icke. A ls G alvanoskop d ie n t ein ganz schm aler Stanniolstreifen oder re c h t dünner Eisendraht in obigem Schw ingungskreise. B enutzt man eine P la tte der ersten A rt, so beobachtet m an R otfärbu n g eines gelben F arb blättche n s, bei der d icke n P latte n ich t. Schaltet m an 2 P la tte n der ersten A r t p a ra lle l, so ist die Fläche größer gew orden und die E rw ä rm u n g stärker.
D er E influß der D ie le k triz itä ts k o n s ta n te ließe sich v ie lle ic h t nach dieser Methode d u rc h V e rgleich m it einer 1,7 m m d icke n H a rtg u m m ita fe l zeigen, ic h habe diesen Versuch aber n ic h t gem acht. Ic h benutze einen L u ft- bzw. P etroleum kondensator, d e r aus alten A kkum ulatorengefäß en, die m it N uten im In n e rn versehen sind, herge- g e ste llt w urde. Die B le ip la tte n sind teilw eise durch Z in k p la tte n ersetzt, in jedem Gefäße 3 P la tte n von etw a 1 cm Abstand. M ehrere derartige Gefäße w urden zu einer B a tte rie v e re in ig t, als H itzd ra h tg a lva n o sko p w urde dünner Eisendraht aus dem V o r
schaltw iderstand einer N ernstlam pe benutzt. D er L u ftko n d e n sa to r b e w irk te keine R o tfärbu n g des T herm oskoppapiers am H itz d ra h t, w oh l aber bei g le ich e r F u n k e n strecke der m it P etroleum g efü llte.
Aus jed em Kondensatorgefäß ka n n man eine der d re i P la tte n entfernen und dadurch die Oberfläche a u f die H ä lfte v e rk le in e rn . S chließlich k a n n m an den ü b rig b leibenden P la tte n noch die doppelte E n tfe rn u n g geben; dadurch w ird die K a p a z itä t so gerin g , daß selbst der dünne D ra h t n ic h t m ehr genügend e rw ä rm t w ird . E in ziem lic h großer Petroleum kondensator aus 4 d erartige n Gefäßen hatte n ic h t so v ie l K a p a zitä t w ie eine k le in e L e id e n e r Flasche. In E rm an ge lun g von A kkum ulatorengefäß en kann m an die fü r photographische Zw ecke gebauten Glasgefäße zum E n tw ic k e ln und Wässern stehender P la tte n verw enden.
6. E in f lu ß des F u n k e n s a u f d ie E r w ä r m u n g im S c h lie ß u n g s b o g e n . Es ist schon erw äh n t worden, daß die F unkenstreeke zw eckm äßig re g u lie rt w erden muß, d a m it die F arbengalvanoskope m ög lich st v ie l anzeigen. F u n k e n in Öl geben auch E rw ä r
m ung im Stanniolgalvanoskop, aber n ic h t ganz so k r ä ftig w ie bei einer F un ken strecke in L u ft , eine Beobachtung, die v ie lle ic h t n ic h t v ö llig z u trifft, da m eine A n o rd n u n g n u r u n v o llk o m m e n sein konnte. F u n k e n in Wasser ve rh ie lte n sich ähn lich , aber n u r w enn außerdem noch eine L u ftfu n k e n s tre c k e eingeschaltet w a r; ohne diese e rz ie lt man n u r k le in e F ün kche n im Wasser u n d unbedeutende E rw ärm un g. F u n k e n in einer brennenden Gasflamme können län ge r sein als in L u ft, die E rw ä rm u n g im F a rb e n galvanoskop w ird g e rin g e r; sie w ird übe rh au pt erst le ic h t nachweisbar, w enn außer
dem noch eine L u ftfu n k e n s tre c k e eingeschaltet w ird . Ä hnliches g ilt fü r die E n t
l) Vgl. St a r k e, „Experimentelle Elektrizitätslehre“ , 1904, S. 265 und 273.
u n d ch e m isch e n U n te r r ic h t .
H e ft V I. N o v e m b e r 1908. H. Lü d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p 361
la d u n g d u rc h lu ftv e rd ü n n te Räume, etwa Geißlersche Köhren, die schon oben e r
w ähnt sind.
F u n k e n in anderen Gasen, ich habe m ich a u f C02 und Leuchtgas beschränkt, gaben ke in e andern Resultate wie in L u ft. K le in e A b w e ic h u n g e n , die zu erw arten sind, lassen sich b ei dieser Methode n ic h t feststellen. Den 'Einfluß von Chlorgas, der nach Vo eg e e rh eb lich sein soll, konnte ich n ic h t untersuchen.
