Auf dem Gebiete der Elektrizitätslehre war das 18. Jahrhundert der
Erforschung der Reibungselektrizität gewidmet, das 19. setzte mit
dem Studium des Galvanismus ein. Auch hier begegnen uns die drei
Etappen, die sich in der Erschließung jedes wissenschaftlichen Gebietes
nachweisen lassen. Auf das Bekanntwerden mit den Grunderscheinungen
folgte die Entdeckung der Gesetze und schließlich die Aufstellung
einer Theorie. Der Ausbau des neuen Wissensgebietes erscheint um
so vollendeter, je besser sich die Theorie den Gesetzen und den
grundlegenden Beobachtungen anpaßt.
Die Erscheinungen der galvanischen Elektrizität, mit denen man
während der ersten Jahrzehnte des 19. Jahrhunderts bekannt wurde,
lassen sich in vier Gruppen teilen. Wir haben sie als die chemischen,
die magnetischen, die dynamischen und die thermischen Wirkungen der
galvanischen Elektrizität unterschieden[79]. Während des vierten
Jahrzehnts des 19. Jahrhunderts wurde durch *Faradays* Erforschung der
galvanischen und der magnetischen Induktion eine weitere Gruppe von
Erscheinungen erschlossen.
*Faraday* gehört zu den hervorragendsten Forschern, die uns im
Verlaufe der Entwicklung der Naturwissenschaften begegnen. Aus
diesem Grunde wollen wir ihm wie *Galilei*, *Newton*, *Gauß* und
anderen Männern eine gesonderte Behandlung zu teil werden lassen,
die sich nichtsdestoweniger in diesen, der Begründung der neueren
Elektrizitätslehre gewidmeten Abschnitt zwanglos einfügen läßt.
*Michael Faraday*[80] wurde am 22. September 1791 in einem kleinen
Orte in der Nähe von London geboren. Sein Vater war Hufschmied und
gehörte zu einer aus der schottischen Kirche hervorgegangenen Sekte,
welcher auch der Sohn bis an sein Lebensende treu geblieben ist. Vom
13. Jahre an mußte *Faraday* selbst für seinen Unterhalt sorgen. Er
wurde zunächst Laufbursche und darauf Lehrling in einer Buchbinderei.
Sein Interesse für die Naturwissenschaften wurde durch das Lesen der
zum Einbinden bestimmten Bücher angeregt. Ohne die Berufsgeschäfte
zu vernachlässigen, wußte er sich sogar durch einfache Versuche das
Gelesene zu veranschaulichen. Ein Mitglied der Royal Institution,
das bei dem Meister *Faradays* arbeiten ließ, ermöglichte dem
lernbegierigen Jüngling den Zutritt zu den Vorträgen *Davys*. Jetzt
entbrannte in *Faraday* der Wunsch, gleichfalls wissenschaftlich
arbeiten zu können. »In der Unkenntnis der Welt und der Einfalt meines
Gemütes«, bekannte er später in den wenigen eigenen Aufzeichnungen, die
wir über sein Leben besitzen[81], »schrieb ich noch als Lehrling an den
damaligen Präsidenten der Royal Society. Ich erkundigte mich bei dem
Portier nach einer Antwort, aber natürlich vergebens.« Mit besserem
Erfolge wandte *Faraday* sich darauf an *Davy*, dem er als Beweis
seines Strebens die Ausarbeitung der gehörten Vorträge übersandte. Der
Meister hatte für den eifrigen Jünger seiner Wissenschaft eine gütige
Antwort und beschäftigte ihn mit schriftlichen Arbeiten, als er selbst
durch eine Explosion verwundet war. Bald darauf bot ihm *Davy* die
Stelle eines Gehilfen an dem Laboratorium der Royal Institution an.
*Faraday*, der sich danach sehnte, aus seinem Gewerbe entlassen zu
werden, nahm die Stelle mit Freuden an. Der Gegenstand, der ihn zuerst
beanspruchte, war kein angenehmer; es galt nämlich, den Chlorstickstoff
zu untersuchen, eine Verbindung, deren Explosion die erwähnte
Verletzung *Davys* herbeigeführt hatte. Auch *Faraday* entging einer
solchen nicht. »Ich freue mich«, schrieb er damals an einen Freund,
»daß ich Ihnen in Ruhe über unsere Erfolge berichten kann, denn ich
bin, wenn auch nicht ohne Verletzung, vier starken Explosionen dieses
Stoffes entgangen. Die schlimmste erfolgte, während ich eine kleine
Röhre hielt, in der 7½ Gran Chlorstickstoff enthalten waren. Die
Explosion war so heftig, daß mir ein Teil des Nagels abgerissen wurde
und die Stücke der Rohre in die gläserne Maske einschnitten, die ich
zum Glück vor hatte.«
Später gelang es *Faraday*, das Element Chlor und einige andere Gase,
die man bisher für permanent gehalten hatte, zu verflüssigen. Seitdem
brach sich die Erkenntnis Bahn, daß der Aggregatszustand lediglich von
den herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen abhängig ist. Durch
die Bemühungen anderer Physiker[82] wurden Kohlendioxyd und Stickoxydul
in den flüssigen und in den festen Zustand übergeführt. Versuche mit
Wasserstoff scheiterten dagegen trotz Anwendung eines gewaltigen
Druckes. Indessen äußerte schon *Faraday* die Ansicht, die sich später
bewahrheiten sollte, daß die beständigsten Gase durch die Vereinigung
hohen Druckes mit niedriger Temperatur bezwungen werden müßten.
Seinem eigentlichen Arbeitsfelde, der Elektrizitätslehre,
wurde *Faraday* durch *Oersteds* epochemachende Entdeckung des
Elektromagnetismus zugeführt. Man hatte sich in London die Aufgabe
gestellt, statt der von *Oersted* gefundenen bloßen Ablenkung eine
bleibende Rotation des Magneten durch den galvanischen Strom zu
bewirken. Der erste, dem die Lösung dieses Problems gelang, war
*Faraday*[83]. Er beschwerte den einen Pol des Magneten mit Platin
und ließ ihn dann derartig in einem mit Quecksilber gefüllten Gefäße
schwimmen, daß der andere Pol aus der Flüssigkeit hervorragte. Wurde
dann ein Strom durch das Quecksilber von der Mitte nach dem Umfang
geleitet, so rotierte der Magnet um die Achse des Gefäßes.
Neben dieser Erweiterung der von *Oersted* gemachten Entdeckung galt
es, die Umkehrung des Phänomens, nämlich die Erzeugung von Strom durch
Magnetismus herbeizuführen. Wie *Faraday* diese Aufgabe bewältigte, hat
er im ersten Abschnitte seiner Experimental-Untersuchungen über die
Elektrizität gelehrt[84].
Die Veröffentlichung dieser berühmt gewordenen Untersuchungen begann im
Jahre 1832. Das erste, was sie brachten, war der Nachweis, daß sowohl
ein stromdurchflossener Leiter als auch ein Magnet Ströme in einem
benachbarten Draht hervorzurufen vermögen, daß diese Induktionsströme
aber nur von augenblicklicher Dauer sind und manche Ähnlichkeit mit der
elektrischen Welle besitzen, in welcher die Entladung einer *Leydener*
Flasche besteht.
*Faraday* verfuhr folgendermaßen: Ein Kupferdraht A wurde um eine
Walze von Holz gewickelt und zwischen seinen Windungen, indes durch
Zwirnsfäden an jeder unmittelbaren Berührung gehindert, ein zweiter
ähnlicher Draht B von gleicher Länge angebracht. Der Schraubendraht
B wurde mit dem Galvanometer, der andere A mit einer galvanischen
Batterie verbunden. Im Augenblicke der Verbindung des Drahtes A mit
der Batterie trat eine plötzliche Wirkung auf das mit B verbundene
Galvanometer ein. Eine ähnliche Wirkung zeigte sich, als diese
Verbindung aufgehoben wurde. Solange indes der elektrische Strom durch
den Schraubendraht A ging, konnte keine Spur einer Wirkung auf das mit
B verbundene Galvanometer beobachtet werden. Ferner ergab sich, daß
die Ablenkung der Galvanometernadel im Augenblick des Schließens von
entgegengesetzter Richtung ist, wie die Ablenkung, die sie beim Öffnen
der Kette erfährt.
Dieser Versuch wurde darauf in folgender Weise abgeändert. Der
Kupferdraht A wurde in weiten Zickzack-Windungen auf der einen Seite
eines Brettes ausgespannt und ebenso ein zweiter Draht B auf einem
anderen Brette befestigt. Darauf wurde wieder der Draht B mit dem
Galvanometer und der andere A mit der *Volta*schen Batterie verbunden.
