Benutzer:RobertKuhlmann/ArchivElektrisiermaschine

Hubert-François Gravelot:Die Elektrisierte, um 1750

Als Elektrisiermaschinen oder Elektrostatische Generatoren werden Vorrichtungen und Anlagen bezeichnet, die zur Erzeugung statischer elektrischer Ladungen konstruiert wurden. Elektrisiermaschinen waren die ersten elektrischen Generatoren. Als elektrostatische Generatoren wurden diese Maschinen erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts bezeichnet, als auch andere Wege zur Erzeugung von Elektrizität bekannt wurden, die nicht mit elektrostatischer Aufladung arbeiteten.

Die Bezeichnung Elektrisiermaschine rührt daher, dass diese Apparate häufig zur Aufladung von Gegenständen und Personen mit statischer Elektrizität verwendet wurden. Eigentlicher Zweck der Elektrisiermaschinen war die Erforschung elektrischer, elektrostatischer und elektromagnetischer Phänomene.

Die Erzeugung statischer Elektrizität durch Reibung ist seit William Gilbert (* 24. Mai 1544; † 10. Dezember 1603) bekannt, der die elektrische Aufladung von Bernstein durch Reibung zeigte. Elektrisiermaschinen werden heutzutage nur noch zu Demonstrationszwecken an Schulen, Universitäten und in technischen Museen eingesetzt.

Grundprinzipien der Maschinen

Elektrisiermaschinen arbeiten nach dem Prinzip der Reibungselektrizität. Es können zwei Grundprinzipien unterschieden werden:

• Elektronen werden auf einen gegen die Umgebung elektrisch isolierten Körper transportiert und dieser wird dadurch negativ aufgeladen.
• Elektronen werden vom isolierten Körper entfernt (und andernorts elektrisch abgeleitet), wodurch dieser positiv aufgeladen wird.

Viele Elektrisiermaschinen verwenden einen Konduktor, einen elektrischen Leiter, der die erzeugte elektrische Ladung aufnimmt und zur weiteren Verwendung ableitet. In der historischen Literatur ist bei diesem Vorgang manchmal vom „Aufsaugen“ die Rede. Die Natur der Elektrizität war zunächst unbekannt, die theoretischen Grundlagen zur Elektrizität wurden erst im 19. Jahrhundert formuliert und verstanden.

Entwicklungsgeschichte

Otto von Guerickes Schwefelkugel, 1672

Otto von Guericke nutzte 1663 die elektrostatische Aufladung einer Schwefelkugel, um durch die Abstoßung zwischen der Kugel und einer Feder sein Verständnis kosmologischer Zusammenhänge zu demonstrieren (zum Beispiel, warum der Mond nicht auf die Erde fällt). Die Herstellung der Schwefelkugel erfolgte durch das Einfüllen flüssigen Schwefels in eine Glaskugel. Nach dem Abkühlen des Schwefels wurde das Glas zerschlagen. Die Schwefelkugel wurde an einer Seite mit einer Achse versehen. Sie wurde mit der Hand an der Achse gedreht, während die Aufladung durch das Reiben mit einer Hand auf der Kugel erfolgte. In einer Abwandlung dieser Vorrichtung wurde eine Achse durch die Schwefelkugel gesteckt und sie konnte mit einer Kurbel gedreht werden. Es handelte sich dabei also um die erste einfache Elektrisiermaschine. Otto von Guericke stellte den Bezug zur Elektrizität nur beiläufig her, denn ihm war die Beantwortung der Frage, was den Raum zwischen den Himmelskörpern ausfüllt, wichtiger. Er sendete am 28. März 1672 seine Schwefelkugel-Elektrisiermaschine dem Hofrat Gottfried Wilhelm von Leibniz, der damit experimentierte und erstmals gezielt elektrische Funken erzeugte.