D ie U n te ite ilu n g einer B unken strecke ist auch von Einfluß. Sprang der F un ken aut einei G lasplatte über, auf der Messingspäne d urch G um m i fe stg ekleb t w areu , so e rh ie lt m an g leitende F u n k e n , die lä n g e r w aren als die einfache F un ken strecke in L u ft, und dem entsprechend geringere E rw ä rm u n g des Farbengalvanoskops.
Bei dem Versuche, die F unkenstrecke in eine K a p illa re zu verlegen, is t es . h in d e rlic h , daß die G lasröhre b a ld d urchschm ilzt.
7. N a c h w e is u l t r a v i o l e t t e r S t r a h lu n g . Starke B e lic h tu n g der F unkenstrecke zwischen Z in k k u g e ln is t n a tü rlic h auch vo n E influß a u f dieselbe und a u f die S ch w in gungen im Schließungsbogen. Man w ähle die F unkenstrecke F in F ig . 10 so groß, daß n u r dann und w ann F u n ke n ü be rsp rin ge n; ein eingeschaltetes F arbengalvanoskop passender Breite zeigt keine R ötung an. W ird nun d urch Nähern einer N ernstlam pe
— ic h benutze eine solche, die 1 Am p. Strom ve rb ra u c h t — die F unkenstrecke k r ä ftig b elichtet, so springen die F u n k e n zahlreicher ü b e r; die k o n tin u ie rlic h überspringenden F u n ke n verursachen stärkeres Geräusch, das Farbengalvanoskop zeigt k rä ftig e R ötung an. Man b ring e Glas, G lim m e r und Ä hnliches m ehr zwischen F un ken strecke und N ernstlam pe. K le in e Bogenlam pen sind fü r diesen Versuch w ahrscheinlich auch geeignet.
8. E i n f l u ß u n d E r w ä r m u n g d e r E l e k t r o d e n . B enutzt man die von der Sekundärspule eines R h u m k o rff gelieferten Schw ingungen d ire k t und als E le ktrod en d ic k e S trickn a d e ln desselben Bündels, so läßt sich folgendes zeigen. Bei n u r etwa 1 mm lan ge i B unkenstiecke ze ig t ¿ich b a ld nach Inbetriebsetzung des In d u k to riu m s , daß die beiden E le ktro d e n rech t heiß sind. Bei n ic h t a llzu großer Funkenstrecke, 2 cm etwa bei dem von m ir benutzten A p p a ra t, ist nach k u rz e r Z e it zu beobachten, daß n u r die K athode sta rk e rw ä rm t ist und gelbe F a rb b lä tte r rötet. Bei längerer F un ken strecke , 5 — 6 cm meines In d u k to riu m s , springen die F u n k e n seltener ü b e r;
man muß zie m lich lang’e w arten, bis auch die K athode w arm w ird .
K o h le n e le ktro d e n aus einer L ilip u tb o g e n la m p e zeigten bei 2 cm Abstand ein anderes V e rha lten w ie S tric k n a d e ln , die Anode w ird mindestens ebenso sta rk und ebenso schnell e rw ä rm t wie die K athode, ä hn lich w ie ja auch im K o h le n b o g e n lich t d ie positive K o h le die heißere ist.
Im S ch w in g un gskreis der L eide ne r Flaschen, F ig . 10, w ird bei l l/ a m m lan ge r F un ken strecke die Z in k k u g e lk a th o d e in wenigen A u g e n b lic k e n sta rk e rw ä rm t, n ic h t aber die A n o d e n k u g e l; ein F arbengalvanoskop G aus Stanniol oder ein dünner K o h le n stab m it angeklebtem F a rb b la tt zeigt noch keine E rw ä rm u n g an. Beim K o m m ittie re n des p rim ä re n Stromes ze ig t die andere E le k tro d e dasselbe V erhalten. Bei 5— 6 mm Abstand der Z in k k u g e ln bleiben beide verhältnism äß ig k a lt, aber im Schließungsbogen t r it t stärkere E rw ä rm u n g a uf, das Farbengalvanoskop ze ig t sofort R ötung, an den Z in k k u g e ln w ird aber selbst nach län g e re r Z e it noch ke in F a rb b la tt verändert. D er H au ptw id ersta nd lie g t also im ersten F a lle an der Kathode, im zw eiten F alle, in dem es sich um Schw ingungen anderer A r t handelt, im Schließungsbogen.