Als nun das Brett mit dem Drahte dem zweiten mit dem Drahte B rasch
genähert wurde, wich die Nadel ab, ebenso auch beim Wegziehen, indes
nach der entgegengesetzten Seite. Geschah das Nähern und Entfernen der
Bretter in Übereinstimmung mit den Schwingungen der Magnetnadel, so
wurden diese Schwingungen sehr groß. Hörte man aber mit dem Hin- und
Herführen des Drahtes auf, so kehrte die Nadel bald in ihre gewöhnliche
Lage zurück.
Bei gegenseitiger Annäherung der Drähte war der in B hervorgerufene
(induzierte) Strom von entgegengesetzter Richtung mit dem von der
Batterie herrührenden (induzierenden) Strom in A. Bei der Entfernung
der Drähte von einander hatten beide Ströme dagegen gleiche Richtung.
Blieben die Drähte in unverändertem Abstande zu einander, so war kein
induzierter Strom vorhanden.
Die weiteren Bemühungen *Faradays* liefen darauf hinaus, induzierte
Ströme durch Elektromagnete und durch gewöhnliche Magnete
hervorzurufen. Den ersten Teil dieser Aufgabe löste er in folgender
Weise: Ein schmiedeeiserner Ring wurde mit zwei Kupferdrähten umwickelt
und zwar so, daß die Drahtlagen unter sich und von dem Eisen isoliert
waren.
Die Spirale B wurde durch Kupferdrähte (Abb. 11) mit einem entfernten
Galvanometer und die Spirale A mit einer galvanischen Batterie
verbunden. Augenblicklich zeigte sich eine Wirkung auf das mit B
verbundene Galvanometer, und zwar eine bei weitem stärkere als zuvor,
obgleich bei dem vorigen Versuche eine zehnmal kräftigere Batterie
jedoch ohne Mitwirkung von Eisen angewandt worden war. Blieb die
Batterie geschlossen, so hörte die Wirkung auf, und die Nadel kehrte in
ihre frühere Lage zurück. Beim Öffnen der Kette wurde die Nadel wieder
stark abgelenkt und zwar in entgegengesetzter Richtung wie vorher.
[Illustration: Abb. 11. *Faraday* entdeckt die Induktion.]
Die Ablenkung beim Schließen zeigte immer einen induzierten Strom an,
der dem der Batterie entgegengesetzt gerichtet war. Beim Öffnen der
Kette hatte dagegen der induzierte Strom immer die gleiche Richtung mit
dem der Batterie.
Es wurde nun folgende Einrichtung getroffen. Ein hohler Pappzylinder
wurde mit zwei isolierten Schraubendrähten umwickelt. Die eine
dieser Spiralen wurde mit dem Galvanometer, die andere mit der
Batterie verbunden. Zunächst war die Wirkung auf das Galvanometer
nur schwach; doch konnten mit dem induzierten Strome Stahlnadeln
magnetisiert werden. Als aber ein Stab von weichem Eisen in die mit
den Schraubendrähten umwickelte Pappröhre gesteckt war, wirkte der
induzierte Strom mächtig auf das Galvanometer ein, auch besaß er das
Vermögen, Stahl zu magnetisieren augenscheinlich in weit höherem
Maße, als wenn kein Eisenstab zugegen gewesen wäre. Wurde statt des
Eisenstabes ein gleicher Stab von Kupfer genommen, so wurde die Wirkung
nicht verstärkt.
Ähnliche Wirkungen wie durch die Elektromagnete wurden auch durch
gewöhnliche Magnetstäbe hervorgebracht. Es wurde nämlich eine auf einer
Pappröhre befindliche Drahtspirale mit dem Galvanometer verbunden
(Abb. 12.) Alsdann wurde in die Achse der Röhre ein Zylinder von
weichem Eisen gesteckt. Darauf wurden zwei Magnetstäbe mit den
entgegengesetzten Polen verbunden und mit den anderen beiden Polen auf
die Enden des Eisenzylinders gelegt, sodaß dieser zu einem Magneten
wurde. Durch Fortnahme oder durch Umkehrung der Magnetstäbe konnte der
Magnetismus des Eisenzylinders nach Belieben aufgehoben oder umgekehrt
werden. Bei dem Auflegen der Magnetstäbe auf den Eisenzylinder wich die
Nadel ab, bei fortdauernder Berührung kehrte sie in ihre anfängliche
Lage zurück. Bei der Aufhebung der Berührung wurde sie abermals
abgelenkt, aber nach entgegengesetzter Richtung wie vorher. Dann nahm
sie wieder die ursprüngliche Lage an.
[Illustration: Abb. 12. *Faraday* entdeckt die Induktion durch
Magnetstäbe.]
Noch einfacher gestaltete sich dieser Versuch bei folgender Anordnung.
Der weiche Eisenstab wurde entfernt und statt dessen ein zylindrischer
Magnetstab angewandt. Dieser Magnet wurde in die Achse der Drahtspirale
eingestellt und, nachdem die Galvanometernadel zur Ruhe gekommen,
plötzlich in die Pappröhre, um welche der Draht gewickelt war,
hineingeschoben. Augenblicklich wich die Nadel ab und zwar in gleicher
Richtung, als wenn der Magnet durch eins der vorhergehenden Verfahren
erst gebildet worden wäre. Blieb der Magnet in der Drahtspule, so nahm
die Nadel wieder ihre erste Stellung ein, wurde er herausgezogen, so
wich sie nach entgegengesetzter Richtung ab.
Die Entdeckung dieses als Induktion bezeichneten Verhaltens führte
*Faraday* zum Verständnis einer bis dahin völlig rätselhaften
Erscheinung. Im Jahre 1824 hatte *Arago* beobachtet, daß eine über
einer Kupferscheibe schwingende Magnetnadel auffallend schnell zur
Ruhe kam. Versetzte man die Scheibe in Drehung, so wurde diese
Bewegung auf den Magneten übertragen, während auch umgekehrt kräftige
rotierende Magnete mehrere Pfund wiegende Kupferscheiben mit sich
herumführten[85]. Blieben Magnet und Scheibe in Ruhe, so war nicht
das Geringste von einer zwischen beiden stattfindenden Anziehung
oder Abstoßung zu bemerken. Ähnliche Beobachtungen hatte auch der
deutsche Physiker *Seebeck* gemacht. Jetzt war die Zeit für die
Erklärung dieses sonderbaren Verhaltens gekommen. *Faraday* kam
auf die Vermutung, daß es sich hierbei um Induktionsströme handeln
könne. Um diese Ansicht auf ihre Richtigkeit zu prüfen, ließ er eine
Kupferscheibe von zwölf Zoll Durchmesser und etwa einem fünftel Zoll
Dicke zwischen den Polen eines starken Magneten rotieren (Abb. 13).
Auf dem Rande der Scheibe und an ihrer aus Metall bestehenden Achse
befanden sich Schleifkontakte, die mit dem Galvanometer in Verbindung
standen. Sobald die Scheibe gedreht wurde, zeigte eine Ablenkung der
Galvanometernadel, daß die Scheibe während der Bewegung von induzierten
Strömen durchflossen wird. Bei rascher Umdrehung betrug die Ablenkung
der Nadel 90°. Wurde alles Übrige unverändert gelassen, die Scheibe
jedoch in umgekehrter Richtung gedreht, so wich die Nadel mit gleicher
Kraft wie vorher, jedoch in umgekehrter Richtung, ab. Die zuerst
unverständliche Wechselwirkung zwischen der bewegten Kupferscheibe und
dem Magneten ließ sich jetzt aus den von *Ampère* entdeckten Gesetzen
der Elektrodynamik ableiten.
[Illustration: Abb. 13. *Faraday* induziert Ströme in einer rotierenden
Kupferscheibe.]
An die Entdeckung der magnetischen und der galvanischen Induktion mußte
sich die Frage anschließen, ob nicht auch die Reibungselektrizität
Induktionswirkungen hervorzurufen vermöge. Diese Frage wurde
nicht durch *Faraday* sondern durch andere Forscher[86] und zwar
in bejahendem Sinne beantwortet. Dem entscheidenden Versuch lag
folgende Anordnung zugrunde. Der Entladungsstrom einer Batterie von
*Leydener* Flaschen wurde durch eine Drahtspirale geführt. Diese
Spirale befand sich in einem Glaszylinder, um den man einen zweiten
Draht gewickelt hatte. Verband man die Enden dieses zweiten Drahtes
mit dem elektrischen Luftthermometer (Abb. 14), so machte sich bei
jeder Entladung der *Leydener* Batterie eine Wärmewirkung bemerkbar.
Der induzierte Strom ließ sich auch dadurch nachweisen, daß man den
zweiten Draht in genügend weiter Entfernung von den beiden Spiralen um
eine Stahlnadel leitete. Letztere wurde beim Entladen der *Leydener*
Batterie magnetisiert.
[Illustration: Abb. 14. Nachweis des induzierten Stromes mit Hilfe des
Luftthermometers.]