Hauksbees Glaskugel Elektrisiermaschine, um 1707

Nach seinen Versuchen zum leuchtenden Quecksilber wandte sich Francis Hauksbee, Experimentator an der Royal Society in London, ab 1706 der Erzeugung von Elektrizität durch das Reiben von Glas verstärkt zu. Zunächst verwendete er noch Glasstäbe oder Röhren. Dann ging er dazu über, Glaskugeln zu verwenden und baute schließlich Elektrisiermaschinen, bei denen die Glaskugel über Riemen angetrieben wurde. Die so erzeugten elektrischen Spannungen waren viel höher als bisher und Hauksbee beschrieb als erster die „merkwürdigen“ Empfindungen, die er bei der elektrischen Aufladung seines Körpers beobachtete (intensives Kribbeln). Diese Effekte waren mit der bis dahin verwendeten Schwefelkugel nicht zu erzielen gewesen. Besonders beeindruckten jedoch seine Vorführungen, bei denen er eine evakuierte Glaskugel von etwa 9 cm Durchmesser in einem Gestell durch Riemen angetrieben durch Reibung mit der Hand zum Leuchten brachte. Das Leuchten (ganz ohne Quecksilber) war so hell, dass ein Buch dabei gelesen werden konnte. Zu diesen Leuchteffekten machte Hauksbee noch eine ganze Reihe von Versuchen (sie sind in der angegebenen Quelle sehr anschaulich beschrieben) und baute eine von Riemen getriebene Elektrisiermaschine auf der Basis von Bernstein.

Martin de Planta verwendete 1755 als Erster Glasscheiben statt der bisher üblichen Glaskugeln zur Elektrizitätserzeugung. Die Scheiben ließen sich leichter handhaben. Der Kontakt zwischen Reibzeug (den beschichteten Kissen zur Erzeugung der Reibung) und der rotierenden Glasscheibe war zuverlässiger und dauerhafter zu gewährleisten, als dies bei den Glaskugeln erreicht werden konnte. Dieser Aufbau wurde fortan immer weiter verbessert. Die Größe und Anzahl der Glasscheiben, die Anzahl der Reibzeuge und die Konstruktion der Konduktoren wurden variiert.

Elektrostatischer Scheibengenerator im Teylers Museum, Niederlande

Parallel zu den Scheibenmaschinen wurden Maschinen mit Glaszylindern entwickelt und ebenfalls bis zum Ende des 18. Jahrhunderts immer weiter verbessert. Die Scheiben wurden aber nicht nur aus Glas, sondern auch aus Holz (Professor Pickel, Würzburg, 1778) oder auch Gummilack (van Marum, Holland, 1777) gefertigt. Besonderheit der Scheibenelektrisiermaschine aus Gummilack war, dass die Reibung dadurch erzeugt wurde, dass die Scheiben durch ein Quecksilberbad liefen. Sie fand aber auch nur selten Anwendung, weil sie sehr teuer (kostbar) war. Einige Maschinen wurden handlicher entworfen. So baute der Holländer Ingenhousz eine Maschine, die an die Wand gehängt werden konnte und eine Taschenmaschine (etwa 15 cm lang und 1 cm breit).

Dampf getriebene Elektrisiermaschine von Armstrong, um 1840

Im Jahr 1840 wurde durch Zufall die Elektrisierung durch Wasserdampf entdeckt. Ein Maschinenführer bekam einen elektrischen Schlag, als er mit der einen Hand einen Dampfkessel berührte, während er seine andere Hand in einen Dampfstrom hielt, der aus einem defekten Ventil entwich. Sir William Armstrong hörte von dem Vorfall und konstruierte noch im selben Jahr die so genannte Dampf- oder Hydro-Elektrisiermaschine.

Diese Maschine besteht aus einem Dampfkessel, der elektrisch isoliert auf vier Glasstützen montiert ist und von innen beheizt wird. Das zu erhitzende Wasser umschließt dabei die Heizquelle. Der Kessel besitzt mehrere Austrittsöffnungen, an denen hohle Holzröhrchen angebracht sind. Der erzeugte Wasserdampf strömt mit hohem Druck durch die Holzröhrchen und erzeugt so Reibungselektrizität. Der Dampf wird dabei stark positiv geladen. Die Ladung des Dampfes wird über einen Konduktor in eine Leidener Flasche geleitet. Die Dampfelektrisiermaschine erlaubt die Erzeugung sehr großer elektrischer Spannungen.