Ersetzt man die z u le tzt benutzte 5 6 m m lange F un ken strecke zwischen Z in k k u g e ln d urch eine gleich ange zwischen K o h le n e le k tro d e n , so ist die E rw ärm un g des F arbengalvanoskops im Schließungsbogen e rh eb lich g eringer. Die F unkenstrecke läßt sich aber w e ite r, b ei m einer A n o rd n u n g a u f 12 mm, auseinanderziehen, dann w ird die E rw ä rm u n g im Farbengalvanoskope annähernd, aber n ic h t ganz so sta rk wie bei B enutzung der Z in k k u g e ln . Schaltet man den Strom b ei m a x im a le r F un ken län ge
362 H . Lü d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p Z e its c h r ift f ü r den p h y s ik a lis c h e n E in n n d z w a n z ig s te r J a h rg a n g .
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p lö tz lic h aus, so entsteht d er F u n k e n beim Einschalten m eist n ic h t von selbst w ieder, m an muß die K o hle n erst w ieder etwas nähern. D ie gew öhnliche Benutzung von Z in k k u g e ln im S chw ingungskreis als F u n ke n e le ktro d e n hat also ih re n guten G rund.
9. I m p e d a n z v e r s u c h . Den b ekannten Im pedanzversuch k a n n m an auch in folge nd er Weise ausführen. A B und C D in F ig . 13 sind längere, d icke K u pferdrä hte , daran sind zwischen B und C ein 10 cm lan ge r und zwischen A u nd D ein 20 cm lan ge r W id ersta nd sdrah t von 0,2 bis 0,3 m m D icke gelötet. S ch ic k t m an d u rc h diesen A p p a ra t G leichstrom von passender S trom stärke (ele ktrisch e r Anschluß u nd V o rsch a lt
w iderstand), so ka nn m an es erzielen, daß d er D ra h t B C angeklebtes T herm oskop- p a p ie r fä rb t, A D n ic h t, g le ic h g iltig ob die S tro m zu fü hrun g b ei A und D oder bei B und C oder dazwischen irg en d w o e rfo lgt. W ird dieser A p p a ra t aber an die Stelle d er P rim ärspule eines T eslatransform ators in den Schw ingungskreis von L eide ne r Flaschen geschaltet, so w ird A D F a rb b lä tte r röten, n ic h t aber B C; es is t je tz t n ic h t g le ic h g iltig , wo die S tro m zu fü hrun g e rfo lg t; diese muß v ie lm e h r bei A und D erfolgen, w enn die genannte Erscheinung ein trete n soll.
10. S e l b s t i n d u k t i o n . W ir d sta tt des Im pedanzbügels in F ig . 13 eine S pirale Sp (F ig . 14) b en utzt und außerdem noch ein Farbengalvanoskop F in die H a u p tle itu n g
geschaltet, so ka nn man bei geeigneter S treifenbreite des Stanniols ze ig e n , daß R ötung bei F n u r e in tritt, w enn von A nach B eine S tric k n a d e l oder ein b la n k e r
D ra h t über die Z ule itun gsd rä h te z u r S pirale B B tf gelegt w ird . Dies ze ig t, daß die Selbst-
Fig. i3. in d u k tio n der aus w enigen W in d u n g e n Fig. u.
d icke n K u p fe rd ra h ts bestehenden Spirale
den e lektrischen Schw ingungen m e rk lic h e n W id e rsta n d entgegensetzt und die S trom stä rke herabsetzt.
11. K u r z s c h lu ß . N ebenbei bem erkt, benutze ich eine ganz ähnliche A nordnung, um im A n fa n g s u n te rric h t den B e g riff K u rzschluß zu erläu te rn . Sp ist n u r eine Spirale aus vie le n W in du ng en dünnen, b la n k e n W iderstandsdrahtes a u f einer G lasröhre. Noch besser is t es, w enn m an m ehrere solche R öhren h in te re in a n d e r schaltet. S ch ickt man m it B enutzung eines V o rscha lt Widerstandes G leichstrom d u rc h die A n o rd n u n g , so zeigt der n ic h t a llz u b re ite S tanniolstreifen F keine E rw ä rm u n g an, w o h l aber werden F a rb b lä tte r an der S pirale Sp gerötet. W ird nun der b la n ke D ra h t A B über die Z u leitungsdrähte gelegt, so k e h rt sich die E rscheinung um. B ei W ie d e rh o lu n g des V e r
suchs m it k le in e re m V o rsch a ltw id e rsta n d b re n n t F durch.
12. A n d e r e W id e r s t ä n d e im S c h w in g u n g s k r e is e . Ersetzt m an Sp in F ig . 14 d urch eine W anne m it W asser, in das D rähte als E le k tro d e n eintauchen, so ka nn m an ähn lich w ie in N r. 10 zeigen, daß beim V e rb in d e n der E le k tro d e n d u rc h einen M e ta lld ra h t die Strom stärke größer w ird . Ebenso zeigt man, daß Geißlersche Röhren oder auch n ic h t zu ku rze G ra p h its tifte , von der A r t w ie sie beim Z irk e lz e ic h n e n benutzt w erden, den S chw ingungen W iderstand entgegensetzten.