Gleich nach der Beendigung der Versuche, die zur Entdeckung der
magnetischen Induktion geführt hatten, legte *Faraday* sich die Frage
vor, ob nicht die Erde durch ihren Magnetismus gleiche Wirkungen auf
bewegte Leiter wie ein Magnet hervorzubringen vermöge. Der Nachweis,
daß dies der Fall ist, erfolgte noch im Jahre 1832. Dieser Nachweis
erregte durch die große Ausdehnung, welche das Gebiet der elektrischen
Erscheinungen dadurch erfuhr, ein Aufsehen, wie es selten eine
wissenschaftliche Entdeckung hervorgerufen hat. Berücksichtigt man
nämlich die Allgegenwart des Erdmagnetismus, so gelangt man durch den
von *Faraday* geführten Nachweis zu dem auffallenden Schluß, daß kein
Stück Metall in Berührung mit anderen ruhenden oder in anderer Richtung
bewegten Metallstücken bewegt werden kann, ohne daß elektrische Ströme
auftreten. »Wahrscheinlich«, fügt *Faraday* hinzu, »finden sich an
den Dampf- und an anderen Maschinen magnetelektrische Kombinationen,
welche Wirkungen hervorbringen, die niemals bemerkt oder wenigstens nie
verstanden worden sind«. Auch darauf wies *Faraday* hin, daß da, wo
Wasser fließt, elektrische Ströme erzeugt werden müssen. Es sei nicht
unwahrscheinlich, meint er, daß fließendes Wasser von großer Ausdehnung
wie der Golfstrom vermöge der durch den Erdmagnetismus erzeugten
magnetelektrischen Induktionsströme einen merklichen Einfluß auf die
Gestalt der magnetischen Abweichungslinien ausübe.
Sehen wir nun, auf welche Weise *Faraday* der Nachweis der
induzierenden Wirkung des Erdmagnetismus auf bewegte leitungsfähige
Massen gelang. Ein spiralig gewundener Kupferdraht wurde durch lange
Drähte mit einem Galvanometer verbunden. In die Höhlung der Spirale
steckte *Faraday* einen Eisenzylinder, dem durch Ausglühen jede Spur
von Magnetismus genommen war. Der Draht mit dem Zylinder wurde in
die Richtung der Inklinationsnadel gebracht. Drehte man darauf die
Spule mit dem Zylinder um 180°, so geriet die Galvanometernadel in
Schwingungen, welche durch mehrmalige Wiederholung der Umkehrung
sehr verstärkt werden konnten. Wurde der Eisenstab entfernt und der
Schraubendraht allein umgekehrt, so zeigte sich keine Wirkung. Der beim
ersten Versuche angezeigte Strom war somit eine Folge der induzierenden
Kraft des Erdmagnetismus, durch den der Eisenzylinder zu einem
Magneten geworden war. Drehte man den Zylinder um 180°, so fand auch
eine Polumkehrung statt. Der Versuch entsprach somit ganz der durch
Abbildung 12 erläuterten Elektrizitätserregung durch Magnetismus.
Wurde der Schraubendraht allein in die Richtung der Inklinationsnadel
gebracht und ein weicher Eisenzylinder hineingesteckt und
herausgezogen, so gab die Galvanometernadel jedesmal einen Ausschlag.
Wurde der Schraubendraht dagegen rechtwinklig zur Richtung der
Inklinationsnadel eingestellt, so brachte das Hineinstecken und
Herausziehen des Eisenstabes keine Wirkung auf das Galvanometer hervor.
Der zweite dieser beiden zuletzt erwähnten Versuche lieferte somit den
deutlichen Beweis, daß die beim ersten Versuch auftretende Elektrizität
nur auf die Wirkung des Erdmagnetismus zurückgeführt werden konnte.
Diese günstigen Ergebnisse ließen erhoffen, die elektrische Induktion
durch Erdmagnetismus direkt, d. h. ohne Vermittlung eines zunächst von
der Erde magnetisierten Eisenstabes hervorrufen zu können. Folgende
Versuchsanordnung führte *Faraday* zum Ziel. Ein etwas dickerer
Kupferdraht wurde mit seinen Enden an den Enden der Galvanometerdrähte
befestigt und dann zu einem Rechteck gebogen. Wie die Abbildung 15
zeigt, lag das Galvanometer in der Mitte der in der Richtung des
magnetischen Meridians verlaufenden Längsseite des Rechtecks. Die
zweite Längsseite lag westlich vom Galvanometer. Wurde darauf das
Rechteck, das zusammen mit dem Galvanometer einen geschlossenen
Stromkreis bildete, um die mit dem Galvanometer verbundene Seite
rasch gedreht, so daß die anfangs westlich vom Galvanometer liegende
Rechteckseite östlich zu liegen kam, so ging ein Strom von Nord
nach Süd durch den ruhenden Drahtabschnitt. Wurde das Rechteck in
die ursprüngliche Lage zurückgebracht, so zeigte die Nadel an,
daß der Stromkreis in entgegengesetzter Richtung von Elektrizität
durchflossen wurde, die nichts anderes als die induzierende Wirkung des
Erdmagnetismus zur Ursache haben konnte.
[Illustration: Abb. 15. *Faraday* weist die induzierende Wirkung des
Erdmagnetismus nach.]
Hatte *Faraday* Magnetinduktionsströme dadurch erhalten, daß er eine
Kupferscheibe zwischen den Polen eines Stahlmagneten rotieren ließ, so
lag nach dem Erfolg der soeben geschilderten Bemühungen der Gedanke
nahe, auch bei jenem Versuche den Erdmagnetismus an die Stelle der
von dem künstlichen Magneten ausgehenden Wirkung treten zu lassen.
Die Scheibe wurde so hergerichtet, daß einer der Galvanometerdrähte
mit der Achse, der andere vermittelst eines Kollektors mit dem
Rande in Verbindung stand. Befand sich die Scheibe in einer mit der
Inklinationsrichtung zusammenfallenden Ebene, so brachte die Drehung
der Scheibe keine Wirkung auf das Galvanometer hervor. Wurde sie nur um
wenige Grade gegen die Inklinationslinie geneigt, so zeigte die Nadel
einen induzierten Strom an. Betrug der Winkel, den die Scheibe mit der
Inklinationsnadel machte, 90 Grad, so besaß die erzeugte Elektrizität
für eine gegebene Geschwindigkeit der Umdrehung ihr Maximum.
Auf solche Weise wurde die rotierende Kupferscheibe zu einer neuen
Elektrisiermaschine, die zwar weit schwächer wirkte wie die
gewöhnliche Maschine, dafür aber einen konstanten Strom lieferte. Daß
dieser durch den Erdmagnetismus erzeugte elektrische Strom imstande
ist, das Nervensystem zu beeinflussen, wies schon *Faraday* nach. Durch
andere Physiker[87] wurde dieser Strom unter Anwendung mehrerer mit
Eisenkernen versehener Kupferspiralen in solchem Maße verstärkt, daß
dadurch Wasser zersetzt und kräftige Erschütterungen des Organismus
hervorgerufen werden konnten.
Die grundlegenden Untersuchungen über die induzierende Wirkung der
Elektrizität und des Magnetismus fanden ihren Abschluß in *Faradays*
Entdeckung der Selbstinduktion. Es war den Physikern nicht entgangen,
daß der Funke, den man bei der Unterbrechung eines galvanischen Stromes
erhält, nur schwach ist, wenn der Stromkreis aus einem kurzen Draht
besteht. Besitzt dagegen der Schließungsdraht eine bedeutende Länge,
so nimmt der Funke an Stärke zu. Ähnlich verhält es sich mit den
physiologischen Wirkungen. So wurde *Faraday* auf die zunächst ganz
rätselhafte Tatsache aufmerksam, daß man keinen elektrischen Schlag
erhält, wenn man die beiden Platten einer Batterie durch einen kurzen
Draht verbindet, während man bei Anwendung eines längeren, um einen
Elektromagneten geschlungenen Drahtes beim jedesmaligen Öffnen einen
kräftigen Schlag empfindet. Rätselhaft war die Erscheinung besonders
deshalb, weil doch ein längerer Draht durch seinen Widerstand den Strom
schwächt, so daß man vor dem Paradoxon stand, daß man von dem starken
Strom einen schwachen Funken und Schlag, von dem schwachen Strom
dagegen kräftigere Wirkungen erhielt.
[Illustration: Abb. 16. *Faradays* Nachweis des Extrastroms.]
In der neunten Reihe seiner Experimentaluntersuchungen, die er im
Jahre 1835 veröffentlichte, lieferte *Faraday* den Nachweis, daß
diese Erscheinung als ein besonderer Fall der von ihm entdeckten
Induktionsphänomene aufzufassen ist. *Faraday* bediente sich einer
Versuchsanordnung, welche durch die beistehende Abbildung verdeutlicht
wird. Z und C sind die Zink- und die Kupferplatte einer Batterie.