Bis zur Erfindung des Tesla-Transformators war sie die stärkste Quelle für Elektrizität. Sie hatte den anderen Elektrisiermaschinen voraus, dass ihre Effektivität nicht so stark von der Luftfeuchtigkeit abhing. Auch umging das Prinzip der Reibung des Wasserdampfs viele Probleme, die bei vorherigen Maschinen bei der Erzeugung der Reibung auftraten. Diese verloren bei zunehmender Betriebstemperatur an Effizienz. Einziger zeitlich begrenzender Faktor für die Dampfelektrisiermaschine war der Vorrat an Wasser und Heizmaterial im Kessel. Dampfelektrisiermaschinen waren sehr Teuer in der Herstellung und im Unterhalt und wurden daher nur selten verwendet.

Eine Bauform leitet den erzeugten Dampf unter hohem Druck senkrecht auf eine Metallplatte, die dadurch ebenfalls stark aufgeladen wird. Es wurde von bis zu 36 cm langen Funken berichtet, die mit der Maschine erzeugt werden konnten. Allerdings ist hier nicht unbedingt davon auszugehen, dass tatsächlich die erforderliche Durchbruchspannung von etwa 1 MV erreicht wurde, sondern ein kürzerer Anfangsfunke in die Länge gezogen wurde. Durch den initialen Funken wird in der Luft ein elektrisch leitender Ionenkanal erzeugt, der die Fortdauer der Entladung unterhalb der Durchbruchspannung erlaubt.

Michael Faraday war mit der Vermutung Armstrongs, der beobachtete Effekt sei auf die Verdunstung des Wassers zurückzuführen, nicht einverstanden und stellte umfangreiche Versuche mit Wasserdampf an. Er schloss aus seinen Experimenten, dass ausschließlich Reibungselektrizität für die elektrische Aufladung durch Wasserdampf verantwortlich ist. Schließlich stellte er fest, dass der Wasserdampf nichts mit der entstehenden Elektrizität zu tun hatte, weil mit komprimierter Luft die gleichen Effekte hervorrufen werden konnten. Allein die Reibung kleinster Wassertröpfchen, entweder durch den Wasserdampf oder die komprimierte Luft vorangetrieben, erzeugten die elektrostatische Aufladung.

Einsatz in der Forschung

Die Erforschung der Elektrizität und die Geschichte der Elektrisiermaschine sind sehr eng miteinander verflochten. Zwischen dem Beginn des 17. und dem Ende des 19. Jahrhunderts wurden hunderte Erfindungen für und rund um die Elektrisiermaschine gemacht. Elektrische Effekte waren schon seit der Antike bekannt und spätestens seit der Beschreibung der Aufladung des Bernsteins durch Aristoteles belegt. William Gilbert war zu Beginn des 17. Jahrhunderts einer der Ersten, der sich systematisch mit elektrischen Effekten beschäftigte und prägte die Bezeichnung „Elektrizität“. Er entdeckte und beschrieb weitere Materialien, die sich elektrostatisch aufladen ließen, und solche wo dies nicht möglich ist, und erkannte den Unterschied zwischen magnetischer und elektrischer Kraft (Magnetismus durchdringt einige Materialen, elektrische Aufladung nicht). Aber Gilbert hatte nur eingeschränkte Möglichkeiten zur Erzeugung von Elektrizität zur Verfügung. Er rieb verschiedene Materialien mit Stoffen und Fellen, um anschließend ihre Wirkung auf Papierschnipsel zu prüfen. Niccolo Cabeo entdeckte 1629 die von Gilbert übersehene elektrische Abstoßung. Er hielt sie irrtümlich für die Folge von Luftwirbeln, die entstehen sollten, wenn etwas aus dem Bernstein heraus und wieder in ihn hinein strömt. Der Jesuit Honoré Fabri entdeckte um 1655 die Anziehung elektrisch unterschiedlich geladener Körper. Etwa zur gleichen Zeit beschäftigte Kenelm Digby sich ebenfalls mit der elektrischen Anziehung.