13. V e r s u c h e m i t t ö n e n d e m F la m m e n b o g e n u n d P a p ie r k o n d e n s a t o r . In der in F ig . 10 skizzierten A n o rd n u n g ka nn die K a p a z itä t L n ic h t etw a d urch einen Papierkondensator, w ie m an ih n in unsern In d u k to rie n g eb ra uch t, ersetzt werden, selbst n ic h t bei ganz k le in e r F un ken strecke F , da die Is o lie ru n g sehr b a ld d u rc h schlagen w ird . F ü r Versuche m it solchen Papierkondensatoren e m p fieh lt sich die A n o rd n u n g von Du d d e l z u r D em onstration der tönenden Bogenlampe, Versuche, die in den letzten Ja hren d urch Po u l s e n eine gewisse Bedeutung e rla n g t haben. D er Strom des e lektrischen Anschlusses w ird d urch einen V o rscha ltw id ersta nd W und eine Drosselspule h in d u rc h in die H an dre gu lie rb og e nlam p e A F B g esch ickt, F ist der Flam m enbogen, B C D E ein T-förm iges S tanniolgalvanoskop und K ein p a ra lle l
u n d c h e m isch e n U n te r r ic h t .
H e ft V I . N o v e m b e r i9 08. H . Lü d t k k, Fa r b e n g a l v a n o s k o p 363
zum L ich tb og en geschalteter, m öglichst großer Papierkondensator, d er k o n tin u ie rlic h e Schw ingungen h e rv o rru ft, die sich übe r den Lich tb og en lagern u nd diesen zum Tönen veranlassen. Es w ird gew öhnlich empfohlen, den V o rscha ltw id ersta nd m öglichst groß zu w ählen, der A bstand der K o h le n soll n u r g e rin g sein, die
D ic k e der K o hle n etw a 2 m m betragen, der L ich tb og en soll in einer Wasserstoff- oder Leuchtgasatm osphäre sich befinden, am einfachsten also in einer brennenden Bunsenflam m e; fe rn e r ist es von V o rte il, den L ich tb o g e n zwischen die Pole eines k rä ftig e n E lektrom agneten zu bringen. Den P apierkondensator kann man sich selbst anfertigen aus Stanniol und Papier, welches d urch geschmolzenes P a raffin gezogen ist. Ic h benutzte einen solchen in V e rb in d u n g m it einem gekauften, der eine K a p a z itä t von 1 M ik ro fa ra d haben soll.
D ie a u f diese Weise erzeugten K ondensatorschw ingungen von v ie lle ic h t 10 000 W echseln in 1 Sek. k a n n m an nun zu ähnlichen Versuchen benutzen, w ie sie im vo rh e rig e n beschrieben sind. Ic h habe a lle rd in g s etwas d icke re K o h le n benutzt, als g ew öhnlich angegeben w ird , da es d a ra u f ankam , eine größere S trom stärke zu erzielen, d er L ich tb og en reiß t dabei le ic h t ab. A uch hätte die K a p a zitä t meines Kondensators zw eckm äßigerw eise noch größer sein können. A uch h ie r zeigte sich, daß der Z w eig B C D im S tanniolgalvanoskop, der nach dem K ondensator fü h rt, größere Strom stärke hat, der Kondensator v e rw a n d e lt also den zugeführten Strom w ie ein T ra n sfo rm a to r in Schw ingungen n ie de rer Spannung und größerer Strom stärke. Is t d er Z w eig E B C etwas schm äler als der S tauniolstreifen CD, so beobachtet man, daß auch h ie r R ötung a u ftritt, an der Innenseite beim U m biegen von E nach B ■ es fließ t also auch d ire k t Strom vom Anschluß d urch den L ich tb og en . Versuche über S chaltung m ehrerer K ondensatoren kö nn ten angeschlossen w erden und dgl. D er Im pedanzversuch läßt sich le ic h t anstellen. Schaltet man in den D uddel-S chw ingungskreis eine S pirale Sp (F ig . 14), die d urch einen dünnen W id ersta nd sdrah t A B kurzgeschlossen ist, so röte t dieser F a rb b lä tte r; die Schw ingungen gehen also n ic h t d urch die S pirale aus d icke m K u p fe rd ra h t.
L e ite t m an die S chw ingungen d urch die P rim ä rspu le eines In d u k to riu m s , so lie fe rt die Sekundärspule kle in e F un ken , die a u f einen K o h ä re r e in w irke n .