Von diesen Platten gehen Drähte nach zwei mit Quecksilber gefüllten
Näpfchen G und E, in denen der Kontakt vollzogen und unterbrochen
wird. Die Berührung erfolgte zwischen Quecksilber und Kupfer, weil
in diesem Falle der Funken bedeutend glänzender ist. A und B sind die
Enden des langen, durch die Punktierung angedeuteten Schraubendrahtes
D. N und P sind Querdrähte für einen Zweigstrom. In letzteren wird bei
x ein Galvanometer, ein Platindraht oder ein Apparat für Elektrolyse
eingeschaltet.
Ist der Stromkreis geschlossen, so geht durch die Zweigleitung von
P nach N ein Zweigstrom, welcher die Nadel abzulenken strebt. Diese
Ablenkung verhinderte *Faraday* durch einen kleinen Stift, an den sich
die Nadel anlegte, sodaß sie in ihrer natürlichen Lage blieb, die sie
vor der Einwirkung des Stromes besaß. Wurde darauf der Strom bei einem
der Quecksilbernäpfchen G oder E unterbrochen, so wich die Nadel in dem
Augenblick stark nach der entgegengesetzten Seite ab. Daß die Ablenkung
entgegengesetzt der Ablenkung durch den primären Strom erfolgte,
lieferte den Beweis, daß durch die Zweigleitung im Momente der
Unterbrechung ein Strom geht, dessen Richtung derjenigen des primären
Stromes entgegengesetzt ist. *Faraday* nannte diesen im Momente der
Unterbrechung auftretenden Strom »Extrastrom«, ein Name, der sich in
der Wissenschaft erhalten hat.
Den Extrastrom wies *Faraday* auch durch das Auftreten von Wärme und
von chemischer Aktion nach. Er brachte an die Stelle des Galvanometers
einen dünnen Platindraht, an dem bei geschlossener Kette keine
Wirkungen auftraten. Wurde dann bei G oder E der primäre Strom
unterbrochen, so geriet der Platindraht ins Glühen, bei geringer Länge
schmolz er sogar. Dieser Versuch ergab jedoch nichts über die Richtung
des Extrastromes. Eine neue Wirkung dieses Stromes, die zugleich seine
Richtung erkennen ließ, konnte *Faraday* durch die Einschaltung eines
Zersetzungsapparates nachweisen.
Bei x wurde in die Zweigleitung Jodkaliumstärkepapier gebracht. War der
primäre Strom geschlossen, so strömte die gesamte Elektrizität durch A
D B und es fand bei x keine chemische Zersetzung statt. Sobald jedoch
bei G oder E der Kontakt aufgehoben wurde, trat bei F Zersetzung des
Jodkaliums ein. Das freigewordene Jod erschien am Drahte N und rief
dort Blaufärbung der Stärke hervor, ein Beweis, daß der im Momente der
Unterbrechung des Batteriestroms durch die Querleitung gehende Strom
eine dem primären Strome entgegengesetzte Richtung besitzt. Da an
der Unterbrechungsstelle bei E oder G jedesmal ein heller Funken zu
beobachten ist, so folgt daraus, daß nur ein Teil des Extrastroms bei x
durch den Zweigdraht geht.
Die Entstehung des Extrastroms erklärte *Faraday* in folgender Weise:
Wenn ein Strom, welcher durch die Spirale D fließt, unterbrochen wird,
so wird er in sämtlichen Windungen rasch abnehmen. Zieht man nun
zunächst eine einzelne Windung der Spirale in Betracht, so wird der
in dieser Windung verschwindende Strom in den benachbarten Windungen
einen gleichgerichteten Strom hervorrufen. Diese Erscheinung wiederholt
sich in sämtlichen Teilen der Spirale. Infolgedessen summieren sich
die erzeugten Induktionsströme. Da letztere ferner dem primären Strome
gleichgerichtet sind, so müssen sie bei plötzlicher Unterbrechung
des letzteren in der Zweigleitung in einer Richtung fließen, die
derjenigen, welche der primäre Strom besaß, entgegengesetzt ist.
*Faraday* ging bei der Untersuchung des Extrastroms oder der
Selbstinduktion noch einen Schritt weiter. Da ein elektrischer Strom
auch im Augenblicke seines Beginns induzierend wirkt, so muß auch, wenn
der Stromkreis geschlossen wird, ein Extrastrom auftreten. Und zwar
muß er, da seine Richtung der vorigen entgegengesetzt sein wird, den
primären Strom schwächen. Diese Wirkung muß nach *Faradays* Ausdruck
»ein dem Umgekehrten von einem Schlag oder Funken entsprechendes
Ergebnis hervorbringen«. Es war nicht leicht, die Mittel zu ersinnen,
die zum Erkennen solcher negativen Resultate sich eigneten. Trotzdem
gelang es *Faraday* sowohl durch elektrolytische als auch durch
Galvanometerversuche den bei der Vollziehung des Kontakts auftretenden
Extrastrom zu erkennen. So wurde, um die zweite Art des Nachweises zu
führen, bei x (Abb. 16) ein Galvanometer eingeschaltet, während der
Kontakt bei G und E vorhanden, der primäre Strom also geschlossen war.
Die Nadel erfuhr dadurch eine Ablenkung und wurde jetzt durch einen
Stift gehemmt, so daß sie wohl weiter ausschlagen, aber nicht in ihre
alte Lage zurückkehren konnte. Bei Unterbrechung des Kontaktes war
natürlich keine Wirkung sichtbar. Wurde der primäre Strom jetzt wieder
geschlossen, so wich die Nadel von dem Hemmstift ab, so daß sie also
noch weiter aus ihrer ursprünglichen Lage entfernt wurde, als es durch
den konstanten Strom geschehen war. Durch diesen zeitweisen Überschuß
des Stromes in der Querleitung war somit die vorübergehende Schwächung,
welche die Elektrizität im ersten Momente, beim Durchlaufen des
Schraubendrahts in D erfuhr, nachgewiesen.
*Faradays* Untersuchungen betrafen nicht immer neue, von ihm
erschlossene Forschungsgebiete. Wir sehen ihn auch bemüht, tiefer
in das Wesen längst bekannter Erscheinungen einzudringen. So sind
die XII. und die XIII. Reihe seiner Experimentaluntersuchungen
dem Leitungsvermögen und der Entladung gewidmet. Zunächst betont
*Faraday*, daß es zwischen Leitern und Nichtleitern keinen wesentlichen
Unterschied gibt. Beide Ausdrücke bezeichnen »nur äußerste Grade
eines gemeinsamen Zustandes.« Betrachte man das schwache Eindringen
der Elektrizität in Schwefel und Schellack als Folgen ihres geringen
Leitungsvermögens, so könne man andererseits den Widerstand,
den Metalldrähte dem Durchgang der Elektrizität darbieten, als
Isolationsvermögen ansehen. Man habe demnach weder bei dem einen noch
bei dem anderen Extrem, weder bei der Isolation, noch bei der Leitung,
den Fall der Vollkommenheit.
[Illustration: Abb. 17. *Faradays* Versuch über die Entladung durch
Gase.]
Unter Berücksichtigung dieser Tatsache gelang es *Faraday*, den
»elektrischen Rückstand« zu erklären. Man versteht darunter die schon
im 18. Jahrhundert[88] bekannt gewordene Erscheinung, daß eine
Leydener Flasche, selbst geraume Zeit nachdem sie entladen ist, wieder
eine Entladung gibt, ja daß man die Entladung sogar mehrere Male
wiederholen kann. *Faraday* erklärte den Rückstand daraus, daß die
Elektrizität von den Belegungen aus in die isolierende Masse, die nur
ein geringeres Leitungsvermögen besitzt, langsam eindringt. Nach der
Entladung wandere die Elektrizität ebenso allmählich aus dem Isolator
in die Belege, wodurch eine neue Entladung möglich sei[89].
Sehr eingehend beschäftigt sich *Faraday* auch mit der »zerreißenden
Entladung«, worunter er die Entladung in Gestalt von Funken und
Lichtbüscheln versteht. Daß die elektrische Schlagweite bei gleichem
Druck und gleicher Temperatur für verschiedene Gase verschieden groß
ist, beweist er durch folgenden sinnreichen Versuch, bei dem der Funken
in der Luft oder innerhalb eines mit einem beliebigen Gase gefüllten
Glasgefäßes überspringen konnte. a ist dieses Glasgefäß. Am Boden des
letzteren befindet sich eine Messingkugel l und darüber eine kleinere
Messingkugel an einem verschiebbaren Stabe d. Außerhalb des Gefäßes
befinden sich zwei gleich große Messingkugeln L und S an isolierenden
Stützen (h und i), deren Abstand ebenfalls geändert werden kann. n ist
das Ende eines Konduktors, der durch eine Elektrisiermaschine positiv
oder negativ geladen wird. Der Konduktor ist durch die Drähte o und p
mit den kleineren Kugeln verbunden. Der Draht qr stellt die leitende
Verbindung zwischen den größeren Kugeln und der Erde her.