Leuchteffekte im Vakuum

Im Jahre 1675 transportierte der Abt Jean Picard bei Dunkelheit einige mit Quecksilber befüllte Vakuumröhren aus Glas (Barometerröhrchen) und bemerkte ein schwaches Leuchten, wenn die Röhrchen hin und her bewegt wurden. Picard selbst und einigen weiteren Wissenschaftlern und Experimentatoren blieb zunächst verborgen, was das Leuchten des Quecksilbers tatsächlich verursachte. Francis Hauksbee stellte 1705 verschiedene Experimente mit Quecksilber und Glas an. Besonders eindrucksvoll war ein Experiment, bei dem eineinhalb Pfund Quecksilber durch ein Vakuum (und dadurch mit relativ hoher Geschwindigkeit) auf eine gläserne Halbkugel geleitet wurden und dabei sehr vielfältige und helle Leuchterscheinungen hervorriefen. Er beobachtete außerdem noch im selben Jahr, dass in „verdünnter Luft“ (also bei Unterdruck) mit Wolle elektrisierter Bernstein und Glas ebenfalls Leuchterscheinungen zeigten. Im Jahr 1706 war er sich schließlich sicher, dass die Reibung des Quecksilbers am Glas zum beobachteten Leuchten der Barometerröhre geführt hatte. Er schlussfolgerte, dass das geriebene Glas Ursache der Leuchterscheinung war, nicht das Quecksilber. Er bewies das damit, dass eine evakuierte (also fast luftleere) Glasröhre ohne Quecksilber zu leuchten beginnt, wenn sie mit dem Finger gerieben wird. Der Ruhm für diese Entdeckung blieb ihm anfangs verwehrt, denn der Mathematiker Johann Bernoulli konnte sich zunächst mit seiner Ansicht durchsetzen, das Quecksilber selbst habe phosphoreszierende Eigenschaften. Erst 1743 konnte Christian Friedrich Ludolff durch Experimente einwandfrei beweisen, dass das Leuchten im Vakuum (vor allem das des Quecksilbers) auf elektrische Entladungen zurückzuführen ist und erst danach wurde dies in wissenschaftlichen Kreisen anerkannt.

Elektrische Leiter

Stephen Gray demonstriert die elektrische Leitung über eine Hanfschnur, um 1730

Elektrische Leitfähigkeit des menschlichen Körpers, um 1730

Nach dem Tod Hauksbees im April 1713 wurde es zunächst ruhig um die weitere Erforschung der Elektrizität, bis Stephen Gray mit neuen Experimenten begann. Er konnte in Experimenten die mit einer Elektrisiermaschine erzeugte Ladung über eine mit einem Seidenfaden umwickelte Hanfschnur weiterleiten. Die Abbildung dazu zeigt einen Versuchsaufbau Grays. Am rechten Ende der Schnur ist eine Metallkugel zu erkennen, die darunter liegende Papierschnipsel anzieht, sobald der elektrisch aufgeladene Experimentator mit einem Metallstab den Faden an einer entfernten Stelle berührt. Bei weiteren Experimenten zeigte er die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers und der Metalle. Er konnte die elektrische Leitung bis auf eine Entfernung von 150 Metern (889 Fuß) demonstrieren. Irrtümlich nahm er zunächst an, dass alle Stoffe Elektrizität leiten können. Später fand er zusätzlich Stoffe, die nicht leitend waren. Er unterteilte die von ihm untersuchten Materialien in Leiter und Isolatoren.

Ladungsarten

Obwohl anziehende und abstoßende Wirkungen der Elektrizität schon längere Zeit bekannt waren unterschied erst Charles du Fay, der Stephen Grays Arbeiten zum Anlass für eigene Versuche nahm, 1733 die zwei verschiedenen Arten elektrischer Ladungen. Er benannte sie gemäß den Stoffen, die er bei den Experiementen verwendet hatte, „Glaselektrizität“ (heute „positive elektrische Ladung“) und Harzelektrizität (heute „negative elektrische Ladung“). Er zeigte die gegenseitige Aufhebung ungleichnamiger elektrischer Ladungen und die Abstoßung von Körpern bei gleicher elektrischer Polarität. Die Begriffe „positiv“ und „negativ“ für die unterschiedlichen elektrischen Ladungen wurden 1749 von Benjamin Franklin eingeführt.