14. A n d e r e V e r s u c h e m it P a p ie r k o n d e n s a t o r e n . Setzt m an an die Stelle der tönenden Bogenlam pe einen W ehnelt- oder S im onunterbrecher, so läßt sich die in F ig . 15 und 10 skizzierte E rscheinung n ic h t beobachten. Die Strom stärke in dem Zw eige E B C is t erheblicher. D er Kondensator s p rich t n ic h t an; es is t ja auch be
ka nn t, daß bei diesen U nterbrech ern die E in scha ltun g eines Kondensators u n zw e ck
mäßig ist.
Ebenso gelang es m ir n ich t, durch den Strom einer k le in e n W echselstrom maschine dünnen D ra h t, d er nach der K a p a z itä t von 1 M ik ro fa ra d fü h rte , zu e r
wärm en.
W o h l aber k a n n m an das F u n k tio n ie re n des Kondensators bei Benutzung n ic h t
e le k tro ly tis c h e r U nte rb re ch e r beim R h u m k o rff m it dem Farbengalvanoskop dem on
strieren, und dies is t ein fü r den U n te rric h t bra uch ba re r Versuch. Ic h benutzte einen Q uecksilbe rturbin en un te rb rech er, schaltete den K ondensator des In d u k to riu m s aus und schaltete p a ra lle l zu dem U nterbrech un g sfun ken den P apierkondensator von 1 M ik ro farad. 0,2 m m d ic k e r N ic k e lin d ra h t, der zum M ik ro fa ra d fü hrte , w u rd e so sta rk e r
w ärm t, daß er Therm oskoppapier röte te ; die W irk u n g des In d u k to rs w ird d urch das Einschalten des Kondensators gleichm äßiger. A lle rd in g s ist bei diesen K ondensator
schw ingungen die Strom stärke nach dem Kondensator h in n ic h t w ie bei der T esla a no rd nu ng oder D uddelschaltung größer als in der u rs p rü n g lic h e n Strom bahn selbst, w ie b ei E in scha ltun g eines T-Stückes aus Stanniol zu sehen ist.
+1/O D A
Fig. 15.
46
364 H . Lü d t k e, Fa r b e n g a l v a n o s k o p Z e its c h r ift f ü r den p h y s ik a lis c h e n E in u n d z w a n z ip s te r .Ja h rgang.
I). Verlaufen Schwingungen hoher Frequenz nur auf der Oberfläche eines Leiters?
1. E i n le i t u n g . Schon H . He r t z hat d a ra u f aufm erksam gemacht, daß schnelle e lektrische Schw ingungen die Oberfläche bevorzugen. E ine E rk lä ru n g d a fü r fin d e t m an z. B. bei St a r k e, Exper. Elektrizitätslehre, 1 9 0 i §277, und bei Zi l l i c i i, der sich in dieser Zeitschr. 20, Heft 6 m it unserer Frage beschäftigt hat. Zustim m en muß man der Angabe Zi l l i o h s, daß er bei D urchsich t d er L ite ra tu r ke in en V ersuch zu r D em on
stration d er E rscheinung getroffen habe. M it dem F arbengalvanoskop ist der N ach
weis nach verschiedenen Methoden le ic h t zu führen.
Es sei m ir gestattet, einen teilw eisen Z w eife l an der ü bliche n B egründung der E rscheinung auszusprechen. „D ie innersten Fäden sind a llse itig , die an der O ber
fläche b e fin d lich e n n u r teilw eise von benachbarten Fäden umgeben. Im In n e rn des D rahtes w erden daher die S trom schw ankungen m ehr durch In d u k tio n h e ru n te rg e d rü ckt als an seiner Oberfläche. Dies hat z u r Folge, daß sehr schnelle W echselström e n u r noch a u f der Oberfläche v e rla u fe n .“ F o lg t aus dieser B egrü nd un g n ic h t v ie lle ic h t bloß, daß die Strom dichte im In n e rn zu der an der Oberfläche sich w ie 1:2 v e rh ä lt?
Oder w ie 1:4, w enn das Q uadrat der ein L e ite rte ilc h e n um gebenden Fläche in Be
tra c h t k o m m t; diese ist ein H a lb k re is fü r ein T e ilch e n der Oberfläche und ein ganzer K re is fü r T e ile im In n e rn . Es g ib t auch K rä fte , welche die S tro m linie n in das Innere zu rü ckdrän ge n , z. B. bei größerer S trom stärke die E rw ä rm u n g der Oberfläche. In B e trach t ko m m t fü r die E rk lä ru n g v ie lle ic h t auch neben der S e lbstin du ktion die schnell wechselnde elektrostatische L a d u n g d er Oberfläche.