Die Entladung konnte somit zwischen s und l oder zwischen S und L
stattfinden. Der Abstand v und u wurde verändert, bis der Funke
zwischen beiden Kugelpaaren gleich oft übersprang. In diesem Fall
konnte man annehmen, daß der Widerstand der Luft und des in der Glocke
befindlichen Gases gleich groß ist. Wählte *Faraday* z. B. im einen
Falle Wasserstoff, im anderen Chlorwasserstoff, und war die Schlagweite
in beiden Gasen 1,6 cm, so betrug sie für das in der Luft befindliche
Kugelpaar 0,99 cm und 3,5 cm. Die Schlagweite war somit in Wasserstoff
im Verhältnis 1,6 : 0,99 größer, im Chlorwasserstoff im Verhältnis 3,5 :
1,6 kleiner als in der Luft.
Mit zunehmender Dichtigkeit des hindernden Gases nahm die Schlagweite
im allgemeinen ab. Auch darauf wies *Faraday* hin, daß die Farbe des
Funkens und der Büschelentladung von dem Gase, in dem sie sich bilden,
abhängt. Sie ist in der Luft bläulichweiß, in Wasserstoff rot, in
Kohlendioxyd grünlich usw. Außerdem ist die Natur der Metalle, zwischen
welchen die Entladung stattfindet, von großem Einfluß auf die Farbe
des Funkens. Zwischen Funken- und Büschelentladung finden ferner alle
Übergänge statt.
*Faradays* weitere Bemühungen liefen darauf hinaus, alle Zweifel zu
beseitigen, ob man es bei den auf so verschiedene Weise erzeugten
Elektrizitätsarten auch stets mit ein und derselben Naturkraft zu tun
habe. Indem er ihre sämtlichen Wirkungen zusammenstellte und verglich,
gelangte er zur Überzeugung, »daß die Elektrizität, aus welcher Quelle
sie auch entsprungen sei, identisch ist in ihrer Natur[90].«
*Faraday* konnte, als er im Jahre 1833 die Frage nach der
Identität der Elektrizitäten verschiedenen Ursprungs aufwarf,
fünf Elektrizitätsarten unterscheiden, nämlich die galvanische
Elektrizität, die Reibungselektrizität, die Magneto-, Thermo- und
die tierische Elektrizität. In Betracht gezogen wurden für sämtliche
Arten die physiologische Wirkung, die Ablenkung der Magnetnadel,
das Magnetisieren, die Erzeugung von Funken, die Wärmeerregung, die
elektrochemische Wirkung usw.
Wie schon hervorgehoben, gelangte *Faraday* zu dem Ergebnis, daß die
fünf aufgeführten Elektrizitätsarten nicht in ihrem Wesen, sondern nur
dem Grade nach verschieden sind. »Sie variieren«, fügt er hinzu, »nach
Maßgabe der veränderlichen Umstände nach Quantität und Intensität.«
Insbesondere bemühte sich *Faraday*, nachzuweisen, daß die
Reibungselektrizität die gleiche chemische Wirkung hervorruft wie die
galvanische. Bei den Versuchen[91], die *Faraday* für diesen Zweck
ersann, wollen wir noch etwas verweilen.
Auf einer Glasplatte brachte er zwei Stanniolstreifen a und b an. Die
Platte a wurde durch den Draht c mit dem positiven Konduktor der
Elektrisiermaschine, die Platte b durch den Draht g mit einer Ableitung
für die Elektrizität verbunden.
Auf den Stanniolplatten ruhten zwei winklig gebogene, verschiebbare
Drähte, zwischen deren Enden p und n *Faraday* die zu untersuchenden
Substanzen brachte. Wurde z. B. ein Tropfen Kupfervitriollösung
in die Mitte der Glasplatte zwischen p und n gebracht und die
Elektrisiermaschine in Bewegung gesetzt, so zeigte sich das Drahtende p
nach etwa zwanzig Umdrehungen ganz mit Kupfer überzogen.
[Illustration: Abb. 18. *Faraday* untersucht die chemische Wirkung der
Reibungselektrizität.]
Brachte man durch Indigo blau gefärbte Salzsäure an die Stelle der
Kupferlösung und wiederholte den Versuch, so zeigte sich schon bei
einer einzigen Umdrehung der Maschine um p die bleichende Wirkung des
durch die Zerlegung der Salzsäure entwickelten Chlors.
Darauf wurde Jodkaliumstärkekleister auf die Glasplatte zwischen p
und n gebracht. Beim Drehen der Maschine zeigte sich bei p eine blaue
Färbung, ein Beweis, daß dort Jod entwickelt wurde, das bekanntlich im
freien Zustande Stärkekleister blau färbt.
Endlich wurde noch die Zersetzung von Glaubersalz durch die
Reibungselektrizität auf folgende Weise dargetan. Brachte man einen
mit einer Lösung von Glaubersalz getränkten Streifen Kurkumapapier
zwischen p und n, so wurde das Papier nach einigen Umdrehungen durch
das entstandene Alkali braunrot gefärbt.
Benutzt man die galvanische Elektrizität, so verlaufen die
geschilderten Zersetzungen in derselben Weise.
Daß ein durch magnetelektrische Induktion erregter Strom imstande ist,
ebenso wie die galvanische und wie die Reibungselektrizität einen Draht
zu erhitzen, hatte *Faraday* schon 1832 dargetan. *Pixii* lieferte den
Nachweis, daß durch Magneto-Elektrizität Wasser in Wasserstoff und
Sauerstoff zerlegt werden kann. Ferner konstruierte *Pixii*[92] die
erste, schon sehr kräftige Magnetinduktionsmaschine (s. Abb. 19). Sie
besaß die Einrichtung, daß der Magnet um eine den Schenkeln parallele
Achse rotierte. Die Induktionsspirale umschloß ein hufeisenförmiges
Eisenstück und blieb in Ruhe, während die Pole des rotierenden Magneten
sich den Schenkeln des umwickelten Hufeisens abwechselnd näherten und
sich davon entfernten.
Unter dem Magneten befand sich ein Drehwerk und, wie die nebenstehende
Abbildung zeigt, ein Kommutator, welcher die Aufgabe hatte, die
den Spulen entnommenen Ströme mittelst Schleiffedern in einen
gleichgerichteten Strom zu verwandeln. Dieser Kommutator wurde von
*Ampère* hinzugefügt. *Stöhrer* gab der Maschine die noch heute
gebräuchliche Einrichtung, indem er den Magneten befestigte und die mit
Eisenkernen versehenen Spulen sich drehen ließ.
[Illustration: Abb. 19. Die erste magnetelektrische Maschine.]
Die thermoelektrischen Ströme besaßen zu der Zeit, als *Faraday*
die Elektrizitätsarten verglich, noch nicht den genügenden Grad
von Intensität, um alle Wirkungen der galvanischen und der
Reibungselektrizität hervorzurufen. *Faraday* mußte sich hier auf
die Untersuchung der magnetischen und der physiologischen Wirkungen
beschränken. Dagegen waren bezüglich der tierischen Elektrizität außer
der magnetischen und der physiologischen die chemische Wirkung bekannt
und Funkenbildung von einigen Seiten beobachtet worden.
Durch den Vergleich der elektrischen Wirkungen wurde *Faradays*
Aufmerksamkeit besonders auf die chemische Wirkung der Elektrizität
gelenkt. Zunächst schuf er für dieses Gebiet die noch heute
gebräuchlichen Benennungen[93]. Die Ein- und Austrittsstelle des
Stromes nannte er Elektroden; der zu zersetzende Körper wurde
Elektrolyt, der Vorgang selbst Elektrolyse, und die Produkte der
Zersetzung wurden Ionen (d. h. die Wandernden) genannt. Das Anion, z.
B. der bei der Zerlegung des Wassers auftretende Sauerstoff, wandert
an die Anode, das ist die Eintrittsstelle des Stromes, während das
Kation, in dem angezogenen Beispiel der Wasserstoff, an die Kathode
oder Austrittsstelle geht. Ferner hat *Faraday* die beiden Arten der
Leitung, die metallische und die elektrolytische, zum ersten Male
scharf unterschieden.
Zunächst wandte *Faraday* sich in der VII. Reihe seiner
Experimentaluntersuchungen[94], durch welche er die Grundlage für
die heutigen Lehren geschaffen hat, den allgemeinen Bedingungen der
elektrochemischen Zersetzung zu.