Elektrizität speichern

Eine einfache Leidener Flasche

Leidener Flaschen wurden auch zu Batterien zusammengeschaltet

Trotz der inzwischen über 140 Jahre währenden Forschung und zahlreichen Experimenten zur Elektrizität war ihre Natur immer noch unbekannt. Etwa um 1743 hatte Georg Matthias Bose der Elektrisiermaschine von Hauksbee einen elektrischen Abnehmer (Konduktor) hinzugefügt, mit dem die erzeugte statische Elektrizität „aufgesaugt“ und weitergeleitet werden konnte. Er verwendete die dadurch erhöhte Leistung der Maschine für den bereits erwähnten „elektrischen Kuss“. Außerdem wird Bose die Erfindung von Amalgam beschichteten Reibekissen zugeschrieben, die fortan die menschliche Hand bei der Erzeugung der Reibung ablösten.

Ewald Georg von Kleist griff diese Neuerungen auf. Am 11. Oktober 1745 leitete er die Elektrizität vom Koduktor seiner Kugelelektrisiermaschine in ein Glas Wasser, das auf einem Zinnteller stand. Als er den Zinnteller anfasste, während er noch mit dem Konduktor verbunden war, erhielt er einen starken Schlag. Die starke Aufladung war also auf das Metall außerhalb des Glases zurückzuführen. Also umklebte er eine Medizinflasche auf der Außenseite mit Stanniol. Die Flasche wurde mit Wasser, Quecksilber oder Alkohol gefüllt und konnte über einen Draht, der von außen in die Flüssigkeit ragte, elektrisch aufgeladen werden. Damit war der erste Kondensator erfunden . Die Bezeichnung Leidener Flasche rührt vom Holländer Musschenbroek her, der kurze Zeit nach Kleist (im Frühjahr 1746) und unabhängig von ihm an der holländischen Universität Leiden die gleiche Entdeckung gemacht hatte. Durch die Speicherung der erzeugten Elektrizität konnten jetzt Experimente mit viel höheren Spannungen und ohne den gleichzeitigen Betrieb einer Elektrisiermaschine vorgenommen werden. Die Experimente mit Elektrizität wurden viel gefährlicher, denn jetzt konnten Spannungen erreicht werden, die lebensgefährlich sind.

Bei weiteren Versuchen erkannte Kleist die Abhängigkeit zwischen der Fläche der Metallfolie und der gespeicherten Elektrizitätsmenge. In ihrer gebräuchlichsten Form hatten Leidener Flaschen eine innere und eine äußere Beschichtung aus Metall. Die innere Metallschicht wurde über einen Kontakt zum Flaschenhals für die Aufladung verwendet. Durch die Verkoppelung mehrerer Leidener Falschen zu Batterien konnten (ja nach Art der Verbindung) höhere Spannungen oder höhere Kapazitäten erzielt werden.

Das Elektroskop

Goldblatt-Elektroskop

Das Elektroskop zeigt an die elektrostatische Ladung des Körpers an, mit dem es in Kontakt gebracht wird. So können die Ergebnisse von Experimenten und der elektrische Zustand der Bauteile einer Elektrisiermaschine kontrolliert werden. Erst nach Einführung des Elektroskops war die zuverlässige Wiederholung von Versuchen mit Elektrisiermaschinen möglich. Das Messinstrument besteht aus einem leitenden Stab, an dessen Seite eine kleine, waagerechte Achse angebracht ist. An dieser befindet sich ein Pendel aus Holz oder einem Strohhalm, das sich nur um diese Achse bewegen kann. Am Ende des Pendels ist eine kleine Kugel aus Holundermark oder Kork angebracht. Der Metallstab wird an den Messgegenstand gehalten. Ist dieser elektrisch geladen, weicht das Pendel von der senkrechten Position ab. Spätere Verbesserungen des Elektroskops arbeiten mit zwei dünnen Goldplättchen, die sich je nach Stärke der vorhandenen Ladung mehr oder weniger weit voneinander weg biegen.

Luftelektrizität und Polarität

Datei:Blitzunfall Elektrisiermaschine.jpg

Unfall des Prof. Richmann in St. Petersburg, 1753 während eines Gewitters. Er versuchte Blitze in Leidener Flaschen zu speichern.