W ie dem auch sein mag, sicher ist jed en fa lls, daß schnelle Schw ingungen die O berfläche bevorzugen; es w ird auch w o h l Zw ischenstufen zwischen dem F alle, daß fast a lle S tro m lin ie n an der O berfläche ve rlau fe n, und zwischen dem, daß a lle g le ic h m äßig den Q uerschnitt e rfü lle n , geben. Es is t auch k la r, daß in einer K o m b in a tio n vo n guten L e ite rn die B evorzugung der Oberfläche n ic h t e in tritt, w enn die T e ile größerer S e lb stin d u ktio n nach außen v e rle g t werden, z. B. w enn ein g ew öh nlich er D ra h t von einer S pirale um geben w ird beim Im pedanzversuch, v g l. diese Zeitschr. 21, 1908, S. 4, F ig . 9.
2. V e r la u f d e r S c h w in g u n g e n in L e i t e r n z w e it e r K la s s e . Die B e vo r
zugung der Oberfläche t r if f t fü r L e ite r zw eite r Klasse n ic h t in dem Maße, zu w ie fü r m etallische L e ite r. A n einen dünnen W id ersta nd sdrah t F m it angeklebtem F a rb b la tt sind die b la n k e n d ic k e n K u p fe rd rä h te A B u n d C D angelötet. D er D ra h t F is t bei
B u n d C m it S iegellack in eine Glasröhre w asserdicht e in g e k itte t.
W ir d die V o rric h tu n g an Stelle der P rim ä rspu le eines T esla transform ators gesetzt, so rö te t sich das F a rb b la tt, u n d zw ar selbst dann noch, w enn der k le in e A p p a ra t in Leitungsw asser oder auch in v e rd ün nte Säure getaucht w ird . Die Schw ingungen bevorzugen den guten L e ite r u n d gehen n ic h t an der Oberfläche der F lüssig k e it d ire k t von A nach D. D ie S e lbstin du ktion is t eben bei diesen L e ite rn zw eite r Klasse n ic h t so groß w ie in M eta lld räh ten . S tatt des Apparates ka n n auch eine G lühlam pe m it b la nke n Z uleitungsdrähten benutzt werden.
3. D r a h t m a n t e lv e r s u c h e . In d er schon oben genannten A rb e it von Zi l l i c i i
fin d e t sich eine fü r die vo rlieg en de U ntersuchung brauchbare A n ord nu ng . In etwas abgeänderter F o rm habe ich diese Versuche w ied erho lt. E ine G lasröhre (W asser
standsglas) ist an den Enden m it den d urchb oh rten M eta llka p pe n A u n d B versehen u nd von einem M antel aus 32 dünnen N ic k e lin d rä h te n von 0,2 m m D ic k e umgeben, die an die Blechkappen angelötet sind. P a ra lle l dazu k a n n m an die k le in e G lü h lam pe G oder aber auch ein Farbengalvanoskop schalten. In die R öhre (bei Zi l l i c h
eine P orzellanröhre) ka n n ein d ic k e r M etallschieber von A bis B geschoben werden.
S c h ic k t man G leichstrom vo n 15 Am p. d urch den A pparat, so leuchtet die p a ra lle l
1 4 D
ß 'L J A j& c
Fig. 16.
u n d c h e m isch e n U n te r r ic h t .
H e ft V I . N o v e m b e r 19<>8. H. Lü d t k b, Fa r b e n g a l v a n o s k o p 365
geschaltete 3 V o ltlam pe G; sie erlischt, w enn der M etallschieber in das In n e re des D rahtm antels geschoben w ird . Schaltet man den A p pa rat aber an Stelle der P rim ä r
spule eines T eslatransform ators in den S chw ingungskreis von L eide ne r Flaschen, so ka nn in G eine 20 V o ltlam pe zum Leuchten gebracht w erden, und je tz t ist es gleich- g iltig , ob der Schieber im A p p a ra t ist oder n ich t. Bei W ie d e rh o lu n g des Versuchs zeigten sich S chw ierigkeiten, je d e n fa lls w e il ich einige K le in ig k e ite n n ic h t beachtet hatte. A G u n d B G w aren bei m einer A n o rd n u n g zunächst D rähte statt der v o r
geschriebenen K u pferbä n de r, u n d es w ar zw eckm äßig, die Z uleitungsdrähte, übe r die
Zi l l i c h keine Angaben m acht, m öglichst nahe an G anzubringen,
um das Leuchten der Lam pe zu erzielen. Es ist bei diesem Im pedanzversuch v ie lle ic h t auch e rfo rd e rlic h , zu zeigen, daß * d urch den der G lühlam pe p a ra lle l geschalteten D ra htm a ntel überhaupt Strom fließ t; 15 Am p. wie bei dem ersten Versuch sind durch den D ra htm a ntel w oh l n ic h t geflossen. Schließlich is t es zw eckm äßig, den M etallschieber n ic h t bloß in den D ra h t
m antel zu b rin g e n , sondern ih n auch einm al außen an denselben zu legen. Bei G leichstrom ist k e in U nterschied zu erw arten, bei T eslaschw ingungen aber w ohl.