Es ergab sich, daß die zersetzende Wirkung des Stromes der
Elektrizitätsmenge proportional ist und nicht etwa von der
Konzentration des Elektrolyten oder von der Größe der Elektroden
abhängt[95]. »Die zersetzende Wirkung des Stromes« führt *Faraday*
näher aus, »ist konstant für eine konstante Menge Elektrizität,
ungeachtet der größten Verschiedenheit in deren Abstammung, der
Intensität, der Größe der Elektroden, der Natur der durchströmten
Leiter usw.«
Auf dieses Gesetz gründete *Faraday* einen Apparat, welcher die
hindurchgegangene Elektrizitätsmenge zu messen gestattet. Durch
die Seiten einer oben geschlossenen, graduierten Röhre (siehe Abb.
20) werden zwei in Platten endigende Platindrähte geführt und
eingeschmolzen. Die so vorbereitete Meßröhre wird in eine der Mündungen
einer zweihalsigen Flasche gesteckt. Letztere wird etwa zur Hälfte
mit Wasser gefüllt, das einen Zusatz von Schwefelsäure erhält. Durch
entsprechendes Neigen wird die Röhre mit dieser Flüssigkeit gefüllt.
Leitet man darauf einen elektrischen Strom durch das Instrument, so
sammelt sich das an den Platinplatten entwickelte Gas in dem oberen
Teile der Röhre und kann hier gemessen werden.
[Illustration: Abb. 20. *Faradays* Voltaelektrometer.]
Schon *Davy*, dem Begründer der Elektrolyse, war es aufgefallen,
daß neben der primären Zersetzung einer chemischen Verbindung noch
sekundäre Erscheinungen auftreten, die darin bestehen, daß die Ionen
im Augenblicke des Freiwerdens mit den Elektroden, dem Elektrolyten
oder auch dem Lösungsmittel chemische Verbindungen eingehen. Auch
diesem Vorgange widmete *Faraday* eine auf zahlreiche Substanzen sich
erstreckende Untersuchung[96], aus der einige Beispiele hier Platz
finden mögen. Bei der Zersetzung von Salzsäure unter Anwendung von
Platinelektroden verband sich das Chlor zum Teil mit dem Platin, ein
anderer Teil wurde gelöst. Elektrolysierte *Faraday* Chlornatrium in
wässeriger Lösung, so wurde an der positiven Elektrode Chlor, an der
negativen dagegen Wasserstoff und Natron abgeschieden. Wasserstoff
und Natron hatten sich durch die Einwirkung des im primären Vorgang
abgeschiedenen Natriums auf Wasser gebildet. Ähnlich wie die
Chlorverbindungen verhielten sich Jodwasserstoff und die Jodide.
Indes auch bei geschmolzenen Salzen blieben sekundäre Wirkungen
nicht aus. Bei der Zerlegung von Zinnchlorür z. B. wirkte das an der
Anode sich ausscheidende Chlor auf das dort befindliche Chlorür und
verwandelte es in Zinnchlorid, während an der Kathode metallisches Zinn
ausgeschieden wurde.
[Illustration: Abb. 21. *Faraday* zerlegt Zinnchlorür zum Nachweis des
elektrolytischen Grundgesetzes[97].]
Um Vergleiche über die zersetzende Wirkung des elektrischen Stromes
anzustellen, brachte *Faraday* seinen von ihm als Voltaelektrometer
oder kürzer als Voltameter bezeichneten Apparat in denselben
Stromkreis, in dem sich der zu untersuchende Elektrolyt, z. B.
Zinnchlorür (SnCl_{2}), befand. Der Platindraht P tauchte in das
geschmolzene Chlorür und wurde (s. Abb. 21) mit dem negativen, das
Voltameter N dagegen mit dem positiven Pole einer galvanischen Batterie
verbunden. Nachdem sich eine genügende Menge Gas in N gesammelt hatte,
wurde gemessen und das an der Kathode ausgeschiedene Zinn gewogen. In
dem von *Faraday* mitgeteilten Beispiele[98] hatten sich 3,85 Kubikzoll
(0,49742 Gran) Knallgas gebildet, während die negative Elektrode eine
von dem ausgeschiedenen Zinn herrührende Gewichtszunahme von 3,2
Gran aufwies. Aus der Öffnung des erhitzten Röhrchens entwichen die
an der Anode infolge des sekundären Vorgangs entstehenden Dämpfe von
Zinnchlorid. Dem Gewicht des Wasserstoffs (1/9 von 0,49742) entsprach
die 57,9fache Menge Zinn, eine Zahl, die mit dem Äquivalentgewicht des
Zinns nahezu übereinstimmt. Dieser und zahlreiche ähnliche Versuche
ergaben als elektrolytisches Grundgesetz, daß die Abscheidung der Ionen
durch ein- und denselben Strom stets im Verhältnis der chemischen
Äquivalente stattfindet.
Durch seine Arbeit über die zersetzende Wirkung der galvanischen
Säule gelangte *Faraday*, noch bevor *Robert Mayer* das Gesetz von
der Erhaltung der Energie aussprach, zu Anschauungen, die sich mit
diesem allumfassenden Prinzip vollkommen decken. »Die Kontakttheorie«,
so lauten seine Worte[99], »nimmt an, daß ohne irgend eine Änderung
der wirkenden Substanz und ohne den Verbrauch von irgend einer
Triebkraft ein Strom gebildet werden könne, der imstande ist, einen
mächtigen Widerstand zu überwinden und Körper zu zerlegen. Es wäre
dies in der Tat die Erschaffung einer Kraft aus nichts. Es gibt
mancherlei Vorgänge, bei denen die Erscheinungsform sich in der Weise
ändert, daß eine Umwandlung einer Kraft in eine andere stattfindet.
Auf diese Weise können wir chemische Kräfte in elektrischen Strom
oder diesen in chemische Kraft verwandeln. Die schönen Versuche von
*Seebeck*[100] beweisen den Übergang von Wärme in Elektrizität,
und andere von *Oerstedt*[101] und mir angestellte Experimente die
gegenseitige Verwandlungsfähigkeit von Elektrizität und Magnetismus.
Allein in keinem Falle, nicht einmal bei den elektrischen Fischen,
findet eine Erschaffung oder eine Erzeugung von Kraft statt, ohne
einen entsprechenden Verbrauch von etwas anderem.« Diese Worte lassen
erkennen, daß große wissenschaftliche Wahrheiten, noch ehe sie zum
vollen Durchbruch gelangen, oft mehr oder weniger deutlich in dem
allgemeinen Bewußtsein der Zeit schlummern.
Zugleich ersehen wir, welche Stellung *Faraday* zu der älteren,
besonders von den italienischen und den deutschen Physikern vertretenen
Kontakttheorie einnahm. *Volta* hatte geschwankt und als Quelle der
galvanischen Elektrizität bald den Kontakt der Metalle, bald ihre
Berührung mit den Leitern zweiter Klasse angenommen. *Zamboni*, der
Erfinder der Trockensäule, hielt die gegenseitige Berührung der Metalle
und nicht die Berührung der Metalle mit den Flüssigkeiten für die
Ursache des Stromes. *Faraday* dagegen hatte durch den ganzen Gang
seiner wissenschaftlichen Entwicklung gelernt, mehr auf die chemischen
Vorgänge zu achten. Er gelangte zu der Überzeugung: »Wo keine chemische
Aktion ist, da ist auch kein Strom.«
Einen Bundesgenossen in seinem Kampfe gegen die Kontakttheorie fand
*Faraday* in dem Franzosen *de la Rive*[102]. Nach *de la Rive* ist
die chemische Affinität die Ursache des galvanischen Stromes. Außerdem
seien nur mechanische und thermische Wirkungen imstande, Elektrizität
zu erzeugen. Seine Lehre faßte *de la Rive* in folgendem Satz zusammen:
»Werden zwei verschiedenartige Körper in eine Flüssigkeit oder in ein
Glas gebracht, das auf beide oder auch nur auf einen dieser Körper
chemisch einwirkt, so kommt Elektrizitätserregung zustande. Dabei wird
der chemisch angegriffene Körper negativ, der angreifende positiv
elektrisch«.
Gleich *de la Rive* geht *Faraday* in der 16. Reihe seiner
Experimentaluntersuchungen, die er gleich der 17. ausschließlich der
vorliegenden Frage widmet, von der Ansicht aus, daß der bloße Kontakt
nicht zur Erregung des Stromes beitrage, abgesehen davon, daß er die
chemische Aktion einleite.
*Faraday* war eben schon von dem Gesetze der Erhaltung der Energie
beherrscht, noch bevor es zum klaren Ausdruck gekommen und zum
Allgemeingut der Physik geworden war. Dafür zeugt die Fassung,
die *Faraday* der chemischen Theorie gibt. An dem Orte der
Elektrizitätsentwicklung wirken nach ihm die sich berührenden Teilchen
chemisch aufeinander ein. Der Betrag der erzeugten Stromkraft sei ein
Äquivalent der angewandten chemischen Kraft. In keinem Falle könne ein
elektrischer Strom erzeugt werden ohne den Verbrauch eines gleichen
Betrages chemischer Kraft und »endend mit einem gegebenen Betrag von
chemischer Veränderung«.