1751 veröffentlicht Benjamin Franklin seine Schrift „Experiments and Obersvation on Electricity“. Er benennt die elektrischen Pole erstmals „positiv“ und „negativ“. Diese Bezeichnung wird heute noch verwendet. Bekannter ist sein Nachweis, dass die atmosphärische Elektrizität mit derjenigen der Elektrisiermaschinen gleich ist. Er schloss aus dieser Erkenntnis, dass sich Gewitterblitze auf die gleiche Art ableiten lassen müssten, wie dies bei den Funken aus Elektrisiermaschinen möglich ist und bewies die Richtigkeit seiner Behauptung mit dem legendären Drachen-Experiment, bei dem er über einen Flugdrachen eine leitende Schnur in eine Gewitterwolke aufsteigen ließ. Aus dem Ende der Schnur konnten, genau wie dies am Konduktor von Elektrisiermaschinen, Funken gezogen werden. Er überlebte das Experiment nur, weil sich in der Wolke zwar schon Spannung angesammelt hatte, diese für einen Blitzschlag jedoch noch nicht ausreichte. Franklin hatte zudem noch festgestellt, dass die Dicke eines elektrischen Leiters beeinflusst, wie stark sich dieser unter hoher Spannung erwärmt. Je dicker der Leiter war, umso geringer war die Erwärmung. Darauf aufbauend entwickelten er und andere Zeitgenossen die Ansicht, dass außen an Häusern angebrachte oder in der Nähe aufgestellte genügend dicke elektrische Leiter in der Lage sein müssten, Gewitterblitze vom Haus fernzuhalten. Der Blitzableiter war erfunden.

Weniger Glück hatte Georg Wilhelm Richmann, der auf der Grundlage von Franklins Ergebnissen versuchte Blitze über eine Eisenstange in Leidener Flaschen zu leiten. Ein Blitz schlug in eine Eisenstange ein, die von außen in sein Labor reichte, tötete Prof. Richmann auf der Stelle und verletzte seinen Gehilfen schwer. Dies gab den Skeptikern der Blitzableiter für einige Zeit Auftrieb. Der wiederholt erfolgreiche Schutz wichtiger Gebäude (wie der von Pulvermagazinen) führte mit der Zeit zur allgemeinen Akzeptanz dieser Schutzvorrichtung.

Kuriositäten

• 
  Bierglas-Elektrisiermaschine von Johann Heinrich Winkler, um 1730-1740
• 
  Der „elektrische Kuss“, um 1740
• 
  Behandlung von Zahnschmerzen mit Elektrizität

Nachdem seit 1730 die Bekanntheit der Experimente und Forschungen zur Elektrizität deutlich zunahm (auch wissenschaftliche Wochenzeitschriften berichteten jetzt regelmäßig darüber), sorgten bereits nach kurzer Zeit allerlei Kuriositäten und Attraktionen für Aufsehen. Sehr beliebt war der „elektrische Kuss“. Am Eingang zu einigen Etablissements erwartete den Besucher eine elektrisch aufgeladene Dame. Gab ihr der Besucher einen Kuss auf die Lippen, erhielt er einen kleinen elektrischen Schlag. Aus praktischen Erwägungen entstand der Bierglasgenerator von Johann Heinrich Winkler. Elektrisiermaschinen aus Glas waren in den Kreisen der Experimentatoren üblich (weil kostengünstig). Die Verwendung von Biergläsern machte den Bau einer Elektrisiermaschine noch ein wenig billiger und an Ersatzteilen herrschte kein Mangel. Durchsetzen konnte sich diese Bauform kaum. Trotzdem begründete sie eine eigene Entwicklungslinie von Walzen-Elektrisiermaschinen, bei denen Glaswalzen zum Einsatz kamen. Es wurden auch neue Einsatzgebiete für die Elektrizität gesucht, wobei unter anderem die Behandlung von Zahnschmerzen mit Stromstößen versucht wurde. Mit welchem Erfolg dies geschah ist nicht überliefert. Da etwa zur selben Zeit (um 1740 bis 1750) erstmals auch die Tötung von Tieren durch Elektrizität demonstriert wurde, wurden solche Behandlungen am Menschen wieder aufgegeben.

Weblinks

Commons: Electrostatic generator – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Elektrisiermaschine – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Heiko Weber, Die Elektrisiermaschinen des 18. Jahrhunderts, ISBN 3-86135-487-X (beschreibt 150 verschiedene Elektrisiermaschinen)
• Tropfengenerator bei ARD Kopfball, 2004