B ei m einer A n o rd n u n g leuchtete die Lam pe auch dann, also w a r die Im pedanz d er D rähte A G und B G an d er E rscheinung schuld, und der D ra htm a ntel k a m überhaupt n ic h t in Betracht.
3 *
)G
Fig. 17.
Ic h habe an dem Versuche daher folgende k le in e Ä n d e ru n g angebracht. D er Z w eig A G B is t in das In ne re des D rahtm antels A B v e rle g t, G n a tü rlic h ein F a rb e n galvanoskop aus dünnem W id ersta nd sdrah t von 2 cm Länge m it angeklebtem F a rb - b la tt. Dieser A p p a ra t w ird m it einem S tanniol-F arbengalvanoskop F von etwa 1 cm S treifenbreite in Serie geschaltet. S ch ickt man G leichstrom d urch den A ppa rat, so zeigt schon b ei 2 bis 3 Am p. Strom stärke das G alvanoskop G im In n e rn des D ra h t
m antels F arb en än de ru n g, w ährend F nichts anzeigt. W ird der D ra htm a ntel in den S chw ingungskreis einer B atterie von 6 L eide ne r Flaschen geschaltet, so e rz ie lt m an eine so große e ffe ktive Strom stärke, daß das vorgeschaltete S tanniolgalvanoskop F le b ha fte F arb en än de ru n g ze ig t; das G alvanoskop G im In n e rn des M antels zeigt aber nichts an. E n tfe rn t m an das D rahtgalvanoskop G nebst K u p fe rz u le itu n g s d rä h te n aus dem In n e rn des M antels und le g t es von außen an denselben, so ze ig t es auch bei diesen Teslaschw ingungen sofort E rw ä rm u n g an. Ü be r die von d er Sekundärspule eines T eslatransform ators g elieferten Ströme verm ag ein d e ra rtig e r A p p a ra t n a tü rlic h nichts auszusagen, da die S trom stärke zu k le in ist.
4. S t a n n io lm a n t e l v e r s u c h . Noch e rh eb lich einfacher ist folge nd er Versuch, eine A bän d erun g des in dieser Zeitsehr. 21, 1908, S. 11, F ig . 1 erw ähnten Versuchs;
d er d o rt beschriebene A p p a ra t e rfo rd e rt zu v ie l Strom. E in etwa 20 bis 30 cm lan ge r K lin g e ld ra h t von 0,9 m m K upferdurchm esser w ird in der einen H ä lfte B C von der W achsisolierung b e fre it und ebenso am anderen Ende A etwa
1 cm w eit. A B w ird m it dünnem Stanniol u m h ü llt, das bei A _ f l C und B d urch gew öhnliche E ndp o lkle m m en an das blanke K u p fe r —
g e d rü c k t w ird . S chaltet man diesen A p p a ra t an die Stelle der Fig. i 8.
P rim ä rspu le eines T eslatransform ators, so zeigen F a rb b lä tte r an,
dwß die S tan nio lh ülle da, wo sie einfach lieg t, sta rk e rw ä rm t w ird , w enn k rä ftig e Schw ingungen aus einer n ic h t zu k le in e n B atterie ben utzt w erden; B C w ird n ic h t so sta rk e rw ä rm t, selbst dann n ic h t, w enn der D ra h t h ie r n u r 0,6 m m d ic k ist.
G leichstrom v e rh ä lt sich anders.
5. S t r o m lin ie n v e r s u c h e . Entscheidend ist auch fo lge nd er Versuch, ent
sprechend 21, 1908, S. 12, F ig. 3. E in Stanniolgalvanoskop w ird folgenderm aßen h er
gerich te t. D er K and des Streifens w ird m ehrfach um gelegt, so daß das Stanniol zwischen A und C v ie lfa c h übereinander, am Kande B D aber n u r einfach lie g t; die
366 H. Lü d t k e, Fa r b e n q a l v a n o s k o p Z e its c h r ift f ü r d e n p h y s ik a lis c h e n E in u n d z w a n z ig s te r J a h rg a n g .
ganze B re ite b eträg t etwa 1% bis 2 cm. Starke elektrische Schw ingungen hoher Frequenz b e w irk e n n u r da, wo das S tanniol einfach lieg t, R ötung d er F a rb b lä tte r, G leichstrom u m g e ke h rt n u r da, wo es m ehrfach lieg t, w ie ic h ]. c. gezeigt habe.
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3 - X r'm\B
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Fig. 19.
LJ j r Fig. 20.