Vom Standpunkte *de la Rives* und *Faradays* ließ sich der *Volta*sche
Fundamentalversuch nur erklären durch die Bildung einer oberflächlichen
Oxydschicht unter dem Einfluß der feuchten atmosphärischen Luft. Und
wirklich haben spätere Versuche bewiesen, daß die Spannung an der
Kontaktstelle um so geringer ist, je mehr die Metalle gegen Oxydation
geschützt sind. Andererseits reichte die ausschließlich chemische
Theorie vom galvanischen Strom doch nicht zur Erklärung aller in
Betracht kommenden Erscheinungen aus. Eine vermittelnde Theorie stellte
im Jahre 1844 *Schönbein* auf. Während *de la Rive* und *Faraday* den
Ursprung der Elektrizität in tatsächlichen und sichtbaren chemischen
Vorgängen erblickten, behauptete *Schönbein*, schon die bloße Tendenz
zweier Körper, sich chemisch zu verbinden, störe deren elektrisches
Gleichgewicht, selbst wenn keine wirkliche Verbindung erfolge.
Doch sei ein Strom, der infolge der wirklichen Verbindung zweier
Stoffe entstehe, bei weitem stärker als derjenige, der nur durch
die Tendenz nach Vereinigung hervorgerufen werde. Als ein Beispiel
betrachtet *Schönbein* das Verhalten von Zink und Kupfer zu verdünnter
Schwefelsäure. Das Zink sei »sauerstoffgierig«. Der Sauerstoff äußere
schon eine Anziehung zum Zink, bevor es zu einer Verbindung komme.
Dadurch werde noch nicht eine Zersetzung des Wassers hervorgerufen,
sondern zunächst eine Richtung seiner Moleküle. Dies geschehe in der
Art, daß sich der Sauerstoff jeder Wassermolekel dem Zink zuwende.
Dieser Störung des chemischen Gleichgewichtes laufe eine Störung
des elektrischen Gleichgewichts parallel, weil das Sauerstoffatom
gleichzeitig negativ, das Wasserstoffatom positiv elektrisch werde.
*Schönbeins* Anschauungen bilden einen Übergang zu den heute über das
Zustandekommen des galvanischen Stromes geltenden Anschauungen, nach
welchen eine elektrische Polarität der Wasserteilchen sich nicht erst
bildet, sondern schon für sich besteht. Wird, um *Schönbeins* Beispiel
zu Ende zu führen, in die Flüssigkeit eine zweite Platte gebracht,
die »wasserstoffgierig« oder auch nur weniger sauerstoffgierig ist
als Zink, so bleibt die Anordnung der Flüssigkeitsteilchen bestehen.
Wird jetzt eine leitende Verbindung zwischen dem Zink und dem
zweiten Metall hergestellt, so fließt die positive Elektrizität zum
Zink und die Zersetzung beginnt, während an den Berührungsstellen
die geschilderte Tendenz fortdauert. Mit Recht hat *Faraday*
*Schönbein* vorgeworfen, daß er einen andauernden Vorgang wie den
galvanischen Strom aus einer Tendenz oder einem bloßen Zustand
erklären wolle. Andererseits hat *Schönbein* seine Theorie in einer
späteren Abhandlung[103] vom Jahre 1849 soweit ausgebaut, daß, wie
schon erwähnt, ihr Grundgedanke sich für die weitere Entwicklung der
Wissenschaft als fruchtbar erwiesen hat. *Faraday* hat sich nach
Abschluß seiner in der 16. und 17. Reihe gegebenen Untersuchung mit dem
auch jetzt noch nicht völlig geklärten Vorgang nicht weiter beschäftigt.
Von dem Bestreben, wie auf den Gebieten des Galvanismus und der
chemischen Aktion, neue Beziehungen zwischen den Kräften aufzudecken,
blieb *Faraday* indessen stets erfüllt. Aus der Überzeugung, daß solche
Beziehungen auch zwischen der Elektrizität und dem Lichte bestehen,
entsprang sein berühmter Versuch der Magnetisierung des Lichtes[104].
Nachdem alle Bemühungen, einen unmittelbaren Einfluß des Magneten
auf einen gewöhnlichen Lichtstrahl nachzuweisen, erfolglos gewesen
waren, brachte *Faraday* ein Stück Glas von besonderer Zusammensetzung
zwischen die Pole eines kräftigen Elektromagneten, so daß es über
die Ebene dieser Pole hinausragte. Durch das Glas wurde dann in
axialer Richtung[105] ein polarisierter Lichtstrahl geleitet und der
analysierende Nicol so gestellt, daß der Strahl erlosch. Wurde jetzt
der Elektromagnet erregt, so erhellte sich das Gesichtsfeld. Es konnte
aber durch eine entsprechende Drehung des Analysators wieder verdunkelt
werden. Die Polarisationsebene des Lichtes hatte somit unter der
Wirkung des Elektromagneten eine Drehung erfahren.
Ersetzte man den Elektromagneten durch einen guten Stahlmagneten,
so war die Wirkung zwar weniger stark, sie war jedoch noch deutlich
vorhanden. Auch durch die bloße Anwendung stromdurchflossener Leiter
ließ sich eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes erzielen. Die
Einrichtung, welche *Faraday* hierbei traf, war die folgende. Stäbe
oder Prismen der zu untersuchenden durchsichtigen Substanzen wurden
in das Innere eines Solenoids, d. h. eines schraubenförmig gewundenen
Drahtes, gebracht. Durch diesen leitete *Faraday* den Strom. Der
Erfolg war der gleiche wie bei den Versuchen mit Elektromagneten und
Stahlmagneten. Wurde nämlich ein polarisierter Lichtstrahl in einer zu
seiner Richtung geneigten Ebene von einem elektrischen Strome umkreist,
so erfolgte eine Drehung des Strahles um seine Achse in gleicher
Richtung mit der Richtung des Stromes. Dies geschah so lange, wie der
Strom seinen Einfluß ausübte.
Flüssigkeiten wurden in Röhren untersucht, die *Faraday* in das
Solenoid hineinsteckte. Als er eine Röhre voll Wasser von gleicher
Länge mit dem Solenoid mehr oder weniger aus letzterem herausragen
ließ, konnte er den Einfluß der Länge des Diamagnetikums, wie er die
das Licht beeinflussende Substanz nannte, ermitteln. Je länger nämlich
die der Wirkung des Solenoides ausgesetzte Wassersäule war, um so
stärker war auch die Drehung des polarisierten Strahles. Der Betrag der
Drehung schien direkt proportional der Länge der Flüssigkeit zu sein,
die vom elektrischen Strom umkreist wurde.
Brachte *Faraday* Stoffe in das Solenoid, die schon von Natur ein
Drehvermögen besitzen, wie Zucker, Weinsäure und weinsaure Salze, so
wurde die vom elektrischen Strom erzeugte Drehung der ursprünglichen
hinzugefügt.
»So glaube ich zum ersten Male«, sagt *Faraday* am Schlusse seiner
Abhandlung »eine direkte Beziehung zwischen dem Licht, der Elektrizität
und dem Magnetismus festgestellt zu haben«. Das, meint er, sei ein
großer Fortschritt auf dem Wege, nachzuweisen, daß »alle Naturkräfte
miteinander verknüpft sind und einen gemeinschaftlichen Ursprung haben«.
Die Entdeckung der »Magnetisierung des Lichtes« brachte *Faraday* auf
den Gedanken, den Einfluß des Magnetismus auf sämtliche Stoffe zu
untersuchen[106]. Zunächst wurde ein Stück jenes Glases, das ihm beim
vorigen Versuch gedient hatte, zwischen den Polen eines sehr kräftigen
Elektromagneten aufgehängt. Das Glas nahm darauf die Querstellung er
(siehe Abbildung 22) an, ein Beweis, daß es von den Polen abgestoßen
wurde, während sich ein Eisenstäbchen infolge einer von den Polen
ausgehenden Anziehung in die Verbindungslinie der Pole einstellte.
Die weitere Untersuchung ergab, daß alle Stoffe einschließlich der
flüssigen und der gasförmigen, sich entweder wie das Eisen oder
wie jenes Glas verhalten. Im ersteren Falle nannte *Faraday* den
Stoff paramagnetisch, während er im anderen Falle als diamagnetisch
bezeichnet wurde.
[Illustration: Abb. 22. *Faraday* entdeckt den Diamagnetismus.]
Diamagnetisch war nicht nur das eigentümliche Glas, mit dem
*Faraday* die Magnetisierung des Lichtes gelungen war und das aus
kieselborsaurem Bleioxyd bestand. Auch die übrigen Glassorten wie
Flint- und Kronglas, erwiesen sich als diamagnetisch, desgleichen
Quarz, Kalkspat, Salpeter, Glaubersalz. Nichtmetalle, wie Phosphor und
Schwefel, wurden gleichfalls von den Polen des Magneten abgestoßen.