Sicher von großem Interesse is t folgende E r
scheinung. W enn es ric h tig ist, daß die S tro m linie n info lg e d er S e lb stin d u ktio n hauptsächlich nach außen ged rä ng t w erden, so muß in einem genügend breiten S tanniolstreifen, bei dem w eniger die D icke
in F ra g e ko m m t, a u f G ru n d derselben E rw ä g u n g die E le k triz itä t an den Rändern A D u nd C F , F ig . 20, fließen, n ic h t aber d ire k t von B nach E. E in etw a 2 cm b re ite r Stanniol streifen zeigte ta tsächlich diese Erscheinung, das F arbengalvanoskop zeigte in der M itte ke in e E rw ä rm u n g an; ein h alb so b re ite r S treifen w ird g le ich in ganzer B re ite erw ärm t. A u ffa lle n d is t außerdem noch, daß die Innenseite, w elche dem In s tru m e n ta riu m zu g e ke h rt ist, b evo rzu gt zu werden scheint. Zum G elingen des Versuchs is t eine größere Batterie, und ein g u t fu n k tio n ie re n d e r U nterbrech er, am besten Q u ecksilb e rtu rb in e n u n te rb re ch e r, sowie eine ric h tig e Länge des F unkens er
fo rd e rlic h .
6. A n d e r e S c h w in g u n g e n . E r g e b n is . I n ä hn lich er Weise k a n n man auch den V e rla u f anderer e le k tris c h e r Schw ingungen untersuchen, diese müssen aber eine n ic h t a llz u geringe Strom stärke haben, sonst versagt die Methode. Schw ingungen, d ie d urch einen W ehnelt- oder S im onunterbrecher erzeugt sind und v ie lle ic h t ru n d 1000 Perioden in 1 Sek. besitzen, v e rh alte n sich ganz ä hn lich w ie G leichstrom . Die m it der oben besprochenen D uddelschaltung, m it P apierkondensator und tönender Bogenlam pe erzeugten Schw ingungen, w elche schon ru n d 10000 Doppelwechsel a u f
weisen können, lassen sich u n te r Um ständen auch so untersuchen; d er von m ir be
nutzte K ondensator hätte eine noch größere K a p a z itä t haben müssen. Eine B e vor
zugung der O berfläche ko nn te von m ir n ic h t festgestellt werden. A nders ve rh alte n sich aber sicher die schnellen Teslaschw ingungen, w elche eine v ie l größere P erioden
zahl besitzen. Ob sie „ n u r “ an der Oberfläche ve rlau fe n, is t v ie lle ic h t n ic h t bewiesen, w o h l aber, daß sie „ h a u p t s ä c h l i c h “ , wie Zi l l i c h es a usdrückt, an der Oberfläche fließen. L e ite r zw eite r Klasse zeigen ein abweichendes V erhalten.
E. Versuche über Induktion, Absorption und Reflexion elektrischer Schwingungen.
1. I n d u k t io n s v e r s u c h . Den geka uften T esla in strum e nta rie n w ird gew öhnlich ein A p p a ra t zu r D em onstration d er In d u k tio n beigegeben. E ine S pirale vo n n ic h t a llz u v ie l D ra h tw in d u n g e n w ird über die P rim ä rspu le des T ra n sform ato rs gehalten, m anchm al d urch eine G lasglocke vo n d er P rim ä rspu le g e tre n n t; das A u fle u c h te n
- 5
E
ein er 10 bis 20 V o lt-G lü h la m p e zeigt dann die In d u k tio n an. Diese Lam pen brennen b e i längerem G ebrauch le ic h t d u rc h ; man ka n n sie n a tü rlic h durch einige Z entim eter dünnen W iderstandsdrahtes m it ang ekleb te r F a rb b la tth ü lle ersetzen. M it solchen In d u k tio n s s p ira le n lassen sich zahlreiche Versuche anstellen, m eist in V e rb in d u n g m it der P rim ä rspu le eines T eslatransform ators m it L u ftis o lie ru n g in d er P^orm, die meines Wissens von El s t e r und
Ge i t e l h e rrü h rt. Die D rähte dieser P rim ä rspu le liegen in einer G u m m ihü lle .
D ie In d u k tio n s s p ira le n können vo n größerem Durchm esser als die P rim ä rspu le sein, um sie d a rü b e r schieben zu könn en , von gleichem Durchm esser fü r U ntersuchungen v o r der P rim ä rspu le u n d von geringerem Durchm esser fü r das Innere. Die A nzahl der W indungen u n d die Stärke des Drahtes ka nn verschieden sein. Püg. 21a is t z. B. eine solche S pirale aus etw a 6 W in du ng en b la n ke n K u p fe rd ra h ts fü r das Innere, d er dünne H itz d ra h t b efindet
Fig. 21.