Die Metalle verhielten sich teils paramagnetisch wie das Eisen, teils
diamagnetisch. Wie Eisen verhielten sich Nickel, Kobalt, Mangan, Chrom,
Elemente, die auch in ihrem chemischen Verhalten viel Verwandtes
aufweisen. Als diamagnetische Metalle erkannte *Faraday* Wismut,
Antimon, Zinn, Zink, Blei, Silber, Gold und viele andere.
Flüssigkeiten wurden in Glasröhren eingeschlossen, die so dünn waren,
daß man die Einwirkung des Magneten auf das Glas außer acht lassen
konnte. Die gefüllten Röhren wurden dann zwischen den Polen des
Magneten auf die Art ihrer Einstellung untersucht. Auch auf die Gase,
ja selbst auf organische Substanzen dehnte *Faraday* seine Untersuchung
aus. Es machte einen seltsamen Eindruck, daß Holz, Fleisch oder ein
Apfel dem Magnet gehorchten. »Könnte ein Mensch«, fügt *Faraday* hinzu,
»leicht beweglich aufgehängt und in das magnetische Feld gebracht
werden, so würde er sich quer zur Verbindungslinie der Pole einstellen,
denn alle Stoffe, aus denen er gebildet ist, mit Einschluß des Blutes,
besitzen diese Eigenschaft.« *Faraday* wirft die Frage auf, ob nicht
in der Natur unter den Myriaden von Gestalten, die an allen Teilen der
Erdoberfläche den Magnetkraftlinien ausgesetzt sind, ähnliche Wirkungen
vorkommen können.
Zuerst hat *Faraday* die Abstoßung durch die Annahme einer Polarität zu
erklären gesucht. Und zwar sollte bei den diamagnetischen Stoffen der
Nordpol des Magneten nicht wie beim Eisen einen Südpol, sondern einen
Nordpol induzieren. Später gab er die Ansicht, daß eine diamagnetische
Polarität existiere, wieder auf. Sie ist indessen von anderer
Seite, insbesondere von *Weber* nachgewiesen worden. Im Verlaufe
seiner Entdeckungen gelangte *Faraday* zu Ansichten über die Natur
der Elektrizität, die von den Theorien früherer Forscher erheblich
abwichen und das Fundament der später von *Maxwell* entwickelten,
neueren Vorstellungen gebildet haben. Zusammengefaßt hat *Faraday*
diese Ansichten zuerst im Jahre 1838[107]. *Faraday* wandte sich
damals besonders gegen die Vorstellung, als ob die Erscheinungen der
Influenz und des Elektromagnetismus als eine Wirkung in die Ferne,
die ohne eine Vermittlung zwischenliegender Teilchen vor sich gehe,
aufzufassen sei. Die Teilchen des isolierenden Diëlektrikums, z. B.
der Luft, die eine mit Elektrizität geladene Kugel umgibt, sind nach
*Faraday* nicht etwa in einem indifferenten Zustande, sondern sie sind
polarisiert. *Faraday* vergleicht die Teilchen des Diëlektrikums mit
kleinen Magnetnadeln oder zahllosen kleinen isolierten Konduktoren.
Unter dem Einfluß der elektrisierten Kugel würden diese polar, und
nach der Entladung der Kugel kehrten sie in ihren gewöhnlichen Zustand
zurück. Die Spannungsbeziehungen zwischen den polarisierten Teilchen
des Diëlektrikums sollten ferner krummen Linien der influenzierenden
Kraft entsprechen.
Auch hinsichtlich der magnetischen und der Induktionswirkungen des
Stromes, seiner Querkraft, wie *Faraday* sich ausdrückt, kommt er zu
einem ähnlichen Ergebnis. Er hält es für wahrscheinlich, daß auch diese
Wirkungen durch Vermittlung zwischenliegender Teilchen fortgepflanzt
werden, ähnlich wie es mit der Influenzwirkung der statischen
Elektrizität geschehe. Wie im letzteren Falle so seien auch bei den
Erscheinungen der strömenden Elektrizität die angrenzenden Teilchen
in einem besonderen Zustand, den *Faraday* als den elektrotonischen
Zustand bezeichnet. *Faraday* hat sich eifrig bemüht, diese
Vorstellungen durch geeignete Experimente zu stützen. Es gelang ihm
auch der Nachweis, daß die Erscheinungen der statischen Elektrizität
von der Art des Diëlektrikums (Luft, Schellack, Schwefel) beeinflußt
werden, und daß die Elektrizität Zeit gebraucht, um das Diëlektrikum zu
durchdringen[108].
Wir werden später erfahren, wie *Faradays* Lehre von der Polarisation
oder dem elektrotonischen Zustand des Diëlektrikums, d. h. des
isolierenden Zwischenmittels, insbesondere von *Maxwell* weiter
ausgebildet wurde, der als dielektrisches Mittel im leeren Raum den
Äther ansah.
*Faradays* Bemühungen, eine Beziehung zwischen der Elektrizität und der
Schwerkraft aufzufinden, blieben ohne Ergebnis. In dem Nachweis, daß
der Magnetismus eine auf sämtliche Stoffe wirkende Kraft ist, bestand
seine letzte große Entdeckung. Er starb am 25. August des Jahres 1867
in dem Hause, das ihm die Königin etwa zehn Jahre zuvor geschenkt hatte.
*Faraday* faßte bei seinen Untersuchungen vorzugsweise die qualitative
Seite der Naturerscheinungen ins Auge. Als Autodidakt besaß er nicht
die nötige mathematische Schulung, um den quantitativen Beziehungen in
gleicher Weise gerecht zu werden. Das *Ohm*sche Gesetz z. B., welches
besagt, daß die Stromstärke proportional der elektromotorischen Kraft
und umgekehrt proportional dem Leitungswiderstande ist, wurde von
*Faraday* fünf Jahre, nachdem *Ohm* es veröffentlicht hatte[109], noch
nicht berücksichtigt[110]. Die quantitative Seite des Magnetismus wurde
gleichfalls erst in Deutschland genügend gewürdigt, wo *Gauß* die
Intensität dieser Naturkraft bestimmte[111] und die Grundlagen für das
absolute Maßsystem schuf, das *Wilhelm Weber* dann auf das galvanische
Gebiet ausdehnte.
Der erste, der die von *Laplace* begründete Potentialtheorie auf
die elektrischen und die magnetischen Erscheinungen anwandte und
so die Grundlage schuf, auf welcher *Gauß* und neuere Forscher den
mathematischen Teil der modernen Elektrizitätslehre errichteten, war
*Green*. Seine Verdienste wurden indessen schon in einem früheren
Abschnitt gewürdigt[112]. Den Ausgangspunkt für die über *Green* und
*Gauß* bis in die neueste Zeit hinein führende Reihe von theoretischen
Untersuchungen bildet das *Coulomb*sche Gesetz der statischen
oder Reibungselektrizität, dessen Analogie mit dem *Newton*schen
Gravitationsgesetz zu einer Übertragung der von *Laplace* behandelten
Probleme auf das Gebiet der statischen Elektrizität geführt hatte. Um
die neu erschlossenen Gebiete der galvanischen Elektrizität und der
Induktion gleichfalls der mathematischen Analyse unterwerfen zu können,
war es nötig, ähnlich wie es *Coulomb* für die statische Elektrizität
getan, zunächst gesetzmäßige Beziehungen aufzufinden. Nur auf diese
Weise ließ sich der Boden zur Aufstellung einer umfassenderen Theorie
gewinnen.
Für die elektromagnetische Wirkung gelang es noch im Jahre ihrer
Entdeckung (1820 durch *Oersted*[113]) eine solche gesetzmäßige
Beziehung zu finden. Eine von *Biot* und *Savart* unternommene
Untersuchung[114] über die Wirkung des galvanischen Stromes auf eine
an einem Kokonfaden hängende Magnetnadel ergab, daß die von dem Strom
auf einen Magnetpol ausgeübte Kraft senkrecht zu der durch den Pol und
den Strom gelegten Ebene wirkt und daß die Intensität dieser Kraft
der Entfernung des Pols von dem Strom umgekehrt proportional ist. Auf
den ersten Blick zeigt sich in diesem Falle keine Analogie mit dem
Attraktions- und dem *Coulomb*schen Gesetz. Letztere tritt aber hervor,
wenn man von dem an der Nadel vorübergeführten gradlinig und unbegrenzt
gedachten Strom nur ein Element ins Auge faßt. Für ein solches Element
läßt sich aus der von *Biot*[115] und *Savart*[116] gefundenen Regel
ableiten, daß seine Wirkung sich umgekehrt wie das Quadrat des
Abstandes verhält.
Das *Biot-Savart*sche Gesetz ist durch zahlreiche spätere
Untersuchungen bestätigt worden. Sein mathematischer Ausdruck
lautet[117]: